CN110308714A - 一种水上平台动力定位系统核心操控策略验证的试验平台 - Google Patents
一种水上平台动力定位系统核心操控策略验证的试验平台 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种水上平台动力定位系统核心操控策略验证的试验平台，该试验平台包括离岸部分及岸基部分；离岸部分包括：试验载体、推进器系统、电力系统、测量系统、数据处理及驱动系统、离岸无线通信模块、遥控接收模块；岸基部分包括：主控系统、监控系统、岸基无线通信模块、遥控器。离岸无线通信模块与岸基无线通信模块配套使用，遥控接收模块与遥控器配套使用。本发明试验载体为无人船舶或其他水上平台，而非纯数值形式的动力学模型，其位置、姿态、环境信息均通过传感器采集得到，可以实时提供真实的航行数据，动力定位操控策略功能、性能验证具有很强的真实性、可信性。本发明控制系统与载体分离，极大地方便了操控策略调试及升级，缩短操控策略验证周期。
Description
技术领域
本发明属于动力定位系统研究领域，具体涉及一种无人船舶或其他水上平台动力定位系统核心操控策略验证的试验平台。
背景技术
随着海洋的开发不断向着深远海扩展，传统的锚泊系统由于其自身的局限性，已经不能满足深远海船舶及海上平台的定位作业要求。传统的锚泊系统利用锚爪抓住海底淤泥，来抵抗外界对于船舶的干扰，其缺点是：定位精度不够，其准确性与水深成反比；机动性差，一旦抛锚，当需重新定位时，收锚重新定位抛锚过程繁琐；其应用受到水深及海底情况限制。动力定位系统克服了以上缺点，满足远海定位作业需求逐渐发展起来。
动力定位系统是指船舶或海上平台依靠自身的动力，如：推进器、侧推、舵等，结合测量系统反馈信息，在控制系统的指挥下抵抗外界干扰，保持自身航向及位置，使船舶悬停在特定位置或沿着设定航迹航行。它具有不受水深限制、定位准确、使用灵活等有点。
动力定位系统操控策略研究中，主要有3种有效性验证方法，包括：数值仿真验证、模型试验验证、实物试验验证。其中，数值仿真验证由于其建模多依赖于经验公式，不能完全体现船舶及海上平台的水动力特性，该方法多用于动力定位系统功能验证；实物试验验证作为最直接的验证方法，受限于试验成本高、周期长、风险大等因素，难以作为动力定位系统研究及验证的主要方法；模型试验验证方法有效解决了这两种试验方法的弊端与矛盾，采用小型化实体模型作为试验载体，可以充分体现试验平台的水动力特性，并且试验可在水池或湖泊进行，大大降低了试验成本、缩短试验周期。因此，设计一种实用、安全、易用的动力定位试验平台，将极大地促进动力定位系统的研究工作。
经现有技术检索，未检索到与本专利相近技术方案。
发明内容
本发明为提高动力定位系统核心操控策略设计的高效性、实用性、可信性，提出一种水上平台动力定位系统核心操控策略验证的试验平台。该试验平台在保障试验安全的前提下，既能真实、快速地对动力定位系统算法进行试验验证，又能便捷、高效地开展操控策略算法的调试及升级。本发明可为动力定位系统功能、性能验证提供真实可信的数据，可大幅地降低研发周期及试验成本。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：
一种水上平台动力定位系统核心操控策略验证的试验平台，其特征在于：该试验平台包括离岸部分及岸基部分；离岸部分包括：试验载体、推进器系统、电力系统、测量系统、数据处理及驱动系统、离岸无线通信模块、遥控接收模块；岸基部分包括：主控系统、监控系统、岸基无线通信模块、遥控器；
所述试验载体为能进行自由航行的动力定位操控策略控制对象，试验载体选用无人船舶或其他水上平台，其用于搭载离岸部分的所有组成部分；
所述推进器系统，用于为试验载体提供动力；
所述电力系统，用于为离岸部分所有组成部分提供电力供应；
所述测量系统包括位置测量传感器、姿态测量传感器、艏向测量传感器、环境测量传感器；位置测量传感器，用于实时提供试验载体的位置信息；姿态测量传感器，用于实时提供试验载体的纵横摇信息；艏向测量传感器，用于实时提供试验载体的艏向信息；环境测量传感器，用于实时提供试验载体相对于风的速度及方向信息；
所述数据处理及驱动系统采，用于对推进器系统、电力系统、测量系统的数据采集，打包转发至岸基主控系统；用于接收岸基主控系统的推进器控制指令，实现对推进器系统的指令下发；用于接收遥控信息，在紧急情况时，根据遥控信号进行推进器系统的指令下发；
所述离岸无线通信模块，与岸基无线通信模块配套使用，用于岸基与离岸的数据通信；
所述遥控接收模块，与遥控器配套使用，用于遥控指令的接收并转发至数据处理及驱动系统；
所述主控系统接收数据处理及驱动系统的数据，用于进行数据解析以及动力定位系统核心操控策略运算，最终将推进器指令发送至数据处理及驱动系统；且用于将动力定位操控策略中运算信息打包，发送至监控系统；
所述监控系统，用于监控软件的运行以及人机交互；用于接收主控系统的数据，进行数据解析以及软件显示；用于将用户设定信息发送至主控系统，完成指令下发；
所述岸基无线通信模块，与离岸无线通信模块配套使用，用于岸基与离岸的数据通信；
所述遥控器，与遥控接收模块配套使用，用于实现遥控指令的下发。
而且的，推进器系统采用全回转推进器、螺旋桨推进器、涵道推进器或舵机系统。
而且的，所述电力系统选用锂电池。
而且的，所述位置测量传感器采用GPS，所述姿态测量传感器采用MRU，所述艏向测量传感器采用电子罗盘；所述环境测量传感器采用风速仪。
而且的，所述数据处理及驱动系统采用PLC、DSP或单片机。
而且的，所述离岸无线通信模块和岸基无线通信模块采用无线电台或WiFi通信设备。
而且的，所述遥控接收模块采用2.4GHz接收机，所述遥控器采用Futaba遥控器。
而且的，所述主控系统采用PC/104嵌入式计算机、PC计算机或PLC控制器。
而且的，所述监控系统采用PC计算机。
本发明具有的优点和积极效果：
1、本发明所选试验载体为实体无人船舶或其他水上平台，而非纯数值形式的动力学模型，其位置、姿态、环境信息均通过传感器采集得到，可以实时提供真实的航行数据，动力定位操控策略功能、性能验证具有很强的真实性、可信性。
2、本发明采用控制系统与载体的分离设计，而通过无线网络实现了岸基与离岸系统的数据交互，既实现了载体在水面的自由航行，又实现了主控系统在岸的布置，极大地方便了操控策略调试及升级，缩短操控策略验证周期。
3、本发明具有自动操控与遥控两种模式，自动控制用于动力定位操控策略验证，遥控用于应急操作，保证了试验平台的安全性。
附图说明
图1是本发明硬件连接图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种水上平台动力定位系统核心操控策略验证的试验平台，请参见1，该平台主要由离岸部分及岸基部分组成，其中离岸部分包括：试验载体、推进器系统、电力系统、测量系统、数据处理及驱动系统、离岸无线通信模块、遥控接收模块；岸基部分包括：主控系统、监控系统、岸基无线通信模块、遥控器。
一、试验平台离岸部分硬件组成
图1展示了动力定位系统试验平台的硬件连接关系，下面详细介绍每部分的特性与功能。
1.试验载体
本发明试验载体可选用无人船舶或其他水上平台，该试验载体搭载离岸部分的所有组成部分，作为动力定位操控策略控制对象，可进行自由航行。
2.推进器系统
本发明推进器系统采用全回转推进器，但不限于该类型推进器，也可采用如螺旋桨推进器、涵道推进器、舵机系统等。推进器系统作为试验载体的动力源，可保障试验载体的水面自由运动。
3.电力系统
本发明电力系统选用锂电池，为离岸部分所有组成部分提供电力供应，电池电量应结合离岸部分所有组成模块的电力消耗及作业时间进行选择。
4.测量系统
本发明测量系统包括：位置测量传感器、姿态测量传感器、艏向测量传感器、环境测量传感器。其中，位置测量传感器采用GPS，可实时提供试验载体的位置信息；姿态测量传感器采用MRU，可实时提供试验载体的纵横摇信息；艏向测量传感器采用电子罗盘，可实时提供试验载体的艏向信息；环境测量传感器采用风速仪，可实时提供试验载体相对于风的速度及方向信息。
5.数据处理及驱动系统
本发明数据处理及驱动系统采用PLC，但不限于该计算平台，也可采用如DSP、单片机等计算平台。数据处理及驱动系统实现对推进器系统、电力系统、测量系统的数据采集，打包转发至岸基主控系统；另一方面，接收岸基主控系统的推进器控制指令，实现对推进器系统的指令下发。此外，数据处理及驱动系统接收遥控信息，可在紧急情况时，根据遥控信号进行推进器系统的指令下发。
6.离岸无线通信模块
本发明无线通信模块采用无线电台，与岸基无线通信模块配套使用，但不限于该通信设备，也可采用如WiFi等通信设备。无线通信模块实现了岸基与离岸的数据通信。
7.遥控接收模块
本发明遥控接收模块采用2.4GHz接收机，与遥控器配套使用，可实现遥控指令的接收并转发至数据处理及驱动系统。
二、试验平台岸基部分硬件组成
1.主控系统
本发明主控系统采用PC/104嵌入式计算机，但不限于该计算平台，也可选用如PC计算机、PLC控制器等计算平台。主控系统接收数据处理及驱动系统的数据，进行数据解析以及动力定位系统核心操控策略运算，最终将推进器指令发送至数据处理及驱动系统。另一方面，主控系统将动力定位操控策略中运算信息打包，发送至监控系统。
2.监控系统
本发明监控系统采用PC计算机，主要用于监控软件的运行以及人机交互。监控系统接收主控系统的数据，进行数据解析以及软件显示；另一方面，可将用户设定信息发送至主控系统，完成指令下发。
3.岸基无线通信模块
本发明岸基无线通信模块采用无线电台，与离岸无线通信模块配套使用，但不限于该通信设备，也可采用如WiFi等通信设备。无线通信模块实现了岸基与离岸的数据通信。
4.遥控器
本发明遥控器采用Futaba遥控器，可实现多通道指令下发，与2.4GHz接收机配套使用，可实现遥控指令的下发。
三、试验平台的软件组成
试验平台软件主要包括：数据采集与处理软件、操控策略软件、人机交互软件3个部分，介绍如下：
1.数据采集与处理软件
该软件运行于离岸数据处理及驱动系统，主要实现推进器系统、电力系统、测量系统的数据解析、数据打包、数据发送至主控系统；接收主控系统数据，进行数据解析、数据发送至推进器；接收遥控器指令，进行手自动数据解析，进行遥控与自动控制信号的分流，进行手动信号解析，将数据发送至推进器。
2.操控策略软件
该软件运行于岸基主控系统，接收数据处理及驱动系统的数据，进行数据解析及动力定位控制算法的运算，最终将推进器指令发送至数据处理及驱动系统。另一方面，该软件将动力定位操控策略中运算信息打包，发送至监控系统。
3.人机交互软件
该软件运行于岸基监控系统，该软件一方面接收主控系统的数据，进行数据解析及可视化显示；另一方面，接收用户设定及操作输入，将指令发送至主控系统。
本试验平台系统原理及工作流程为：
试验开始时，为系统所有设备供电，确认所有设备均正常工作。将岸基无线通信模块与离岸无线通信模块进行匹配，建立无线连接。将遥控器与遥控接收模块进行匹配，建立无线连接。更新主控系统软件及参数，确认动力定位操控策略正常运行。通过监控系统监视各模块状态。通过遥控器，切换控制方式为遥控模式，将试验载体航行至作业水域。通过遥控器，切换控制方式为自动控制模式，此时，开始动力定位系统操控效果验证。试验载体在水中受到环境外力作用，产生位置及艏向偏移；数据处理及驱动系统接收GPS、MRU、罗经将测量的位置、姿态及艏向信息通过无线通信模块将信息发送至主控系统；主控系统进行动力定位操控策略算法运算，将计算得到的推进器指令发送至推进器系统；推进器系统开始动作，对试验载体产生作用力，将试验载体控制到设定点；系统保持固定频率运行，对试验载体持续进行控制。通过监控系统，进行试验载体位置、艏向目标设置以及操控结果的功能、性能评价。
该试验平台可进行动力定位系统操控试验验证，包括：流体力学建模验证、操控策略验证等。此外，可对系统进行拓展，增加试验载体及主控系统个数，开展多目标协同控制策略验证等试验。本发明试验平台各组成部分不限于文中所述选型，可根据应用中实际情况进行不同选择以及拓展，本发明所述试验平台搭建方法具有通用性及拓展性。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (9)
1.一种水上平台动力定位系统核心操控策略验证的试验平台，其特征在于：该试验平台包括离岸部分及岸基部分；离岸部分包括：试验载体、推进器系统、电力系统、测量系统、数据处理及驱动系统、离岸无线通信模块、遥控接收模块；岸基部分包括：主控系统、监控系统、岸基无线通信模块、遥控器；
所述试验载体为能进行自由航行的动力定位操控策略控制对象，试验载体选用无人船舶或其他水上平台，其用于搭载离岸部分的所有组成部分；
所述推进器系统，用于为试验载体提供动力；
所述电力系统，用于为离岸部分所有组成部分提供电力供应；
所述测量系统包括位置测量传感器、姿态测量传感器、艏向测量传感器、环境测量传感器；位置测量传感器，用于实时提供试验载体的位置信息；姿态测量传感器，用于实时提供试验载体的纵横摇信息；艏向测量传感器，用于实时提供试验载体的艏向信息；环境测量传感器，用于实时提供试验载体相对于风的速度及方向信息；
所述数据处理及驱动系统采，用于对推进器系统、电力系统、测量系统的数据采集，打包转发至岸基主控系统；用于接收岸基主控系统的推进器控制指令，实现对推进器系统的指令下发；用于接收遥控信息，在紧急情况时，根据遥控信号进行推进器系统的指令下发；
所述离岸无线通信模块，与岸基无线通信模块配套使用，用于岸基与离岸的数据通信；
所述遥控接收模块，与遥控器配套使用，用于遥控指令的接收并转发至数据处理及驱动系统；
所述主控系统接收数据处理及驱动系统的数据，用于进行数据解析以及动力定位系统核心操控策略运算，最终将推进器指令发送至数据处理及驱动系统；且用于将动力定位操控策略中运算信息打包，发送至监控系统；
所述监控系统，用于监控软件的运行以及人机交互；用于接收主控系统的数据，进行数据解析以及软件显示；用于将用户设定信息发送至主控系统，完成指令下发；
所述岸基无线通信模块，与离岸无线通信模块配套使用，用于岸基与离岸的数据通信；
所述遥控器，与遥控接收模块配套使用，用于实现遥控指令的下发。
2.根据权利要求1所述的水上平台动力定位系统核心操控策略验证的试验平台，其特征在于：推进器系统采用全回转推进器、螺旋桨推进器、涵道推进器或舵机系统。
3.根据权利要求1所述的水上平台动力定位系统核心操控策略验证的试验平台，其特征在于：所述电力系统选用锂电池。
4.根据权利要求1所述的水上平台动力定位系统核心操控策略验证的试验平台，其特征在于：所述位置测量传感器采用GPS，所述姿态测量传感器采用MRU，所述艏向测量传感器采用电子罗盘；所述环境测量传感器采用风速仪。
5.根据权利要求1所述的水上平台动力定位系统核心操控策略验证的试验平台，其特征在于：所述数据处理及驱动系统采用PLC、DSP或单片机。
6.根据权利要求1所述的水上平台动力定位系统核心操控策略验证的试验平台，其特征在于：所述离岸无线通信模块和岸基无线通信模块采用无线电台或WiFi通信设备。
7.根据权利要求1所述的水上平台动力定位系统核心操控策略验证的试验平台，其特征在于：所述遥控接收模块采用2.4GHz接收机，所述遥控器采用Futaba遥控器。
8.根据权利要求1所述的水上平台动力定位系统核心操控策略验证的试验平台，其特征在于：所述主控系统采用PC/104嵌入式计算机、PC计算机或PLC控制器。
9.根据权利要求1所述的水上平台动力定位系统核心操控策略验证的试验平台，其特征在于：所述监控系统采用PC计算机。
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