CN104867369B - 无人潜器运动模拟装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种无人潜器运动模拟装置及模拟方法。包括两台显示器、服务器和操控面板，两台显示器分别显示无人潜器的二维运动状态及操作界面与三维运动状态。两台显示器成100°‑110°夹角，两台显示器通过视频线与服务器相连，操控面板通过隔离信号板与服务器连接，服务器通过网络接口与网络连接。在无人潜器运动模型的受力中，考虑了故障和水舱操作的影响，以实现全状态无人潜器运动模拟。无人潜器运动解算过程主要包括基本受力求解、故障受力求解、水舱操作受力求解和综合处理。本发明稳定性好，可移植性高，操作简单，实现了水下无人潜器正常状态和故障状态的运动模拟问题，为水下无人潜器操纵性研究和抗沉性研究提供了基础平台。

Description

无人潜器运动模拟装置及模拟方法

技术领域

本发明涉及的是一种运动状态模拟装置，具体地说是一种无人潜器运动模拟装置。本发明还涉及一种无人潜器运动模拟方法。

背景技术

无人潜器作为一种高技术手段，在海洋开发中扮演着重要的角色。鉴于无人潜器的巨大发展潜力,许多国家尤其是发达国家都致力于无人潜器技术研究和产品开发，无人潜器技术得到了大力发展。目前无人潜器成功应用于海底地形地貌勘察、海洋资源及地质调查、海洋环境和水文参数测量、生物考察等任务中。运动模拟技术是无人潜器技术中关键技术之一，也受到了广泛的重视。无人潜器运动模拟，对于无人潜器的水动力性能研究和操纵性预报具有十分重要的意义，同时良好的运动模拟技术可以减少水池试验和外场试验的次数，节约成本，提高效率，为操纵性能分析提供依据，并为以后的控制系统设计和方法选取提供调试平台。

公开号为CN102354464 A的专利文件中公开的“一种遥控水下机器人模拟训练器”，包括操控装置、控制系统和视景仿真计算机。但是其操控装置中尚未实现水下机器人工作环境中可能出现的故障设置，控制系统中水下机器人的运动学和动力学模型中尚未涉及水下机器人工作环境中可能出现的故障受力情况，不能实现水下机器人故障状态下的运动模拟。

不难看到，研究一种既能实现正常工作状态的运动模拟，又能实现故障状态下运动模拟，且具有良好交互性的无人潜器运动模拟装置或系统，具有重要的科研价值和实际的工程价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现无人潜器的全状态运动模拟的无人潜器运动模拟装置。本发明的目的还在于提供一种能够实现无人潜器的全状态运动模拟的无人潜器运动模拟方法。

本发明的无人潜器运动模拟装置包括显示器、服务器和操控面板，所述显示器包括两台显示器，第一显示器用于显示无人潜器的二维运动状态及操作界面，第二显示器用于显示无人潜器的三维运动状态，第二显示器位于第一显示器上方，两台显示器成100°-110°夹角，两台显示器通过视频线与服务器相连，操控面板通过隔离信号板与服务器连接，操控面板包括键盘、按钮、单色指示灯和双色指示灯，采用键盘与按钮相结合的方式输入操纵指令和设置信息，采用单双色指示灯显示故障状态信息，服务器通过固定支架固定在柜体中，第一显示器和操控面板固定在柜体上，服务器通过网络接口与网络连接。

本发明的无人潜器运动模拟装置还可以包括：

1、所述信号隔离板包括继电器、隔离电源和数字隔离芯片ADUM1401，数字隔离芯片与服务器的DIO卡互联，按钮与数字隔离芯片ADUM1401链接，数字隔离芯片ADUM1401经继电器连接单双色指示灯。

2、两台显示器的夹角为106°。

3、数字隔离芯片ADUM1401总共设有28路按钮输入信号和64路单双色指示灯控制信号。

本发明的无人潜器运动模拟方法为：

步骤1，开始，完成初始化操作；

步骤2，环境信息加载；

步骤3，获取执行器指令信息，所述执行器指令信息包括推进器转速、执行舵角和水舱进、排水操作信息；

步骤4，设置故障，所述故障主要包括：推进器故障、卡舵故障、水舱泵阀故障和破舱故障；

步骤5，运动解算，求解当前无人潜器的运动状态信息和位姿信息；

步骤6，观察模拟运行效果并保存无人潜器的运动状态信息和位姿信息；

步骤7，运动模拟完毕，结束。

本发明的运动模拟装置，以离线或在线方式实现无人潜器的正常状态和故障状态下，即全状态运动模拟。离线方式，即直接通过输入设备输入操纵指令，进行运动模拟；在线方式，即从操控装置上输入操纵指令，通过网络发送到运动模拟装置，进行运动模拟。正常状态下运动模拟是指在给定操纵指令情况下，实时准确地反映出水下机器人当前的运动状态；故障状态下运动模拟是指在卡舵、破舱、推进器故障、水舱泵阀故障等情况下，给定操纵指令时，实时准确地反映无人潜器的运动状态。

本发明的运动模拟装置采用单体双显示器结构，主要包括两台显示器、服务器、操控面板。一台显示器显示潜器二维运动状态及操作界面，另一台显示器显示潜器三维运动状态，成106°夹角，通过视频线与服务器相连。操控面板通过隔离信号板与服务器连接，采用键盘与按钮相结合的方式输入操纵指令和设置信息，采用单双色指示灯显示故障状态信息，服务器通过固定支架固定在柜体中。为了实现在线运行模拟，还加入了网络接口。

本发明的无人潜器运动模拟方法，其中故障设置和水舱调节可通过硬件控制面板按钮实现，也可以通过内置软件实现，两者可独立操作，但是信息同步更新，这里同步更新的信息主要指无人潜器的故障信息和水舱的操作信息。在无人潜器运动模型的受力中，考虑了故障和水舱操作的影响，以实现全状态无人潜器运动模拟。无人潜器运动解算过程主要包括基本受力求解、故障受力求解、水舱操作受力求解和综合处理。

与已有技术相比本发明具有如下优越性：

1、采用两个显示器进行显示：一台显示潜器二维运动状态及操作界面，另一台显示潜器三维运动状态，便于操作者观察和操作。

2、隔离信号板可防止由于线路短路或信号异常导致采集卡损坏，保证了采集板卡的安全性和稳定性。

3、不仅可以实现单独离线运动模拟，还可以通过网络接口与操控装置建立网络连接，实现在线运动模拟。

4、不仅可进行正常状态下无人潜器运动模拟，也可进行故障状态下无人潜器运动模拟，提供了全状态运动模拟。

附图说明

图1是本发明的无人潜器运动模拟装置的组成示意图。

图2是无人潜器运动模拟装置的外观图。

图3是控制面板的示意图。

图4是隔离信号板的原理示意图。

图5是运动模拟实现方法示意图。

图6是运动解算流程。

图7是本发明的无人潜器运动模拟方法控台离线工作流程图。

图8是本发明的无人潜器运动模拟方法在线工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

结合图1，本发明的无人潜器运动模拟装置包括第一显示器1、第二显示器2、服务器4、操控面板5和网络接口6。两台显示器通过视频线与服务器4相连，一台显示潜器二维运动状态及操作界面，另一台显示潜器三维运动状态。操控面板上指示灯和按钮通过信号隔离板，与服务器DIO卡连接，键盘通过USB接口与服务器连接，实现操控指令获取。网络接口6与服务器中内置的网卡相连接，可实现在线六自由度无人潜器运动模拟。

结合图2，第二显示器2布置在最上方部位，与第一显示器1成106°夹角。操控面板安装在中部，服务器和网络接口通过固定支架固定在下部的柜体中。

结合图3，操控面板主要由金属全键盘5-1、12个按钮开关5-2、14个指示灯5-3(12个双色，2个单色)组成。其中金属键盘用于输入执行器指令，包括主推转速、舵角和水舱操作等；按钮开关用于设置无人潜器故障，包括推进器故障、卡舵故障、破舱故障和水舱泵阀故障；单双色指示灯显示故障状态信息。为了确保操控面板中各个按钮、各指示灯之间的信号稳定、互不相影响和防止由于线路短路或信号异常导致采集卡损坏，在本装置中加入了一块隔离信号板；其工作原理如图4所示，该信号隔离板主要由继电器、隔离电源和数字隔离芯片ADUM1401组成，总共设有28路按钮输入信号和64路灯的控制信号。

结合图5，本发明的无人潜器运动模拟方法的步骤如下：

步骤1，开始，完成初始化操作；

步骤2，环境信息加载；

步骤3，获取执行器指令信息；

步骤4，设置故障；

步骤5，运动解算，求解当前无人潜器的运动状态信息和位姿信息；

步骤6，观察仿真运行效果并保存无人潜器的运动状态信息和位姿信息；

步骤7，运动模拟完毕，结束。

其中：

步骤2中的环境信息加载主要流的信息，主要包括流速和流向，通过操控面板键盘输入实现。

步骤3中的获取执行器指令有两种方式，即直接从操控面板键盘输入实现或者通过网络与操控装置连接获得，执行器指令主要包括推进器转速、执行舵角和水舱进、排水操作信息。

步骤4中设置故障，通过操控面板的按钮开关进行设置，或者通过内置的软件实现故障设置，两者独立操作，但信息同步更新。故障主要包括：推进器故障、卡舵故障、水舱泵阀故障和破舱故障。

结合图6，步骤5中运动解算流程的步骤如下:

S01，求解基本受力F₀；

S02，求解水舱进、排水操作受力F_W；

S03，求解故障受力F_D；

S04，综合处理，求解无人潜器运动信息和姿态信息。

其中：

在步骤S01中，基本受力F₀求解方式如下：

F₀＝F_H+F_G+F_B+F_R+F_T (1)

F_H，F_G，F_B，F_R，F_T—艇体水动力(矩)，重力(矩)，浮力(矩)，舵力(矩)，推力(矩)。一般情况下，重力(矩)和浮力(矩)用静力(矩)来表示，即F_s＝F_G+F_B.静力(矩)可表示为式(2)：

在步骤S02中，水舱进、排水操作受力F_W求解过程如下：

当水舱进水状态时C>0；当水舱排水状态时C<0；水舱的质量相对无人潜器的质量很小，可认为其不改变重心位置。参照式(2)得到水舱操作产生的力(矩)F_W。

在步骤S03中，故障受力F_D根据故障的类型，对其分析如下：

(1)推进器故障发生时，电机转速为0，则推进器不产生推力，即F_T＝0；

(2)卡舵故障发送时，舵保持故障前(即上一时刻)的舵角，且在故障期间保持不变，可表示为:

F_R(t)＝F_R(t₀) t≥t₀ (4)

(3)破舱故障发生时，即在相应的舱室位置以公式(5)的速率进水：

式中：

Q_in—进水速率，m³/s

μ_in—进水滞流系数，取0.6

S—破洞面积，m²

h—无人潜器深度，m

p—破损舱室气压，p_a

此时的故障力(矩)F_D可表示为破舱进水量产生的重力和重心的改变作用于无人潜器，可参照式(2)得到故障力(矩)F_D。

在步骤S04中，综合处理过程如下：

通过式(6)计算得到无人潜器的受力情况：

F＝F₀+F_D+F_W (6)

式中

m—无人潜器的质量；

x_G,y_G,z_G—无人潜器的重心坐标；

I_x,I_y,I_z—无人潜器质量m对OX，OY，OZ轴的转动惯量；

u、v、w、p、q、r—六个自由度的(角)速度。

把式(6)带入式(7)中，即可求得相应的加速度信息，进行积分得到速度(角速度)信息，结合初始位置信息，对速度(角速度)信息积分，即可得到当前位置信息和姿态信息。

本发明中的特制显控台，可实现离线运动模拟和与操控装置通过内置网络接口连接实现在线运动模拟。如图7所示的离线运动模拟操作过程，其包含以下步骤：

1)开启特制显控台；

2)输入海流信息：流速和流向；

3)输入执行器指令：操控面板键盘输入推进器转速、方向舵舵角、水平舵舵角和各个水舱进、排水开关状态；

4)设置或解除故障：通过操控面板上按钮设置相应的故障，主要包括：破舱故障、推进器故障、卡舵故障、水舱泵阀故障；

5)重复步骤3)—4)，实现离线无人潜器运动模拟。

如图8所示的在线运动模拟操作过程，特制显控台作为服务器提前开启，操控装置作为客户端访问连接，发送控制指令，控制指令主要包括：推进器转速、方向舵舵角、水平舵舵角和各个水舱进、排水开关状态。在线运动模拟包含以下步骤：

1)开启特制显控台；

2)输入海流信息：流速和流向；

3)建立网络，等待操控装置连接，如果成功，进行步骤4)，否则等待连接；

4)设置或解除故障；

5)重复步骤4)，实现无人潜器在线运动模拟。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施而已，并不限制本发明，所以基于本发明的基本思想而进行修改、替换、改进等，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种无人潜器运动模拟方法，通过无人潜器运动模拟装置实现，所述无人潜器运动模拟装置包括显示器、服务器和操控面板，所述显示器包括两台显示器，第一显示器用于显示无人潜器的二维运动状态及操作界面，第二显示器用于显示无人潜器的三维运动状态，第二显示器位于第一显示器上方，两台显示器成100°-110°夹角，两台显示器通过视频线与服务器相连，操控面板通过隔离信号板与服务器连接，操控面板包括键盘、按钮、单色指示灯和双色指示灯，采用键盘与按钮相结合的方式输入操纵指令和设置信息，采用单双色指示灯显示故障状态信息，服务器通过固定支架固定在柜体中，第一显示器和操控面板固定在柜体上，服务器通过网络接口与网络连接，其特征是：

步骤1，开始，完成初始化操作；

步骤2，环境信息加载；

步骤3，获取执行器指令信息，所述执行器指令信息包括推进器转速、执行舵角和水舱进、排水操作信息；

步骤4，设置故障，所述故障主要包括：推进器故障、卡舵故障、水舱泵阀故障和破舱故障；

步骤5，运动解算，求解当前无人潜器的运动状态信息和位姿信息；

步骤6，观察模拟运行效果并保存无人潜器的运动状态信息和位姿信息；

步骤7，运动模拟完毕，结束。

2.根据权利要求1所述的无人潜器运动模拟方法，其特征是：所述环境信息包括流速和流向，通过操控面板键盘输入；所述获取执行器指令是直接从操控面板键盘输入或者通过网络与服务器连接获得；所述设置故障是通过操控面板的按钮开关进行设置或者通过内置软件实现故障设置，两者独立操作，但信息同步更新。

3.根据权利要求2所述的无人潜器运动模拟方法，其特征是：所述运动解算具体包括：

S01，求解基本受力F₀；

S02，求解水舱进、排水操作受力F_W；

S03，求解故障受力F_D；

S04，综合处理，求解无人潜器运动信息和姿态信息；

其中：

步骤S01中，基本受力F₀求解方式如下：

F₀＝F_H+F_G+F_B+F_R+F_T

F_H，F_G，F_B，F_R，F_T分别为艇体水动力，重力，浮力，舵力，推力；重力和浮力用静力来表示，即F_s＝F_G+F_B，静力表示为式：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_s=-(m-\mathrm{\&rho;}\&dtri;)gsin\mathrm{\&theta;}\\ Y_s=(m-\mathrm{\&rho;}\&dtri;)gsin\mathrm{\&phi;}cos\mathrm{\&theta;}\\ Z_s=(m-\mathrm{\&rho;}\&dtri;)gcos\mathrm{\&phi;}cos\mathrm{\&theta;}\\ K_s=(y_{G}m-y_B\mathrm{\&rho;}\&dtri;)g\cos \mathrm{\&phi;}cos\mathrm{\&theta;}-(z_{G}m-z_B\mathrm{\&rho;}\&dtri;)gsin\mathrm{\&theta;}\\ M_s=-(x_{G}m-x_B\mathrm{\&rho;}\&dtri;)gcos\mathrm{\&phi;}cos\mathrm{\&theta;}-(z_{G}m-z_B\mathrm{\&rho;}\&dtri;)g\sin \mathrm{\&theta;}\\ N_s=(x_{G}m-x_B\mathrm{\&rho;}\&dtri;)g\cos \mathrm{\&phi;}\cos \mathrm{\&theta;}-(z_{G}m-z_B\mathrm{\&rho;}\&dtri;)gsin\mathrm{\&theta;}\end{array}\right.;$

在步骤S02中，水舱进、排水操作受力F_W求解过程如下：

$\begin{array}{cc}\&dtri;V_W\left(t\right)=C\&times;(t-t_0)& t\&GreaterEqual;t_0\end{array}$

当水舱进水状态时C＞0；当水舱排水状态时C＜0；由静力表示式得到水舱操作产生的力/矩F_W；

在步骤S03中，故障受力F_D根据故障的类型分为：

(1)推进器故障发生时，电机转速为0，则推进器不产生推力，即F_T＝0；

(2)卡舵故障发送时，舵保持故障前的舵角，且在故障期间保持不变，表示为:

F_R(t)＝F_R(t₀) t≥t₀

(3)破舱故障发生时，即在相应的舱室位置以下式的速率进水：

$Q_{in}\left(t\right)={\mathrm{\&mu;}}_{in}S\sqrt{2g(h-10p+10)}$

式中：

Q_in-进水速率，m³/s

μ_in-进水滞流系数，取0.6

S-破洞面积，m²

h-无人潜器深度，m

p-破损舱室气压，p_a

此时的故障力/矩F_D表示为破舱进水量产生的重力和重心的改变作用于无人潜器，由静力表示式得到故障力F_D；

在步骤S04中，综合处理过程如下：

通过下式计算得到无人潜器的受力情况：

F＝F₀+F_D+F_W

$\left\{\begin{array}{c}m\&lsqb;(\stackrel{\&CenterDot;}{u}-vr+wq)-x_G(q^2+r^2)+y_G(pq-\stackrel{\&CenterDot;}{r})+z_G(pr+\stackrel{\&CenterDot;}{q})\&rsqb;=X\\ m\&lsqb;(\stackrel{\&CenterDot;}{v}-wp+ur)-y_G(r^2+p^2)+z_G(qr-\stackrel{\&CenterDot;}{p})+x_G(qp+\stackrel{\&CenterDot;}{r})\&rsqb;=Y\\ m\&lsqb;(\stackrel{\&CenterDot;}{w}-uq+vp)-z_G(p^2+q^2)+x_G(rp-\stackrel{\&CenterDot;}{q})+y_G(rq+\stackrel{\&CenterDot;}{p})\&rsqb;=Z\\ I_{xx}\stackrel{\&CenterDot;}{p}+(I_{zz}-I_{yy})qr+m\&lsqb;y_G(\stackrel{\&CenterDot;}{w}+pv-qu)-z_G(\stackrel{\&CenterDot;}{v}+ru-pw)\&rsqb;=K\\ I_{yy}\stackrel{\&CenterDot;}{q}+(I_{xx}-I_{zz})rp+m\&lsqb;z_G(\stackrel{\&CenterDot;}{u}+qw-rv)-x_G(\stackrel{\&CenterDot;}{w}+pv-qu)\&rsqb;=M\\ I_{zz}\stackrel{\&CenterDot;}{r}+(I_{yy}-I_{xx})pq+m\&lsqb;x_G(\stackrel{\&CenterDot;}{v}+ru-pw)-y_G(\stackrel{\&CenterDot;}{u}+qw-rv)\&rsqb;=N\end{array}\right.$

式中

m-无人潜器的质量；

x_G,y_G,z_G-无人潜器的重心坐标；

I_x,I_y,I_z-无人潜器质量m对OX，OY，OZ轴的转动惯量；

u、v、w、p、q、r-六个自由度的速度或角速度；

把式F＝F₀+F_D+F_W带入式

中，求得相应的加速度信息，进行积分得到速度或角速度信息，结合初始位置信息，对速度或角速度信息积分，得到当前位置信息和姿态信息。