CN105526948A - 一种船舶导航系统闭环试验验证的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种船舶导航系统闭环试验验证的方法及系统，通过加载预先建立的闭环仿真试验模型；再接入待测的船舶导航系统，用所述船舶导航系统替换所述闭环仿真试验模型中的组合导航系统模型，获得替换后的闭环仿真试验模型；运行所述替换后的闭环仿真试验模型。本发明采用半实物闭环仿真的方式，使得船体当前速度、位置及姿态信息均可直接由船舶导航系统解算得到，这些信息由于添加了传感器误差，与真实场景更为接近，使本发明能够更好的复现船舶导航系统处于的真实工作环境，使试验结果更加真实可靠，同时采用半实物闭环仿真的方式也使本发明具有成本低，试验周期短，效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及船舶导航系统仿真领域，特别涉及一种船舶导航系统闭环试验验证的方法及系统。
背景技术
现代船舶多采用建立在多传感器应用基础之上的组合导航系统。在实际应用中，由于传感器的失效、所处环境的噪声以及人为的意外干扰等因素影响，导致系统故障时有发生，而对于船舶导航系统而言，其可靠性至关重要。因此，在投入实际应用之前，对船舶导航系统进行全方位的试验验证具有重要的意义。
传统的船舶导航系统试验验证方法通常分为两种：一是利用simulink或c语言对导航系统进行数学建模，将传感器误差以及系统噪声等影响因素加以量化，在离线条件下对构造好的导航系统的数学模型进行开环仿真试验，将得到的离线仿真结果与无误差的理想输出进行比较，从而对导航系统精度及性能进行评估，该方法的缺点是现实场景中一些严苛的边界条件是无法采用数学建模的方式完全模拟的，这导致仿真系统不能完整复现船舶导航系统处于的真实工作环境，无法对船舶导航系统的一些重要指标进行测试；二是将真实的待测导航系统搭载在真实船舶上进行出海航行试验，在实际使用环境中对导航系统进行试验，测试周期长，无法长时间多次进行，效率低下，试验费用高。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种船舶导航系统闭环试验验证的方法及系统，采用半实物闭环仿真的方式，能够在低成本的情况下，完整复现船舶导航系统处于的真实工作环境，更高效准确的完成船舶导航系统的试验验证。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种船舶导航系统闭环试验验证的方法，包括：
加载预先建立的闭环仿真试验模型；所述闭环仿真试验模型包括多个子模型；
接入待测的船舶导航系统，用所述船舶导航系统替换所述闭环仿真试验模型中的组合导航系统模型，获得替换后的闭环仿真试验模型；
运行所述替换后的闭环仿真试验模型。
优选的，所述子模型包括：
建立船舶力学模型，所述船舶力学模型用于依据船舶瞬时航速，姿态信息以及控制舵面解算出作用在船体上的三轴力和力矩；
建立船舶动力学模型，所述船舶动力学模型用于依据作用在船体上的三轴力和力矩以及船舶的当前状态解算出下一时刻船舶的状态；
建立组合导航系统模型，所述组合导航系统模型用于依据理想船舶位置、速度和姿态信息解算出经过误差与噪声叠加以及卡尔曼滤波后的船舶位置、速度和姿态信息；
建立航路点动态设置模型，所述航路点动态设置模型用于通过船舶当前经纬度以及目标经纬度实时生成参考航向，目标航路点将在船舶运动过程中进行动态调整；
建立控制器模型，所述控制器模型用于输出控制信号；
建立执行机构模型，所述执行机构模型用于对控制器模型输出的控制信号进行处理，并将处理后的控制信号发送给船舶动力学模型。
优选的，所述方法还包括：
接收用户在仿真参数设置界面输入的仿真参数。
优选的，所述方法还包括：
获取所述替换后的闭环仿真试验模型在运行过程中生成的数据，并在实时数据反馈界面输出。
一种船舶导航系统闭环试验验证的系统，包括：
模型加载模块，用于加载预先建立的闭环仿真试验模型；所述闭环仿真试验模型包括多个子模型；
与所述模型加载模块相连的导航系统替换模块，用于接入待测的船舶导航系统，用所述船舶导航系统替换所述闭环仿真试验模型中的组合导航系统模型，获得替换后的闭环仿真试验模型；
与所述导航系统替换模块相连的运行模块，运行所述替换后的闭环仿真试验模型。
优选的，所述模型加载模块还包括：
船舶力学模型生成模块，用于建立船舶力学模型，所述船舶力学模型用于依据船舶瞬时航速，姿态信息以及控制舵面解算出作用在船体上的三轴力和力矩；
与所述船舶力学模型生成模块相连的船舶动力学模型生成模块，用于建立船舶动力学模型，所述船舶动力学模型用于依据作用在船体上的三轴力和力矩以及船舶的当前状态解算出下一时刻船舶的状态；
与所述船舶动力学模型生成模块相连的组合导航系统模型生成模块，用于建立组合导航系统模型，所述组合导航系统模型用于依据理想船舶位置、速度和姿态信息解算出经过误差与噪声叠加以及卡尔曼滤波后的船舶位置、速度和姿态信息；
与所述组合导航系统模型生成模块相连的航路点动态设置模型生成模块，用于建立航路点动态设置模型，所述航路点动态设置模型用于通过船舶当前经纬度以及目标经纬度实时生成参考航向，目标航路点将在船舶运动过程中进行动态调整；
与所述航路点动态设置模型生成模块相连的控制器模型生成模块，用于建立控制器模型，所述控制器模型用于输出控制信号；
与所述控制器模型生成模块相连的执行机构模型生成模块，所述执行机构模型生成模块同时与所述船舶动力学模型生成模块相连，用于建立执行机构模型，所述执行机构模型用于对控制器模型输出的控制信号进行处理，并将处理后的控制信号发送给船舶动力学模型。
优选的，所述系统还包括：
仿真参数设置界面，用于接收用户在仿真参数设置界面输入的仿真参数。
优选的，所述系统还包括：
实时数据反馈界面，获取所述替换后的闭环仿真试验模型在运行过程中生成的数据，并在实时数据反馈界面输出。
优选的，所述模型加载模块包括：
链接库模型，所述链接库模型与所有子模型相连，用于通过对链接库模型的修改完成对子模型的修改。
由上述内容可知，本发明提供了一种船舶导航系统闭环试验验证的方法及系统，建立闭环仿真试验模型所需的子模型；将所述子模型组合成闭环仿真试验模型；将所述闭环仿真试验模型编译下载至实时操作系统，所述实时操作系统与待测船舶的导航系统相连，运行所述闭环仿真试验模型。本发明采用半实物闭环仿真的方式，使得船体当前速度、位置及姿态信息均可直接由船舶导航系统解算得到，这些信息由于添加了传感器误差，与真实场景更为接近，使本发明能够更好的复现船舶导航系统处于的真实工作环境，使试验结果更加真实可靠，同时，采用半实物闭环仿真的方式也使本发明具有成本低，试验周期短，效率高的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种船舶导航系统闭环试验验证方法的流程图；
图2是本发明提供的替换后的闭环仿真试验模型的结构图；
图3是本发明提供的另一种船舶导航系统闭环试验验证方法的流程图；
图4是本发明提供的第三种船舶导航系统闭环试验验证方法的流程图；
图5是本发明提供的一种船舶导航系统闭环试验验证系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种船舶导航系统闭环试验验证的方法及系统，采用半实物闭环仿真的方式，能够在低成本的情况下，完整复现船舶导航系统处于的真实工作环境，更高效准确的完成船舶导航系统的试验验证。
如图1所示，本发明实施例提供了一种船舶导航系统闭环试验验证的方法，包括：
S101、加载预先建立的闭环仿真试验模型；所述闭环仿真试验模型包括多个子模型；
S102、接入待测的船舶导航系统，用所述船舶导航系统替换所述闭环仿真试验模型中的组合导航系统模型，获得替换后的闭环仿真试验模型；
S103、运行所述替换后的闭环仿真试验模型。
在完成船舶闭环仿真模型建立后，为了模拟待测导航设备的真实使用环境，需要将模型编译加载至某实时操作系统中运行。此时，用真实待测船舶导航设备替换组合导航系统模型在回路闭环中进行仿真试验，船体当前速度、位置及姿态信息，直接由船体导航系统解算得到，导航系统中具有传感器，这些信息由于添加了传感器误差，与真实使用场景更为接近，并且，与现有技术多采用开环的试验方式相比，采用闭环试验方式接近真实使用场景，试验结果更加真实可信。
本实施例提供了一种船舶导航系统闭环试验验证的方法，包括：加载预先建立的闭环仿真试验模型；所述闭环仿真试验模型包括多个子模型；接入待测的船舶导航系统，用所述船舶导航系统替换所述闭环仿真试验模型中的组合导航系统模型，获得替换后的闭环仿真试验模型；运行所述替换后的闭环仿真试验模型。本发明采用半实物闭环仿真的方式，使得船体当前速度、位置及姿态信息均可直接由船舶导航系统解算得到，这些信息由于添加了传感器误差，与真实场景更为接近，使本发明能够更好的复现船舶导航系统处于的真实工作环境，使试验结果更加真实可靠，同时采用半实物闭环仿真的方式也使本发明具有成本低，试验周期短，效率高的优点。
在上一实施例中，所述子模型包括：
建立船舶力学模型，所述船舶力学模型用于依据船舶瞬时航速，姿态信息以及控制舵面解算出作用在船体上的三轴力和力矩；当船舶对象发生变更时，只需对该模型进行相应的修改即可完成。
建立船舶动力学模型，所述船舶动力学模型用于依据作用在船体上的三轴力和力矩以及船舶的当前状态解算出下一时刻船舶的状态；所述船舶的状态包括：船舶的海拔高度，经纬度及姿态信息。
建立组合导航系统模型，所述组合导航系统模型用于依据理想船舶位置、速度和姿态信息解算出经过误差与噪声叠加以及卡尔曼滤波后的船舶位置、速度和姿态信息；所述姿态信息包括：船体的纵摇角、横摇角及航向角。
建立航路点动态设置模型，所述航路点动态设置模型用于通过船舶当前经纬度以及目标经纬度实时生成参考航向，目标航路点将在船舶运动过程中进行动态调整；该模型使得船舶的运动过程尽可能复杂，以实现对导航系统更为严苛的测试。
建立控制器模型，所述控制器模型用于输出控制信号；以航向控制为例，依据船舶当前航向与参考航向解算输出所需的控制舵偏角。
建立执行机构模型，所述执行机构模型用于对控制器模型输出的控制信号进行处理，并将处理后的控制信号发送给船舶动力学模型；以控制舵信号为例，所述对控制器模型输出的控制信号进行处理包括：对舵偏角速度的设定、舵偏最大幅度的限制以及舵偏响应延时时间的设定。
依据上述闭环仿真试验模型中子模型的构成，所述替换后的闭环仿真试验模型结构如图2所示。
在本发明的另一实施例中，参见图3，提供了一种船舶导航系统闭环试验验证的方法，该方法包括S301-S303、且，步骤S301-S303与对应图1的实施例中的步骤S101-S103对应，除此之外，所述方法还包括：
S304、接收用户在仿真参数设置界面输入的仿真参数。
在本发明的另一实施例中，参见图4，提供了一种船舶导航系统闭环试验验证的方法，该方法包括S401-S403、且，步骤S401-S403与对应图1的实施例中的步骤S101-S103对应，除此之外，所述方法还包括：
S404、获取所述替换后的闭环仿真试验模型在运行过程中生成的数据，并在实时数据反馈界面输出。
对闭环仿真试验需要的初始化参数进行整理，以便针对这些参数设计一个仿真参数设置界面用于进行仿真参数设置，通常参数会包括：船舶初始状态参数(包括位置、速度、姿态信息及角速率)、控制器参数、滤波参数、地球基本参数(地球平均半径、海平面重力加速度)等，将整理好的参数通过一个参数设置界面供设计人员设置，以提高重复仿真测试的便利性。此外，为了对导航设备输出或模型实时仿真数据进行监控，需要进行仿真实时数据反馈界面设计，以便设计人员监视系统运行状态。
如图5所示，本发明实施例提供一种船舶导航系统闭环试验验证的系统，所述系统应用上述实施例中的船舶导航系统闭环试验验证的方法。
所述系统包括：
模型加载模块，用于加载预先建立的闭环仿真试验模型；所述闭环仿真试验模型包括多个子模型；
与所述模型加载模块相连的导航系统替换模块，用于接入待测的船舶导航系统，用所述船舶导航系统替换所述闭环仿真试验模型中的组合导航系统模型，获得替换后的闭环仿真试验模型；
与所述导航系统替换模块相连的运行模块，运行所述替换后的闭环仿真试验模型。
在完成船舶闭环仿真模型建立后，为了模拟待测导航设备的真实使用环境，需要将模型编译加载至实时操作系统中运行。此时，使用真实待测船舶的导航设备替换所述组合导航系统模型生成模块建立的组合导航系统模型在回路闭环中进行仿真试验，船体当前速度、位置及姿态信息，直接由船体导航系统解算得到，导航系统中具有传感器，这些信息由于添加了传感器误差，与真实使用场景更为接近，并且，与现有技术多采用开环的试验方式相比，采用闭环试验方式接近真实使用场景，试验结果更加真实可信。
本实施例提供了一种船舶导航系统闭环试验验证的系统，其中包括模型加载模块，用于加载预先建立的闭环仿真试验模型；所述闭环仿真试验模型包括多个子模型；与所述模型加载模块相连的导航系统替换模块，用于接入待测的船舶导航系统，用所述船舶导航系统替换所述闭环仿真试验模型中的组合导航系统模型，获得替换后的闭环仿真试验模型；与所述导航系统替换模块相连的运行模块，运行所述替换后的闭环仿真试验模型。本发明采用半实物闭环仿真的方式，使得船体当前速度、位置及姿态信息均可直接由船舶导航系统解算得到，这些信息由于添加了传感器误差，与真实场景更为接近，使本发明能够更好的复现船舶导航系统处于的真实工作环境，使试验结果更加真实可靠，同时采用半实物闭环仿真的方式也使本发明具有成本低，试验周期短，效率高的优点。
在本发明的上述实施例中，所述模型加载模块还包括：
船舶力学模型生成模块，用于建立船舶力学模型，所述船舶力学模型用于依据船舶瞬时航速，姿态信息以及控制舵面解算出作用在船体上的三轴力和力矩；当船舶对象发生变更时，只需对该模型进行相应的修改即可完成。
与所述船舶力学模型生成模块相连的船舶动力学模型生成模块，用于建立船舶动力学模型，所述船舶动力学模型用于依据作用在船体上的三轴力和力矩以及船舶的当前状态解算出下一时刻船舶的状态；所述船舶的状态包括：船舶的海拔高度，经纬度及姿态信息。
与所述船舶动力学模型生成模块相连的组合导航系统模型生成模块，用于建立组合导航系统模型，所述组合导航系统模型用于依据理想船舶位置、速度和姿态信息解算出经过误差与噪声叠加以及卡尔曼滤波后的船舶位置、速度和姿态信息；所述姿态信息包括：船体的纵摇角、横摇角及航向角。
与所述组合导航系统模型生成模块相连的航路点动态设置模型生成模块，用于建立航路点动态设置模型，所述航路点动态设置模型用于通过船舶当前经纬度以及目标经纬度实时生成参考航向，目标航路点将在船舶运动过程中进行动态调整；该模型使得船舶的运动过程尽可能复杂，以实现对导航系统更为严苛的测试。
与所述航路点动态设置模型生成模块相连的控制器模型生成模块，用于建立控制器模型，所述控制器模型用于输出控制信号；以航向控制为例，依据船舶当前航向与参考航向解算输出所需的控制舵偏角。
与所述控制器模型生成模块相连的执行机构模型生成模块，所述执行机构模型生成模块同时与所述船舶动力学模型生成模块相连，用于建立执行机构模型，所述执行机构模型用于对控制器模型输出的控制信号进行处理，并将处理后的控制信号发送给船舶动力学模型；以控制舵信号为例，所述对控制器模型输出的控制信号进行处理包括：对舵偏角速度的设定、舵偏最大幅度的限制以及舵偏响应延时时间的设定。
本发明的另一实施例中，所述一种船舶导航系统闭环试验验证的系统，还包括：
仿真参数设置界面，用于接收用户在仿真参数设置界面输入的仿真参数。
本发明的另一实施例中，所述一种船舶导航系统闭环试验验证的系统，还包括：
实时数据反馈界面，获取所述替换后的闭环仿真试验模型在运行过程中生成的数据，并在实时数据反馈界面输出。
对闭环仿真试验需要的初始化参数进行整理，以便针对这些参数设计一个仿真参数设置界面用于进行仿真参数设置，通常参数会包括：船舶初始状态参数(包括位置、速度、姿态信息及角速率)、控制器参数、滤波参数、地球基本参数(地球平均半径、海平面重力加速度)等，将整理好的参数通过一个参数设置界面供设计人员设置，以提高重复仿真测试的便利性。此外，为了对导航设备输出或模型实时仿真数据进行监控，需要进行仿真实时数据反馈界面设计，以便设计人员监视系统运行状态。
在本发明的另一实施例中，所述模型加载模块包括：
链接库模型，所述链接库模型与所有子模型相连，用于通过对链接库模型的修改完成对子模型的修改。
各个子模型均可采用修改链接库模型的方式供设计人员进行修改维护，每个子模型都可以单独进行修改。因此，当被测的船舶导航系统发生变更时，在确保模型接口不变的条件下，只需对其中部分子模型进行修改，即可完成需要的变更工作。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (9)
1.一种船舶导航系统闭环试验验证的方法，其特征在于，包括：
加载预先建立的闭环仿真试验模型；所述闭环仿真试验模型包括多个子模型；
接入待测的船舶导航系统，用所述船舶导航系统替换所述闭环仿真试验模型中的组合导航系统模型，获得替换后的闭环仿真试验模型；
运行所述替换后的闭环仿真试验模型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子模型包括：
建立船舶力学模型，所述船舶力学模型用于依据船舶瞬时航速，姿态信息以及控制舵面解算出作用在船体上的三轴力和力矩；
建立船舶动力学模型，所述船舶动力学模型用于依据作用在船体上的三轴力和力矩以及船舶的当前状态解算出下一时刻船舶的状态；
建立组合导航系统模型，所述组合导航系统模型用于依据理想船舶位置、速度和姿态信息解算出经过误差与噪声叠加以及卡尔曼滤波后的船舶位置、速度和姿态信息；
建立航路点动态设置模型，所述航路点动态设置模型用于通过船舶当前经纬度以及目标经纬度实时生成参考航向，目标航路点将在船舶运动过程中进行动态调整；
建立控制器模型，所述控制器模型用于输出控制信号；
建立执行机构模型，所述执行机构模型用于对控制器模型输出的控制信号进行处理，并将处理后的控制信号发送给船舶动力学模型。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
接收用户在仿真参数设置界面输入的仿真参数。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
获取所述替换后的闭环仿真试验模型在运行过程中生成的数据，并在实时数据反馈界面输出。
5.一种船舶导航系统闭环试验验证的系统，其特征在于，包括：
模型加载模块，用于加载预先建立的闭环仿真试验模型；所述闭环仿真试验模型包括多个子模型；
与所述模型加载模块相连的导航系统替换模块，用于接入待测的船舶导航系统，用所述船舶导航系统替换所述闭环仿真试验模型中的组合导航系统模型，获得替换后的闭环仿真试验模型；
与所述导航系统替换模块相连的运行模块，运行所述替换后的闭环仿真试验模型。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述模型加载模块还包括：
船舶力学模型生成模块，用于建立船舶力学模型，所述船舶力学模型用于依据船舶瞬时航速，姿态信息以及控制舵面解算出作用在船体上的三轴力和力矩；
与所述船舶力学模型生成模块相连的船舶动力学模型生成模块，用于建立船舶动力学模型，所述船舶动力学模型用于依据作用在船体上的三轴力和力矩以及船舶的当前状态解算出下一时刻船舶的状态；
与所述船舶动力学模型生成模块相连的组合导航系统模型生成模块，用于建立组合导航系统模型，所述组合导航系统模型用于依据理想船舶位置、速度和姿态信息解算出经过误差与噪声叠加以及卡尔曼滤波后的船舶位置、速度和姿态信息；
与所述组合导航系统模型生成模块相连的航路点动态设置模型生成模块，用于建立航路点动态设置模型，所述航路点动态设置模型用于通过船舶当前经纬度以及目标经纬度实时生成参考航向，目标航路点将在船舶运动过程中进行动态调整；
与所述航路点动态设置模型生成模块相连的控制器模型生成模块，用于建立控制器模型，所述控制器模型用于输出控制信号；
与所述控制器模型生成模块相连的执行机构模型生成模块，所述执行机构模型生成模块同时与所述船舶动力学模型生成模块相连，用于建立执行机构模型，所述执行机构模型用于对控制器模型输出的控制信号进行处理，并将处理后的控制信号发送给船舶动力学模型。
7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括：
仿真参数设置界面，用于接收用户在仿真参数设置界面输入的仿真参数。
8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括：
实时数据反馈界面，获取所述替换后的闭环仿真试验模型在运行过程中生成的数据，并在实时数据反馈界面输出。
9.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述模型加载模块包括：
链接库模型，所述链接库模型与所有子模型相连，用于通过对链接库模型的修改完成对子模型的修改。
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