CN106774362B - 一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法和系统，通过船模绳牵引支撑机构实现绳长控制及船模姿态的精确控制。在该方法中，主回路控制器根据预置的目标姿态角和姿态反馈信号计算船模分别连接的各个牵引绳的绳长调整量，将计算出的每个牵引绳的绳长调整量发送给副回路控制器，副回路控制器根据每个牵引绳的绳长调整量和每个伺服电机的脉冲反馈信号计算出船模分别连接的各个牵引绳的脉冲调整量，将计算出的每个牵引绳的脉冲调整量发送给各个牵引绳对应的驱动器，由驱动器按照脉冲调整量控制对应的伺服电机进行转动，通过伺服电机的转动控制传动机构的运动距离，对牵引绳的绳长变化控制，再通过牵引绳的绳长变化调整船模的当前姿态。

Description

一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法和系统

技术领域

本发明涉及船模自动控制技术领域，具体涉及一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法和系统。

背景技术

船模拖曳水池试验是水动力学实验的一种解决方案，是使用船舶模型(简称：船模)试验获得船舰的运动、航速、推进功率及其他性能的试水池，试验是由电动拖车牵引船模进行。拖曳方式有拖车式、重力式等。拖曳水池主要通过研究阻力和推进对各种船舶或节能设备(例如：电机节能设备、水处理节能设备)进行船型与推进系统的优化设计。水池的尺度和拖曳速度可容纳高速船(例如单体、多体、半滑行艇，滑行艇、表面效应船等)的大型、自推进船模试验。通过造波器产生的规则波和不规则波可检验船舶耐波性和舒适性。

请参阅图1所示，为现有技术提供的拖车式船模试验池示意图。船模通过刚性支撑杆与拖车连接，船模的运动均由拖车驱动，拖车上设置有阻力仪，拖车通过滑动电弓和滑线连接，但由于刚性支撑杆的重量，会对船模产生一个向下的压力，使得船模的姿态无法明显地随着波浪的变化而变化，导致测试数据存在误差。

近年来，绳牵引并联机构以其精度高、承载力大、干扰小、重量轻以及惯性小等优点，在医疗康复、重物装卸、海底打捞、航空风洞试验等方面得到了实际应用，和上述应用领域不同的是，在进行船模阻力试验时，船模除了受到空气阻力，更多的受力来自于水流阻力和浮力，流体对船模的复杂作用效应，增加了绳长和绳拉力的控制难度；此外，船模阻力试验要求航行过程中控制船模姿态不变。综上所述，船模拖曳水池试验过程中使用的绳牵引支撑机构对绳长控制及船模姿态控制精度均提出了更高的要求。

目前绳牵引并联机构在其应用领域内均只针对绳长或姿态轨迹的控制精度单独展开研究。例如文献“万晓正.平面绳牵引并联机构的控制研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010”建立了基于DSPACE(Digital Space，数字空间)的三自由度平面绳牵引机器人的仿真平台，上位机采用DSPACE半物理仿真平台，下位机采用Atmegal128单片机，采用力/位并行闭环控制方法实现了机器人的三自由度运动。文献“李世华.五自由度并联机器人机构控制研究[D].江苏：江苏大学，2007”搭建了由计算机、固高控制卡、无刷直流电动机及驱动器、角位移传感器等组成的五自由度并联机器人试验平台，采用模糊控制算法实现机器人的五自由度运动。

但是上述两种控制方法均用于无外力干扰下的运动控制，也没有考虑到绳牵引并联机构中绳索为柔性情况下的精度控制，上述机器人的自由度运动控制和船模的阻力试验场景具有很大差别，船模除了受到空气阻力，更多的受力来自于水流阻力和浮力，流体对船模的复杂作用效应致使上述绳牵引并联机构应用于船模拖曳水池试验时无法实现绳长控制以及船模姿态角控制的精确度，目前尚未给出绳牵引并联机构应用于船模拖曳水池试验时的船模控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法和系统，用于在绳牵引并联机构应用于船模拖曳水池试验时对船模进行精确控制。

为了达到上述目的，本发明采用这样的如下技术方案：

一方面，本发明提供一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法，船模由电动拖车使用绳牵引并联支撑机构进行牵引运动，所述船模水池试验控制方法包括：

主回路控制器通过所述船模内配置的姿态角传感器获取到所述船模的姿态反馈信号，所述姿态反馈信号包括：采集所述船模当前姿态得到的姿态角；

所述主回路控制器根据预置的目标姿态角和所述姿态反馈信号计算所述船模分别连接的各个牵引绳的绳长调整量，并将计算出的每个牵引绳的绳长调整量发送给副回路控制器；

所述副回路控制器从所述主回路控制器获取到所述船模分别连接的每个牵引绳的绳长调整量，以及通过所述每个牵引绳对应的伺服电机分别获取到脉冲反馈信号；

所述副回路控制器根据所述每个牵引绳的绳长调整量和每个伺服电机的脉冲反馈信号计算出所述船模分别连接的各个牵引绳的脉冲调整量，然后所述副回路控制器将计算出的每个牵引绳的脉冲调整量发送给各个牵引绳对应的驱动器，由所述驱动器按照所述脉冲调整量控制对应的伺服电机进行转动，从而通过伺服电机的转动控制传动机构的运动距离，实现对牵引绳的绳长变化控制，再通过牵引绳的绳长变化调整所述船模的当前姿态。

另一方面，本发明提供一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制系统，船模由电动拖车使用绳牵引并联支撑机构进行牵引运动，所述船模水池试验控制系统包括：主回路控制器和副回路控制器，所述主回路控制器和所述副回路控制器之间建立有通信连接，其中，所述主回路控制器，用于执行前述一方面所述的主回路控制器执行的步骤；所述副回路控制器，用于执行前述一方面所述的副回路控制器执行的步骤。

采用上述技术方案后，本发明提供的技术方案将有如下优点：

本发明实施例中，针对传统刚性支撑机构下船模姿态变化不明显、系统响应速度慢等问题，提出采用绳牵引并联支撑机构，将绳牵引并联机构应用于船模拖曳水池试验，改变了现有技术中使用刚性支撑杆连接船模和电动拖车，船模由电动拖车使用绳牵引并联支撑机构进行牵引运动，采用串级控制方法，由主回路控制器和副回路控制器共同用于对船模由绳牵引并联支撑机构进行牵引运动的控制。具体的，主回路控制器根据预置的目标姿态角和姿态反馈信号计算船模分别连接的各个牵引绳的绳长调整量，并将计算出的每个牵引绳的绳长调整量发送给副回路控制器，副回路控制器根据每个牵引绳的绳长调整量和每个伺服电机的脉冲反馈信号计算出船模分别连接的各个牵引绳的脉冲调整量，然后副回路控制器将计算出的每个牵引绳的脉冲调整量发送给各个牵引绳对应的驱动器，由驱动器按照脉冲调整量控制对应的伺服电机进行转动，从而通过伺服电机的转动控制传动机构的运动距离，实现对牵引绳的绳长变化控制，再通过牵引绳的绳长变化调整船模的当前姿态。本发明实施例中，副回路控制器控制牵引绳的长度，主回路控制器控制船模的姿态，实现了使用绳牵引并联支撑机构应用于船模时的绳长控制及船模姿态的精确控制。

附图说明

图1为现有技术中船模水池试验控制方法使用刚性支撑杆的拖车式船模试验池示意图；

图2为本发明实施例提供的柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法的系统实现流程方框图；

图3为本发明实施例中船模所在坐标系的示意图；

图4为本发明实施例提供的柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制系统的硬件结构示意图；

图5为本发明实施例提供的柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制系统的整体软件流程图；

图6为本发明实施例提供的柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法中的副回路控制器单独控制程序流程图；

图7为本发明实施例提供的生产者与消费者模式的示意图；

图8为本发明实施例提供的柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制系统的组成结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法和系统，用于在绳牵引并联机构应用于船模拖曳水池试验时对船模进行精确控制。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便包含一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它单元。

现有技术中的绳牵引并联机构虽然有在于机器人试验的方法，但是目前的控制方法均用于无外力干扰下的运动控制，也没有考虑到绳牵引并联机构中绳索为柔性情况下的精度控制，上述机器人的自由度运动控制和船模的阻力试验场景具有很大差别，船模除了受到空气阻力，更多的受力来自于水流阻力和浮力，流体对船模的复杂作用效应致使上述绳牵引并联机构应用于船模拖曳水池试验时无法实现绳长控制以及船模姿态角控制的精确度，本发明实施例可以解决绳牵引并联机构应用于船模拖曳水池试验时的船模精确控制问题，

本发明实施例提供的方法可应用于船模拖曳水池阻力试验，绳牵引并联机构作为船模支撑机构可实现支撑机构的控制系统独立于拖车控制系统，支撑机构的控制系统可较好地控制船模的姿态随着波浪的变化而变化，再现波浪的变化情况，提高测试数据的准确性。本发明涉及一种六自由度绳牵引并联机构的运动控制方法，主要是实现船模绳牵引支撑机构的柔性运动控制，用于实现船模的姿态控制，改变传统船模水池试验所采用的刚性支撑的拖曳模式。

本发明实施例中，船模和电动拖车之间使用绳牵引并联支撑机构进行连接，本发明实施例中的绳牵引并联支撑机构可以实现船模的六自由度控制，六自由度绳牵引并联机构表示的是该并联机构由绳索驱动，可实现六自由度运动，船模绳牵引支撑机构表示的是该机构用于支撑船模，该机构由绳索驱动，机构具有串联机构和并联机构之分，本发明实施例中的支撑机构采用并联机构形式。并联机构是指动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。并联机构的组成可以包括：固定基座、具有n自由度的末端执行器、不少于两个独立的运动链(即驱动器)。

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种基于串级控制的船模姿态角控制方法，旨在提高船模姿态角控制精度和系统工作频率。本发明提供的柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法，船模由电动拖车使用绳牵引并联支撑机构进行牵引运动，船模水池试验控制方法可以包括如下步骤：

步骤1、主回路控制器通过船模内配置的姿态角传感器获取到船模的姿态反馈信号，姿态反馈信号包括：采集船模当前姿态得到的姿态角；

步骤2、主回路控制器根据预置的目标姿态角和姿态反馈信号计算船模分别连接的各个牵引绳的绳长调整量，并将计算出的每个牵引绳的绳长调整量发送给副回路控制器；

步骤3、副回路控制器从主回路控制器获取到船模分别连接的每个牵引绳的绳长调整量，以及通过每个牵引绳对应的伺服电机分别获取到脉冲反馈信号；

步骤4、副回路控制器根据每个牵引绳的绳长调整量和每个伺服电机的脉冲反馈信号计算出船模分别连接的各个牵引绳的脉冲调整量，然后副回路控制器将计算出的每个牵引绳的脉冲调整量发送给各个牵引绳对应的驱动器，由驱动器按照脉冲调整量控制对应的伺服电机进行转动，从而通过伺服电机的转动控制传动机构的运动距离，实现对牵引绳的绳长变化控制，再通过牵引绳的绳长变化调整船模的当前姿态。

在本发明实施例中，船模水池试验控制系统采用串级控制方式，共包括有主回路控制器和副回路控制器，副回路控制器控制牵引绳的长度，主回路控制器控制船模的姿态，实现了使用绳牵引并联支撑机构应用于船模时的绳长控制及船模姿态的精确控制。

请参阅图2所示，表示船模水池试验控制方法的系统实现流程方框图，以绳牵引并联支撑机构具有8根牵引绳来牵引船模为例进行说明，每根牵引绳上都配置有驱动器和伺服电机，Angle_r(k)是指给定船模姿态角，Pi(k)是指8根牵引绳绳长改变量，K为增益，Angle_y(k)是指船模姿态角输出。伺服电机和驱动器是实现船模姿态控制的动力部件，运动控制卡发送脉冲给驱动器和伺服电机，电机转动相应的角度，控制直线导轨的运动距离，从而控制绳长的变化。

图2所示，采用串级控制结构，在Clipper运动控制卡内置PID反馈和速度/加速度前馈复合控制器(即副回路控制器)的基础上，建立了基于船模姿态角反馈的闭环控制。副回路控制器对8根牵引绳的长度进行控制，8根牵引绳替换图1中的支撑杆，控制精度由Clipper内置的控制算法决定。主回路控制器控制船模姿态角。主回路控制器根据Angle_r(k)和姿态反馈信号得到e(k)，再通过姿态角传感器(罗经仪)反馈3个旋转角度(即姿态角)，经主回路控制器计算后得到各绳长的调整量(Δu_i(k))送副回路控制器。主回路采用PID和单神经元PID控制算法进行尝试。PID和单神经元PID是两种不同的控制算法，单神经元PID是神经网络和PID算法的结合，具有自适应和自学习功能。

在本发明的一些实施例中，步骤4中副回路控制器将计算出的每个牵引绳的脉冲调整量发送给各个牵引绳对应的驱动器之后，本发明实施例提供的方法还包括如下步骤：

A1、主回路控制器通过姿态角传感器获取到船模由牵引绳牵引后的姿态反馈信号；

A2、主回路控制器根据船模由牵引绳牵引后的姿态反馈信号判断船模调整后的当前姿态是否达到预置的目标姿态；

A3、若船模调整后的当前姿态达到预置的目标姿态，则主回路控制器结束对船模的姿态控制调整；

A4、若船模调整后的当前姿态没有达到预置的目标姿态，主回路控制器根据预置的目标姿态角和船模由牵引绳牵引后的姿态反馈信号再次计算船模分别连接的各个牵引绳的绳长调整量，并将计算出的每个牵引绳的绳长调整量再次发送给副回路控制器。

其中，步骤A1至A4描述了主回路控制器对船模姿态角的实时控制过程，若通过主回路控制器和副回路控制器的控制，船模调整后的当前姿态达到预置的目标姿态，则主回路控制器结束对船模的姿态控制调整，若船模调整后的当前姿态没有达到预置的目标姿态，则重新触发执行步骤1至步骤4直至船模调整后的当前姿态达到预置的目标姿态，则主回路控制器结束对船模的姿态控制调整。其中，副回路控制器在主回路控制器的触发下继续向驱动器发送每个牵引绳的脉冲调整量。

在本发明的一些实施例中，步骤1主回路控制器通过船模内配置的姿态角传感器获取到船模的姿态反馈信号之前，本发明实施例提供的方法还包括如下步骤：

B1、副回路控制器通过船模内配置的姿态角传感器获取到船模的初始姿态信号，初始姿态信号包括：采集船模的初始姿态得到的初始姿态角；

B2、副回路控制器根据船模的初始姿态信号和预置的目标姿态角计算船模在各个时刻的姿态角；

B3、副回路控制器通过运动学模型将船模在各个时刻的姿态角转换为在各个时刻船模分别连接的每个牵引绳的脉冲调整量，然后副回路控制器将转换得到的每个牵引绳的脉冲调整量发送给各个牵引绳对应的驱动器，由驱动器按照脉冲调整量控制对应的伺服电机进行转动，从而通过伺服电机的转动控制传动机构的运动距离，实现对牵引绳的绳长变化控制，再通过牵引绳的绳长变化调整船模的当前姿态；

B4、当副回路控制器单独控制船模的时间结束时，触发执行如下步骤：主回路控制器通过船模内配置的姿态角传感器获取到船模的姿态反馈信号。

在步骤B1至步骤B4的实现场景下，步骤1执行之前，本发明实施例还可以单独采用副回路进行控制。由于姿态角控制程序需要进行姿态角轨迹及运动学计算比较费时，其中，运动学计算是已知船模在某一时刻相对于局部坐标系的位姿计算8根牵引绳的有效长度。PMAC指令发送函数需要2～3ms的反馈时间，姿态角反馈采用无线传输方式亦比较费时，以及AD数据采集等因素，控制系统的采样周期比较大，导致控制程序无法正常运行，故先采用副回路控制器单独进行控制，当运行时间结束时，再采用主副回路对姿态角进行调整。本发明实施例中步骤1至步骤4中是指采用主副回路控制器同时控制时主回路的作用。由于控制系统的采样周期比较大，若一开始就使用主副回路控制器联合控制，控制程序无法正常运行，故可以先采用副回路控制器对船模姿态进行控制，步骤1至步骤4中是两个控制器起作用，步骤B1至步骤B4是副回路控制器起作用，本发明实施例不仅提高了船模姿态控制精度，加快系统的反应速度，还增强了系统的抗干扰能力、自适应能力，对于绳牵引并联机构控制系统具有通用性。

在本发明实施例中，当副回路控制器的运行时间结束时，再采用主副回路对姿态角进行调整。副回路控制器对8根牵引绳的长度进行控制，控制精度由PMAC内置的控制算法决定。主回路控制器控制船模姿态角。判断船模是否到达目标姿态角，到达目标姿态角，则运行结束，未到达目标姿态，则继续反馈船模姿态角至主回路控制器，直至运行到目标姿态角。

进一步的，在本发明的另一些实施例中，步骤B2副回路控制器根据船模的初始姿态信号和预置的目标姿态角计算船模在各个时刻的姿态角，包括：

B21、通过如下公式计算计算船模在各个时刻的姿态角：

其中，船模在各个时刻的姿态角包括：船模在各个时刻的俯仰角、横倾角和旋转角，a(t)表示船模在t时刻的俯仰角，b(t)表示船模在t时刻的横倾角，c(t)表示船模在t时刻的旋转角，

船模的初始姿态角包括：船模的初始俯仰角、初始横倾角和初始旋转角，a₀表示船模的初始俯仰角，b₀表示船模的初始横倾角，c₀表示船模的初始旋转角，

船模的目标姿态角包括：船模的目标俯仰角、目标横倾角和目标旋转角，a_d表示船模的目标俯仰角，b_d表示船模的目标横倾角，c_d表示船模的目标旋转角，

T为副回路控制器单独控制船模的总时间，t为0～T内的任意一时间点，t按照预置的步长从0增加到T。

其中，副回路控制器实现本控制方法中，可以采用分时方法给定船模姿态角，防止8根牵引绳的运动速度过快。船模姿态角运动轨迹函数如上述公式(1)，其中a(t)、b(t)、c(t)为各个时刻船模的姿态角，a₀、b₀、c₀为船模的初始姿态角，a_d、b_d、c_d为给定的目标姿态角；T为总的运行时间，t为0～T内的某一时间点，程序中t是一个自增10的时间序列数，t以步长10从0增加到T，t的单位是ms。

如图3所示为设计的机构及坐标系示意图，将一长方框体固定在被控船模的上层建筑，8根牵引绳与长方体的8个角相连接，上下各4根牵引绳驱动，其中Ai(i＝1,2,…,8)为8根牵引绳与滑轮的接触点，Gi(i＝1,2,…8)为8根牵引绳与长方框体的接触点，虚线V2V4、V2V6、V8V4和V8V6用于放置4个伺服电机和直线导轨，可实现船模沿X轴、Y轴和Z轴三个方向移动及绕X轴、Y轴和Z轴三个方向转动的六自由度运动。被控船模下方4根牵引绳与机架接触点A2、A4、A6、A8形成的平面与船模的水线面相平或高于水线面，保证牵引绳和框架处于水流上方，不会对水流造成干扰。8个电机和8个直线导轨分别放置在支撑杆A1A3、A1A5、A3A7、A5A7、V2V4、V2V6、V4V8和V6V8上，8根支撑杆均可以上下移动，可根据试验现场进行调整，确保8个电机和8个直线导轨不会对水流造成干扰，以及不会被弄湿。采用笛卡尔坐标系同时对支撑机构建立全局坐标系和局部坐标系，以便建立支撑机构中各控制绳索的运动学模型。其中全局坐标系以框架和底板地板接触面的几何中心O为原点，局部坐标系以船模几何中心点G为坐标原点。

进一步的，在本发明的另一些实施例中，步骤B3副回路控制器通过运动学模型将船模在各个时刻的姿态角转换为在各个时刻船模分别连接的每个牵引绳的脉冲调整量，包括：

B31、获取船模分别连接的各个牵引绳的一端与滑轮的连接点A_i在全局坐标系下的坐标(X_Ai,Y_Ai,Z_Ai)，和另一端与船模的连接点G_i在局部坐标系下的坐标(x_Gi,y_Gi,z_Gi)；

B32、根据G_i在局部坐标系下的坐标(x_Gi,y_Gi,z_Gi)计算出G_i在全局坐标系下的坐标O^G _i为：

其中，X_G表示船模的重心G在全局坐标系下的坐标，R为坐标旋转矩阵；

B33、根据G_i在全局坐标系下的坐标O^G _i和船模分别连接的各个牵引绳的一端与滑轮的连接点A_i计算出船模分别连接的每个牵引绳的向量

为：

对向量

进行取模计算得到船模分别连接的每个牵引绳的绳长调整量

再将船模分别连接的每个牵引绳的绳长调整量

转换为船模分别连接的每个牵引绳的脉冲调整量。

具体的，将各个时刻船模姿态角代入运动学模型得到每个时间点8根牵引绳对应的绳长改变量，并换算成脉冲量发送给PMAC运动控制卡。Clipper运动控制卡是PMAC运动控制卡的一种。

运动学模型为：已知8根牵引绳与滑轮的连接点A_i(i＝1,2,…,8)在全局坐标系的坐标(X_Ai,Y_Ai,Z_Ai)，G_i(i＝1,2,…,8)在局部坐标系中的坐标(x_Gi,y_Gi,z_Gi)，通过坐标旋转矩阵可求得G_i在全局坐标系中的坐标为前述的公式(2)，R为机构的坐标旋转矩阵，A_i是8根牵引绳与滑轮的接触点，在全局坐标系中的坐标是已知且固定的。G_i是8根牵引绳与船模的连接点，在局部坐标系中的坐标是已知且固定的。X_G表示船模重心G在全局坐标系中的坐标。O^G _i的物理含义是G_i在全局坐标系中的坐标，通过坐标旋转矩阵计算得到。

在本发明的一些实施例中，R为坐标旋转矩阵，R的实现方式举例说明如下：

另外再结合公式(4)，向量的模为所要求的8根牵引绳长度，8根牵引绳有8个向量，每个向量的模就是8根牵引绳对应的绳长。

进一步的，在前述执行步骤B1至步骤B4的实现场景下，在本发明的另一些实施例中，本发明实施例提供的方法还包括：

C1、副回路控制器通过船模分别连接的每个牵引绳上配置的拉力传感器获取到每个牵引绳的拉力信号，并实时显示和存储每个牵引绳的拉力信号。

其中，每个牵引绳上还可以设置拉力传感器，则可以采集到拉力信号，副回路控制器实时显示和存储每个牵引绳的拉力信号，从而可以通过副回路控制器的显示确定每个牵引绳在各个时刻的拉力信号。

在本发明的一些实施例中，主回路控制器和船模内配置的姿态角传感器之间建立有无线通信连接，步骤1主回路控制器通过船模内配置的姿态角传感器获取到船模的姿态反馈信号，包括：

D1、主回路控制器通过无线通信连接从姿态角传感器接收到船模的姿态反馈信号。

具体的，为了防止有线传输方式对牵引船模的八根牵引绳产生干扰，姿态角传感器(例如陀螺仪)采集的船模姿态信号利用无线传输方式传输到主回路控制器，并进行数据解析和存储。

进一步的，在前述执行步骤1至步骤4的实现场景下，在本发明的另一些实施例中，本发明实施例提供的方法还包括：

E1、主回路控制器通过船模分别连接的每个牵引绳上配置的拉力传感器获取到每个牵引绳的拉力信号，并实时显示和存储每个牵引绳的拉力信号。

其中，每个牵引绳上还可以设置拉力传感器，则可以采集到拉力信号，主回路控制器实时显示和存储每个牵引绳的拉力信号，从而可以通过主回路控制器的显示确定每个牵引绳在各个时刻的拉力信号。

请参阅图4所示，图4表示控制系统的硬件结构图，控制系统的硬件平台可以通过传动模块、电机驱动模块、运动控制模块、姿态测量模块、牵引绳拉力测量模块以及为系统供电的供电模块等六部分组成。上位机通过以太网或串口和运动控制卡进行通信，通信建立成功时，根据运动学模型计算得到8根牵引绳的绳长变化量，向运动控制卡发送由8个绳长变化量换算得到的8路脉冲量或模拟量以控制8个伺服电机的转动量和转速，脉冲量其取值总是不断的在0(低电平)和1(高电平)之间交替变化的数字量，模拟量是指连续变化的物理量。控制8个传动机构(例如直线导轨)运动，同步驱动8根牵引绳长度的变化，实现船模姿态的控制。其中，供电模块主要是为伺服系统和信号放大器(这个模块是和数据采集卡连在一起的，用于放大拉力传感器信号以及滤波)提供安全和稳定的电源。陀螺仪和拉力传感器主要是完成船模姿态和牵引绳拉力的测量，为船模姿态的控制提供反馈量，以及为船模阻力的计算提供数据。为了防止有线传输方式对牵引船模的八根牵引绳产生干扰，陀螺仪采集的船模姿态信号利用无线传输方式传输到上位机，并进行数据解析和存储；8路拉力传感器采集的拉力信号经AD数据采集卡进行A/D转换后通过USB传输到上位机。限位开关用于回零和防止超限，限位是指超过滚珠丝杆的有效行程。

本发明实施例中，采用串级控制结构，在Clipper运动控制卡内置PID反馈和速度/加速度前馈复合控制器的基础上，建立了基于船模姿态角反馈的闭环控制。副回路控制器对8根牵引绳的长度进行控制，控制精度由Clipper内置的控制算法决定。主回路控制器控制船模姿态角。主回路控制器通过姿态角传感器(罗经仪)反馈3个旋转角度(即姿态角)，经主回路控制器计算后得到各绳长的调整量(Δui(k))送副回路控制器。主回路控制器采用PID和单神经元PID控制算法进行尝试。

在图4所示硬件结构中，伺服电机和驱动器是一个整体，每个电机配一个驱动器，PMAC运动控制卡发送脉冲给驱动器，从而驱动电机转动。滚珠丝杆是用来改变绳长的，丝杆的一端与电机连接，电机的转动带动丝杆的转动，控制丝杆上的滑块平行运动，滑块带动绳子运动，限位开关可以设置16个，每个牵引绳上设置2个，限位开关的作用是防止滑块超过丝杆的有效行程。

请参阅图5所示，为控制系统整体软件流程图，系统上电后，初始化Clipper运动控制卡和A/D数据采集卡，包括建立和上位机的通讯，使能伺服电机，设置控制器参数、串口参数和数据采集卡参数。给定目标姿态角和运行时间，进行位置逆解计算和脉冲量换算，发送脉冲给副回路控制器进行控制，并采集姿态角和拉力信号，实时显示和存储；运行时间到时，采用主副回路进行控制。反馈姿态角到主回路控制器，进行位置逆解计算和脉冲量换算，发送脉冲给副回路控制器进行控制，并采集姿态和拉力信号，实时显示和存储。判断被控模型是否到达目标姿态角，到达目标姿态角，则运行结束，未到达目标姿态，则继续反馈被控模型姿态角至主回路控制器，直至运行到目标姿态角。

请参阅图6所示，为副回路单独控制程序流程图，首先给定初始姿态角参数a_d、b_d、c_d、a₀、b₀、c₀和运行总时间T，创建数值队列；根据式(1)计算a(t)，将(X(0),Y(0),Z(0),a(t),b(0),c(0))代入公式(2)到式(4)计算绳长变化量S₁,S₂,…,S₈；将绳长变化量转换为脉冲量，发送对应脉冲量控制被控模型的俯仰角；将时间t写入队列，并令t自加10，当t等于T时，结束控制程序，并解除队列的引用。采集程序从队列中读取时间t，t小于T时，采集并显示俯仰角；当t等于T时，结束采集程序。

在本发明的一些实施例中，请参阅图7所示，为了降低数据采集程序和控制程序之间的耦合，保证控制程序的正常运行，采用生产者与消费者软件设计模式，其原理如图7所示，其中，控制进程为生产者，数据采集进程为消费者，两者之间通过队列缓冲区进行通信，只有控制进程运行后，数据采集进程才采集数据，两者之间是相互独立的。

接下来请参阅图8所示，为本发明实施例提供的一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制系统，船模由电动拖车使用绳牵引并联支撑机构进行牵引运动，所述船模水池试验控制系统包括：主回路控制器和副回路控制器，所述主回路控制器和所述副回路控制器之间建立有通信连接，

其中，所述主回路控制器，用于执行前述实施例中所述的主回路控制器执行的步骤；

所述副回路控制器，用于执行前述实施例中所述的副回路控制器执行的步骤。

进一步的，在本发明的一些实施例中，所述船模内设置有运动控制卡，所述副回路控制器通过所述运动控制器向所述船模分别连接的每个牵引绳对应的驱动器发送控制信号以及采集反馈信号。

本发明实施例中，针对传统刚性支撑机构下船模姿态变化不明显、系统响应速度慢等问题，采用绳牵引并联支撑机构。针对船模绳牵引支撑机构对绳长控制及船模姿态控制精度要求高，采用串级控制方法，副回路控制8根牵引绳的长度，主回路控制船模姿态，不仅提高了船模姿态控制精度，加快系统的反应速度，还增强了系统的抗干扰能力、自适应能力，对于绳牵引并联机构控制系统具有通用性。

另外需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过专用硬件包括专用集成电路、专用CPU、专用存储器、专用元器件等来实现。一般情况下，凡由计算机程序完成的功能都可以很容易地用相应的硬件来实现，而且，用来实现同一功能的具体硬件结构也可以是多种多样的，例如模拟电路、数字电路或专用电路等。但是，对本发明而言更多情况下软件程序实现是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘、U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

综上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法，其特征在于，船模由电动拖车使用绳牵引并联支撑机构进行牵引运动，所述船模水池试验控制方法包括：

副回路控制器通过所述船模内配置的姿态角传感器获取到所述船模的初始姿态信号，所述初始姿态信号包括：采集所述船模的初始姿态得到的初始姿态角；

所述副回路控制器根据所述船模的初始姿态信号和预置的目标姿态角计算所述船模在各个时刻的姿态角；

所述副回路控制器通过运动学模型将所述船模在各个时刻的姿态角转换为在各个时刻所述船模分别连接的每个牵引绳的脉冲调整量，然后所述副回路控制器将转换得到的每个牵引绳的脉冲调整量发送给各个牵引绳对应的驱动器，由所述驱动器按照所述脉冲调整量控制对应的伺服电机进行转动，从而通过伺服电机的转动控制传动机构的运动距离，实现对牵引绳的绳长变化控制，再通过牵引绳的绳长变化调整所述船模的当前姿态；

当所述副回路控制器单独控制所述船模的时间结束时，主回路控制器通过所述船模内配置的姿态角传感器获取到所述船模的姿态反馈信号，所述姿态反馈信号包括：采集所述船模当前姿态得到的姿态角；

所述主回路控制器根据预置的目标姿态角和所述姿态反馈信号计算所述船模分别连接的各个牵引绳的绳长调整量，并将计算出的每个牵引绳的绳长调整量发送给副回路控制器；

所述副回路控制器从所述主回路控制器获取到所述船模分别连接的每个牵引绳的绳长调整量，以及通过所述每个牵引绳对应的伺服电机分别获取到脉冲反馈信号；

所述副回路控制器根据所述每个牵引绳的绳长调整量和每个伺服电机的脉冲反馈信号计算出所述船模分别连接的各个牵引绳的脉冲调整量，然后所述副回路控制器将计算出的每个牵引绳的脉冲调整量发送给各个牵引绳对应的驱动器，由所述驱动器按照所述脉冲调整量控制对应的伺服电机进行转动，从而通过伺服电机的转动控制传动机构的运动距离，实现对牵引绳的绳长变化控制，再通过牵引绳的绳长变化调整所述船模的当前姿态。

2.根据权利要求1所述的一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法，其特征在于，所述副回路控制器将计算出的每个牵引绳的脉冲调整量发送给各个牵引绳对应的驱动器之后，所述方法还包括：

所述主回路控制器通过所述姿态角传感器获取到所述船模由牵引绳牵引后的姿态反馈信号；

所述主回路控制器根据所述船模由牵引绳牵引后的姿态反馈信号判断所述船模调整后的当前姿态是否达到所述预置的目标姿态；

若所述船模调整后的当前姿态达到所述预置的目标姿态，则所述主回路控制器结束对所述船模的姿态控制调整；

若所述船模调整后的当前姿态没有达到所述预置的目标姿态，所述主回路控制器根据预置的目标姿态角和所述船模由牵引绳牵引后的姿态反馈信号再次计算所述船模分别连接的各个牵引绳的绳长调整量，并将计算出的每个牵引绳的绳长调整量再次发送给副回路控制器。

3.根据权利要求2所述的一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法，其特征在于，所述副回路控制器根据所述船模的初始姿态信号和预置的目标姿态角计算所述船模在各个时刻的姿态角，包括：

通过如下公式计算所述船模在各个时刻的姿态角：

其中，所述船模在各个时刻的姿态角包括：所述船模在各个时刻的俯仰角、横倾角和旋转角，所述a(t)表示所述船模在t时刻的俯仰角，所述b(t)表示所述船模在t时刻的横倾角，所述c(t)表示所述船模在t时刻的旋转角，

所述船模的初始姿态角包括：所述船模的初始俯仰角、初始横倾角和初始旋转角，所述a₀表示所述船模的初始俯仰角，所述b₀表示所述船模的初始横倾角，所述c₀表示所述船模的初始旋转角，

所述船模的目标姿态角包括：所述船模的目标俯仰角、目标横倾角和目标旋转角，所述a_d表示所述船模的目标俯仰角，所述b_d表示所述船模的目标横倾角，所述c_d表示所述船模的目标旋转角，

所述T为所述副回路控制器单独控制所述船模的总时间，t为0～T内的任意一时间点，t按照预置的步长从0增加到T。

4.根据权利要求1所述的一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法，其特征在于，所述副回路控制器通过运动学模型将所述船模在各个时刻的姿态角转换为在各个时刻所述船模分别连接的每个牵引绳的脉冲调整量，包括：

获取所述船模分别连接的各个牵引绳的一端与滑轮的连接点A_i在全局坐标系下的坐标(X_Ai,Y_Ai,Z_Ai)，和另一端与所述船模的连接点G_i在局部坐标系下的坐标(x_Gi,y_Gi,z_Gi)；

根据G_i在局部坐标系下的坐标(x_Gi,y_Gi,z_Gi)计算出所述G_i在全局坐标系下的坐标O^G _i为：

其中，表示所述船模的重心G在全局坐标系下的坐标，R为坐标旋转矩阵；

根据所述G_i在全局坐标系下的坐标O^G _i和所述船模分别连接的各个牵引绳的一端与滑轮的连接点A_i计算出所述船模分别连接的每个牵引绳的向量

为：

对所述向量

进行取模计算得到所述船模分别连接的每个牵引绳的绳长调整量

再将所述船模分别连接的每个牵引绳的绳长调整量转换为所述船模分别连接的每个牵引绳的脉冲调整量。

5.根据权利要求1所述的一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述副回路控制器通过所述船模分别连接的每个牵引绳上配置的拉力传感器获取到每个牵引绳的拉力信号，并实时显示和存储所述每个牵引绳的拉力信号。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法，其特征在于，所述主回路控制器和所述船模内配置的姿态角传感器之间建立有无线通信连接，所述主回路控制器通过所述船模内配置的姿态角传感器获取到所述船模的姿态反馈信号，包括：

所述主回路控制器通过所述无线通信连接从所述姿态角传感器接收到所述船模的姿态反馈信号。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述主回路控制器通过所述船模分别连接的每个牵引绳上配置的拉力传感器获取到每个牵引绳的拉力信号，并实时显示和存储所述每个牵引绳的拉力信号。

8.一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制系统，其特征在于，船模由电动拖车使用绳牵引并联支撑机构进行牵引运动，所述船模水池试验控制系统包括：主回路控制器和副回路控制器，所述主回路控制器和所述副回路控制器之间建立有通信连接，

其中，所述主回路控制器，用于执行前述权利要求1至权利要求7中任一项所述的主回路控制器执行的步骤；

所述副回路控制器，用于执行前述权利要求1至权利要求7中任一项所述的副回路控制器执行的步骤。

9.根据权利要求8所述的一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制系统，其特征在于，所述船模内设置有运动控制卡，所述副回路控制器通过所述运动控制器向所述船模分别连接的每个牵引绳对应的驱动器发送控制信号以及采集反馈信号。

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