CN104598663A - 海洋力学环境虚拟生成系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种海洋力学环境虚拟生成系统及方法，适用于为水下运载器发射试验仿真提供海洋力学环境。本发明的系统由用户界面和参数设置模块、真线程模块、数据管理模块、环境扰动力模块、通信接口模块等五个功能模块组成，工作在分布式仿真大系统中，通过反射内存网和高速以太网与其它节点进行通信。本发明所公开的虚拟生成系统，具备多线程运行功能，具备保存和加载试验海区环境模拟数据的功能，具备根据试验平台、运载器和目标位置检索环境参数并向其它节点分发的功能，可以提供一个可重用、易扩充的分布交互式仿真海洋大气试验环境，减少水下运载器开展真实发射试验的次数和费用，以及解决真实试验难以考核的复杂边界条件。

Description

海洋力学环境虚拟生成系统及方法

技术领域

本发明属于数字仿真应用技术领域，涉及到海洋力学环境虚拟生成技术，特别涉及为水下运载器仿真试验提供海洋力学环境的虚拟生成系统及方法。

背景技术

水下运载器或水下发射飞行器在正式生产或定型前需要进行大量的水下试验。此类试验参加单位及人员范围广，协调难度大，技术难点众多，实现成本高，对周边影响大。此外，由于水下运载器水下真实试验次数有限，且很多复杂海洋力学环境及各种工况组合的海洋力学环境适应性难以通过真实试验加以考核。对水下运载器使用性能和各项技术指标给出评估，必须开展大量的半实物仿真试验或全数字仿真试验。

因此，存在如下需求：提供一种可以为水下运载器或水下发射飞行器仿真试验提供海洋力学环境的虚拟生成系统及方法。

发明内容

为了解决水下运载器上述现有真实试验情况所存在的问题，本发明提出了一种海洋力学环境虚拟生成系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种海洋力学环境虚拟生成系统，所述海洋力学环境虚拟生成系统包括：系统用户界面，将各功能模块集成在一起实现整个系统的功能；参数设置模块，负责复杂环境参数的可视化设置；仿真线程模块，负责按调度节点提供的同步机制动态刷新运载器所在位置的环境参数；数据管理模块，负责试验海区环境参数的描述、初始化和检索；环境扰动力模块，负责根据环境参数和试验平台、运载器、目标运动参数计算受到的环境扰动力和力矩；以及通信接口模块，负责与调度节点及其它节点交互。

还有必要提供一种海洋力学环境虚拟生成方法，所述海洋力学环境虚拟生成方法包括：系统用户界面，采用MFC类库进行设计，业务逻辑模块自定义类库进行封装，主菜单由“文件”，“设置”，“帮助”组成；参数设置模块，采用OpenGL图形库，以多层网格的方式提供可视化设置界面，用户可以逐点修改环境参数，也可以选择区域统一修改环境参数，还可以规定周围节点的关联方式；仿真线程模块，根据通信线程循环检测仿真启动变量和通信线程循环检测仿真结束变量结果，创建或终止仿真线程；数据管理模块，采用多维数组实现，模块提供节点操作函数、区域操作函数、初始化和检索函数，供参数设置模块调用；环境扰动力模块，扰动力通过切片法计算，按照皮尔逊-莫斯考维茨波谱生成具有不同频率和相位的随机正弦波，分别计算每条正弦波引起的扰动力和力矩，叠加得到随机波引起的扰动力和力矩；通信接口模块，按照调度节点与任务规划节点、综合显示节点、数据库节点通信基于TCP/IP通信机制实现，与调度节点、运载器节点、目标仿真节点的通信基于反射内存网实现。

相较于现有技术，本发明海洋力学环境虚拟生成系统及方法，不但可覆盖试验海域的水文气象信息，还包含了试验平台、水下运载器及目标的运动特性，以及复杂的、各种工况的海洋水下力学环境，更能够为运载器仿真试验自动生成虚拟海洋力学环境。

附图说明

图1是本发明海洋力学环境虚拟生成系统的体系结构架构图。

图2是本发明海洋力学环境虚拟生成系统中各模块参与仿真事件的原理图。

图3是本发明海洋力学环境虚拟生成系统的主要工作流程图。

图4是本发明海洋力学环境虚拟生成系统应用的分布式仿真系统图。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

如图1所示，是本发明海洋力学环境虚拟生成系统较佳实施例的体系结构架构示意图。按照面向对象软件工程思想进行系统分析与设计，系统界面采用MFC类库进行设计，业务逻辑模块自定义类库进行封装，尽可能实现软件代码的易读性、重用性和可扩展性。

所述海洋力学环境虚拟生成系统15包括系统用户界面1、参数设置模块2、仿真线程模块3、数据管理模块4、环境扰动力模块5、通信接口模块6。

所述系统用户界面1，为环境仿真节点软件的框架，将各功能模块集成在一起实现整个软件的功能。系统用户界面采用VC的MFC框架开发，提供功能菜单和可视化的环境参数设置。主菜单由“文件”，“设置”，“帮助”组成，“文件”菜单负责配置文件的管理和系统的退出，“设置”菜单负责复杂环境参数的图形化设置，“帮助”菜单负责到帮助系统的导航和软件版本说明。

所述参数设置模块2，负责复杂环境参数的可视化设置，采用OpenGL图形库实现，提供环境模型的网格绘制、拾取和参数调整等可视化操作函数。环境参数生成时，使用任务规划文件指定的参数初始化成均匀场。用户可以逐点修改环境参数，也可以选择区域统一修改环境参数，还可以规定周围节点的关联方式。例如当某个节点参数值调高以后，周围指定范围内的相邻节点可以按照线性或指数规律进行平滑过渡。

所述仿真线程模块3，负责按调度节点提供的同步机制动态刷新试验平台、运载器和目标所在位置的环境参数和运载器所受的环境扰动力。

所述数据管理模块4，负责试验海区环境参数的描述、初始化和检索，模块提供节点操作函数、区域操作函数、初始化和检索函数，供参数设置模块调用。采用多维数组存储网格信息，从目标位置直接求解数组下标。检索时，首先沿规划行迹进行插值，然后根据插值结果和偏离值找到相邻节点，最后根据相邻节点环境数据插值获得运载器所在位置的环境参数。

所述环境扰动力模块5，负责根据数据管理模块提供的运载器所在位置的环境参数(海况、海流和发射平台首尾效应)和运载器运动参数计算运载器受到的环境扰动力和力矩。

所述通信接口模块6，负责与调度节点及其它节点交互，完成系统状态的上报和调度指令的接收、其它节点订购状态的查询和生成数据的交付。

如图2所述，是本发明海洋力学环境虚拟生成系统中各模块参与仿真事件的流程图。

数据经由硬件传输至环境仿真节点计算机，通过通信接口模块的处理传入环境仿真软件系统，软件根据数据进行相应操作，整个过程中不同模块之间会发生频度不等的交互，模块之间交互通过各模块的接口实现。

如图3所示，是本发明海洋力学环境虚拟生成系统15佳实施例的工作流程图。

步骤S1，所述海洋力学环境虚拟生成系统软件15启动后，通过置位系统就绪状态变量ENV_SR(反射内存区变量)向调度节点登录，启动通信线程，然后进入界面消息循环。

步骤S2，所述通信线程等待接收任务规划文件TASK2ENV.XML，并按照任务规划文件执行环境数据的初始化，允许用户界面上的复杂环境参数设置功能；然后循环检测系统初始化完成变量SI(系统内部变量)，若为1则置位系统初始化完成状态变量ENV_SI(反射内存区变量)。

步骤S3，用户通过所述用户界面1人工设置复杂环境参数，设置完成后，点击初始化完成按钮，界面线程置位初始化完成变量SI(系统内部变量)。

步骤S4，所述通信线程循环检测仿真启动变量TASK_START(反射内存变量)，若为1创建仿真线程，否则继续等待。

步骤S5，所述通信线程循环检测仿真结束变量TASK_END(反射内存变量)，若为1终止仿真线程，否则继续等待。

步骤S6，所述通信线程循环检测仿真复位变量TASK_RESET(反射内存变量)，若为1向界面线程发送RESET消息，退出通信线程，否则回到S4步。

步骤S7，在所述仿真线程中，循环检测单帧继续变量ENV_GO(反射内存变量)，若为1则从反射内存区读取来至运载器仿真节点和目标仿真节点的数据订购要求，检索运载器和目标所在位置的环境参数，计算波浪、海流和发射平台首尾效应对运载器产生的扰动力，保存在相应的反射内存区，然后复位ENV_GO，否则继续等待。

如图4所示，是本发明海洋力学环境节点15工作的分布式仿真系统图。

所述通信接口模块6与任务规划节点11、综合显示节点10、数据库节点9通信基于TCP/IP通信机制实现，与调度节点7、运载器节点14、目标节点13的通信基于反射内存网12实现。

所述调度节点7，实现海区环境规划与管理功能，基于反射内存网与环境节点15进行通信，完成环境仿真节点的启动和同步。

所述其它节点8，除调度节点之外的节点，主要包括：数据库节点9、综合显示节点10、任务规划节点11、目标节点13、运载器节点14。

所述数据库节点9，实现环境数据的生成、刷新、检索与插值功能，基于TCP/IP协议实现与环境节点15的面向连接的套接字通信。每一次仿真任务完成后，15向数据库节点9发送本次仿真的所有数据，数据文件为xml格式。

所述综合显示节点10，实现海洋环境与飞行可视化仿真，基于TCP/IP协议实现与环境节点15的面向连接的套接字通信，初始化完成后环境节点向综合显示节点10发送环境数据。

所述任务规划节点11，实现试验平台及目标参数设定、试验海区及目标区域指定功能，基于TCP/IP协议实现与环境节点15的面向连接的套接字通信。

所述高速以太网/反射内存网12，系统各个节点进行通信的网络。

所述目标节点13，实现目标的运动仿真功能；所述运载器节点14，实现运载器的运动仿真功能。

目标节点13、运载器节点14基于反射内存网与环境节点15进行通信：平台、运载器、目标节点向环境仿真节点订购数据；环境仿真节点向平台、运载器、目标节点提供相应数据。

以上实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照较佳实例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明技术方案的主旨和范围的前提下，可以对本发明的技术方案做出不同的修改或变化。

Claims (6)

1.一种海洋力学环境虚拟生成系统，所述海洋力学环境虚拟生成系统包括：

用户界面，将各功能模块集成在一起实现整个系统的功能；

参数设置模块，负责复杂环境参数的可视化设置；

仿真线程模块，负责按调度节点提供的同步机制动态刷新运载器所在位置的环境参数；

数据管理模块，负责试验海区环境参数的描述、初始化和检索；

环境扰动力模块，负责根据环境参数和运动参数计算受到的环境扰动力和力矩；

通信接口模块，负责与调度节点及其它节点交互。

2.根据权利要求1所述的海洋力学环境虚拟生成系统，其特征在于，该系统具有的功能包括：

具备多线程运行功能；

具有按照调度节点指令协同工作的功能；

具有XML文件接收、存储及解析功能；

具有保存和加载试验海区环境模拟数据的功能；

具有根据试验平台、运载器和目标位置检索环境参数并向其它节点分发的功能。

3.根据权利要求2所述的海洋力学环境虚拟生成系统，其特征在于，参数设置模块具有以可视化的方式设置复杂海洋环境气象、力学参数的功能，设置好的复杂环境可以保存供后续仿真试验使用。

4.根据权利要求2所述的海洋力学环境虚拟生成系统，其特征在于，环境扰动力模块具有的功能包括：

具有计算海浪作用在运载器上的扰动力和力矩的功能；

具有计算海流作用在运载器上的扰动力和力矩的功能；

具有计算试验平台首尾效应作用在运载器上的扰动力和力矩的功能。

5.根据权利要求2所述的海洋力学环境虚拟生成系统，其特征在于，数据管理模块采用多维数组实现，模块提供节点操作函数、区域操作函数、初始化和检索函数，供参数设置模块调用。

6.根据权利要求2所述的海洋力学环境虚拟生成系统，其特征在于，该系统可以作为一个节点，通过高速以太网和反射内存网与其它节点进行通信，实现为水下运载器仿真试验提供各种工况的海洋和大气力学环境。