CN113947968B - 滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶运动控制仿真技术领域，具体涉及一种滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统与方法。该仿真系统的对接平台包括凹槽块平台和凸块平台。通过在凸块平台的第二上平台上增设载物台，且载物台通过滑轨组件与第二上平台相连。滑轨组件在运动控制模块中第二控制单元的驱动下带动载物台向远离凸块平台中心线的方向运动。在第二上平台相对于第二下平台在水平面内运动到极限偏移位置后，凸块能够进一步远离凸块平台的中心线，扩大了偏移距离，实现了3米‑5米位移量的工况下对舰船对接过程的模拟，模拟了两艘舰船在海洋环境下对接过程中的位置姿态及运动过程，进而实现了对实际对接过程的精准预测与评估。

Description

滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统与方法

技术领域

本发明涉及船舶运动控制仿真技术领域，具体涉及一种滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统与方法。

背景技术

两艘舰船在海洋环境下对接通常具有如下过程：当A船与B船相隔较远时，每艘船在各自的动力系统驱动下，均沿着对接轨迹彼此靠近；当靠近到一定距离时，为了保证对接的成功率以及安全性，A船和B船均需要关闭自身的动力系统，并通过缆绳连接船体，例如，在两船相隔3米-5米时，船员关闭动力系统，并抛缆绳连接船体；随后，向缆绳施加反向牵引力，使得连接两船的缆绳绷紧；最后，通过反复牵拉缆绳调节船体位置，完成船体上设置的对接装置的对接，进而实现两船的对接。

海洋环境会对舰船的横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇六个自由度的运动产生干扰，导致动力系统难以控制船体按既定的对接轨迹实施对接，需要反复调整船体的位置姿态，大大降低了对接效率，进而影响两船的对接过程。然而，在真实的海洋环境中实施船体对接试验需要耗费大量的人力物力，由于海洋环境的多变性和突变性，多次的实地试验对有效预测实际对接过程存在局限。例如，通过几次实地试验的对接难以准确预测实际对接需要的时间，并且预测的时间精度也难以满足实际需求。因此，需要借助船舶仿真平台来辅助研究船体对接的过程。

经检索，中国专利文献CN112131653A中公开了一种船舶仿真平台姿态解析方法与机构。该仿真平台利用多自由度平台实现了运动仿真平台横摇角、纵摇角、垂荡值的数据分析、可执行性判断，反解动力元件运动参数，在保证数据来源可靠准确的基础上，结合可行性判断模块，大大增强了仿真平台的运行稳定性以及用户的体验性。该仿真平台主要是应用于模拟培养船员恶劣海况的耐受力，检验设备的稳定工作时间等场合，难以实现对两船对接的过程实施动态模拟仿真，进而难以实现对实际对接过程的精准预测与评估。

又如，中国专利文献CN107092199A中公开了一种船舶运动控制仿真平台及船舶运动控制方法。该仿真平台包括控制模块、驱动模块、姿态测量模块、位置确定模块及电源模块。驱动模块用于控制运动平台的前行和转向。姿态测量模块和位置确定模块分别用于测量运动平台的姿态和位置数据。控制模块配置有航迹跟踪算法和甲板运动模型。控制模块从姿态测量模块和位置确定模块中获取运动平台的姿态和位置信息后进行航迹跟踪计算，然后根据计算结果通过驱动模块将按照期望路线运动，并能同时模拟舰船在海浪中的甲板运动。

虽然，上述仿真平台能够根据运动轨迹、海浪参数等数据精准模拟出甲板在海洋环境中的位置姿态，但是，这仅仅是利用多自由度平台实现了对单艘船舶的运动状态的仿真模拟，并不能以此来实施对两船对接过程的预测。同时，现有技术中的多自由度运动仿真平台中的上平台相对于下平台在水平面内的偏移距离有限，难以模拟舰船对接的过程3米-5米的位移量。

综上所述，在研究海洋环境下两船模拟对接的过程中，如何设计一种仿真系统，用以实现两船对接过程的模拟，进而实现对实际对接过程实施有效精准预测，就成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于，为研究海洋环境下两船模拟对接的过程中，提供一种仿真系统，用以实现两船对接过程的模拟，进而实现对实际对接过程实施有效精准预测。

根据本发明的一方面，一种滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统，包括对接平台、海洋环境模拟模块、解析模块和运动控制模块；

所述对接平台包括凹槽块平台和凸块平台，所述凹槽块平台包括第一下平台和第一上平台，所述第一下平台固定安装在试验场地中，所述第一下平台通过动力装置与第一上平台相连，所述第一上平台上设置有凹槽块；

所述凸块平台包括第二下平台和第二上平台，所述第二下平台固定安装在第一下平台的周边，所述第二下平台通过动力装置与第二上平台相连，所述第二上平台上设置有载物台，所述载物台通过滑轨组件与第二上平台相连，所述载物台上设置有与凹槽块相匹配的凸块；

所述海洋环境模拟模块用于接收海况信息和舰船参数，所述海洋环境模拟模块包括分析单元和存储单元，所述分析单元根据接收的海况信息和舰船参数计算得到第一上平台和第二上平台运动轨迹，并将运动轨迹存储在存储单元中；

所述解析模块获取存储单元中的运动轨迹，将运动轨迹分解成每一个动力装置的独立运动和滑轨组件的直线运动，并将独立运动转换为第一输入信号，所述直线运动转换为第二输入信号，所述第一输入信号和第二输入信号均被传送至运动控制模块；

所述运动控制模块包括第一控制单元和第二控制单元，所述第一控制单元根据第一输入信号分别驱动每一个动力装置运动，合成第一上平台和第二上平台的模拟运动轨迹，所述第二控制单元根据第二输入信号驱动滑轨组件带动载物台上的凸块嵌入凹槽块中。

作为优选，第一上平台上设置有载物台，载物台通过滑轨组件与第一上平台相连，凹槽块固定安装在第一上平台的载物台上。如此设置，凹槽块平台和凸块平台均具有可延伸滑动的载物台，进一步扩大了凹槽块和凸块相对于各自平台的中心在水平面内偏移的位置极限，进而增大了模拟两船对接时开始间距的初始值，有利于最大限度的对两船对接过程实施仿真。

作为优选，滑轨组件包括伸缩装置、滑座和对滑座形成导向的导轨，滑座与伸缩装置的动力端相连，滑座的顶部与载物台相连，第二控制单元与伸缩装置的控制端相连。如此设置，利用伸缩装置驱动滑座带动载物台沿着导轨向着凹槽块滑动，便于运动控制模块中的第二控制单元控制凸块的运动，进一步提高了凸块运动的位置精度以及模拟对接的成功率，有利于模拟两船对接装置对接的过程，大大提升了模拟结果对实际对接过程预测的有效性。

作为优选，动力装置的首端设置有第一万向接头联轴器，动力装置的尾端设置有第二万向联轴器，第一万向联轴器通过转轴与第一上平台相连，第二万向联轴器通过法兰与第一下平台相连。如此设置，通过第一控制单元根据第一输入信号控制动力装置伸缩运动，有利于实现对接平台中的上平台在空间坐标系中的多自由度运动，进而便于上平台模拟舰船在海洋环境下的横荡、纵荡、艏摇、横摇、纵摇以及垂荡运动下的位置姿态的变化，进一步提高了模拟运动的仿真度。

作为优选，凹槽块平台和凸块平台均为Stewart平台。如此设置，凹槽块平台和凸块平台的上平台与下平台之间的动力装置均构成并联机构，便于控制，使得上平台在模拟运动过程中的位置精度高，同时有利于提升对接平台的刚性和承载能力。

作为优选，动力装置为单轴机器人。如此设置，便于对接平台的搭建，有利于降低整个模拟系统的制造成本。

作为优选，凹槽块上凹槽的底部设置有供凸块的端部触发的接触开关。如此设置，当凸块嵌入凹槽块中完成对接时，接触开关被触发产生一个电信号，该电信号的产生标志着整个对接过程顺利完成，试验人员根据该电信号有利于统计整个模拟对接过程完成所需的时间，进而有利于对实际完成对接所需的时间进行精准预测。

根据本发明的另一方面，提供一种使用上述滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统的仿真方法，包括：

分别将对接平台中的凹槽块平台和凸块平台初始化，使得第一上平台和第二上平台均处于初始位置；

海洋环境模拟模块接收海况信息和舰船参数，海洋环境模拟模块中的分析单元根据接收的海况信息和舰船参数计算得到第一上平台和第二上平台运动轨迹，并将运动轨迹存储在存储单元中；

解析模块获取存储单元中的运动轨迹，将运动轨迹分解成每一个动力装置的独立运动和滑轨组件的直线运动，并将独立运动转换为第一输入信号，将直线运动转换为第二输入信号，第一输入信号和第二输入信号均被传送至运动控制模块；

运动控制模块中的第一控制单元根据第一输入信号分别驱动每一个动力装置运动，合成第一上平台和第二上平台的模拟运动轨迹，第二控制单元根据第二输入信号驱动滑轨组件带动载物台上的凸块嵌入凹槽块中，完成两船对接过程的模拟。

本发明提供的一种滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统与方法与现有技术相比，具有如下突出的实质性特点和显著进步：

1、该滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统通过在凸块平台的第二上平台上增设载物台，且载物台通过滑轨组件与第二上平台相连，滑轨组件在运动控制模块中第二控制单元的驱动下带动载物台向远离凸块平台中心线的方向运动，在第二上平台相对于第二下平台在水平面内运动到极限偏移位置后，凸块能够进一步远离凸块平台的中心线，扩大了偏移距离，实现了3米-5米位移量的工况下对舰船对接过程的模拟；

2、该滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统中海洋环境模拟模块的分析单元根据海况信息和舰船参数计算第一上平台和第二上平台的运动轨迹，经解析模块分解运动转换成运动控制模块的输入信号，动力装置和滑动组件通过伸缩运动，模拟了两艘舰船在海洋环境下对接过程中的位置姿态及运动过程，进而实现了对实际对接过程的精准预测与评估。

附图说明

图1是本发明实施例中一种滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统的立体结构示意图；

图2是一种滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统在对接过程中的俯视图；

图3是图2的主视图；

图4是图3中A处的局部放大视图；

图5是图3中B处的局部放大视图；

图6是图3中C处的局部放大视图。

附图标记：第一下平台1、第一上平台2、载物台3、滑轨组件4、动力装置5、凹槽块6、凸块7、第二下平台8、第二上平台9、导轨10、滑座11、万向接头联轴器12、转轴13、法兰14。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

如图1-3所示的一种滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统，用于模拟海洋环境下两舰船的甲板对接过程。该滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统通过在凸块平台的第二上平台上增设载物台，且载物台通过滑轨组件与第二上平台相连。滑轨组件在运动控制模块中第二控制单元的驱动下带动载物台向远离凸块平台中心线的方向运动，在第二上平台相对于第二下平台在水平面内运动到极限偏移位置后，凸块能够进一步远离凸块平台的中心线，扩大了偏移距离，实现了3米-5米位移量的工况下对舰船对接过程的模拟。

如图1所示，一种滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统包括对接平台、海洋环境模拟模块、解析模块和运动控制模块。对接平台包括凹槽块平台和凸块平台。凹槽块平台包括第一下平台1和第一上平台2。第一下平台1固定安装在试验场地中。第一下平台1通过动力装置5与第一上平台2相连。第一上平台2上设置有凹槽块6。

凸块平台包括第二下平台8和第二上平台9。第二下平台8固定安装在第一下平台1的周边。第二下平台8通过动力装置5与第二上平台9相连。第二上平台9上设置有载物台3。载物台3通过滑轨组件4与第二上平台9相连。载物台3上设置有与凹槽块6相匹配的凸块7。

其中，凹槽块6相当于A船上的对接装置，凸块7相当于B船上的对接装置。凹槽块平台和凸块平台的中心距离可根据模拟实际对接距离的大小，来调整第一下平台1和第二下平台2在试验场地中的安装位置。由于第二上平台9上设置有可滑动的载物台3，因此，凸块7可以相对于凸块平台的中心线偏离更大的距离值，进而对接平台中的第一下平台1和第二下平台2可以相隔更远的距离，进一步避免了凹槽块平台和凸块平台在模拟对接过程中发生干涉的问题，从而大大提升了对接模拟仿真系统运行的稳定性。

为了模拟两船间更大距离值的对接过程，例如两船间距在3米-5米。如图2所示，第一上平台2上也设置有载物台3。载物台3通过滑轨组件4与第一上平台2相连。凹槽块6固定安装在第一上平台2的载物台3上。如此设置，凹槽块平台和凸块平台均具有可延伸滑动的载物台3，进一步扩大了凹槽块6和凸块7相对于各自平台的中心在水平面内偏移的位置极限，进而增大了模拟两船对接时开始间距的初始值，有利于最大限度的对两船对接过程实施仿真。

海洋环境模拟模块用于接收海况信息和舰船参数。海洋环境模拟模块包括分析单元和存储单元。分析单元根据接收的海况信息和舰船参数计算得到第一上平台2和第二上平台9运动轨迹，并将运动轨迹存储在存储单元中。

真实海面上的海浪是不规则的随机波，它可以看作是由多个相互独立的具有不同幅值、频率和初相位的规则波叠加而来。分析单元可根据波浪叠加原理来建立仿真海浪模型。例如，分析单元可以利用谐波叠加来获得相应海况下的海浪模型。分析单元根据舰船的各项参数建立舰船模型，再结合海浪模型，可以获得舰船在海洋环境下的运动模型。根据实际牵引力的大小，带入运动模型可以计算出舰船在海洋环境下的运动轨迹，即第一上平台2和第二上平台9运动轨迹。

例如，A船和B船具有不同的质量以及不同的结构，在相同的海洋环境下会呈现不同的运动状态。在不同的海况信息参数下，利用舰船的运动模型可以模拟出舰船自身的晃动幅度，频率以及相对晃动幅度，用以模拟出实际舰船的对接过程。

解析模块获取存储单元中的运动轨迹，将运动轨迹分解成每一个动力装置5的独立运动和滑轨组件4的直线运动，并将独立运动转换为第一输入信号，直线运动转换为第二输入信号，第一输入信号和第二输入信号均被传送至运动控制模块。

解析模块是根据第一上平台和第二上平台在空间中确定的位置和姿态，来进行运动学位置反解，获得动力装置的伸缩量、速度以及加速度等参数。同样，解析模块通过运动分解来得到滑轨组件的伸缩量、速度以及加速度等参数。例如，第一输入信号为各个运动装置5的伸缩量，第二输入信号为滑轨组件的伸缩量。

运动控制模块包括第一控制单元和第二控制单元。第一控制单元根据第一输入信号分别驱动每一个动力装置5运动，合成第一上平台2和第二上平台9的模拟运动轨迹。第二控制单元根据第二输入信号驱动滑轨组件4带动载物台3上的凸块7嵌入凹槽块6中。

其中，海洋环境模拟模块、解析模块可集成在上位机上。运动控制模块可选用PLC或者单片机。

如图3结合图5所示，滑轨组件4包括伸缩装置、滑座11和对滑座11形成导向的导轨10。滑座11与伸缩装置的动力端相连。滑座11的顶部与载物台3相连。第二控制单元与伸缩装置的控制端相连。如此设置，利用伸缩装置驱动滑座11带动载物台3沿着导轨10向着凹槽块6滑动，便于运动控制模块中的第二控制单元控制凸块7的运动，进一步提高了凸块7运动的位置精度以及模拟对接的成功率，有利于模拟两船对接装置对接的过程，大大提升了模拟结果对实际对接过程预测的有效性。

如图3结合图4所示，动力装置5的首端设置有第一万向接头联轴器12。动力装置5的尾端设置有第二万向联轴器。第一万向联轴器通过转轴13与第一上平台2相连。如图3结合图6所示，第二万向联轴器通过法兰14与第一下平台1相连。如此设置，通过第一控制单元根据第一输入信号控制动力装置5伸缩运动，有利于实现对接平台中的上平台在空间坐标系中的多自由度运动，进而便于上平台模拟舰船在海洋环境下的横荡、纵荡、艏摇、横摇、纵摇以及垂荡运动下的位置姿态的变化，进一步提高了模拟运动的仿真度。

其中，凹槽块平台和凸块平台均可选为Stewart平台。如此设置，凹槽块平台和凸块平台的上平台与下平台之间的动力装置5均构成并联机构，便于控制，使得上平台在模拟运动过程中的位置精度高，同时有利于提升对接平台的刚性和承载能力。

动力装置5为单轴机器人。如此设置，便于对接平台的搭建，有利于降低整个模拟系统的制造成本。动力装置5也可以选用液压缸或者伺服电机。

为了进一步精准预估两舰船在靠近后，实际对接过程中所消耗的时间，凹槽块6上凹槽的底部设置有供凸块7的端部触发的接触开关。如此设置，当凸块7嵌入凹槽块6中完成对接时，接触开关被触发产生一个电信号，该电信号的产生标志着整个对接过程顺利完成，试验人员根据该电信号有利于统计整个模拟对接过程完成所需的时间，进而有利于对实际完成对接所需的时间进行精准预测。

本发明实施例中还提出一种使用上述滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统的仿真方法，包括：

分别将对接平台中的凹槽块平台和凸块平台初始化，使得第一上平台2和第二上平台9均处于初始位置；

海洋环境模拟模块接收海况信息和舰船参数，海洋环境模拟模块中的分析单元根据接收的海况信息和舰船参数计算得到第一上平台2和第二上平台9运动轨迹，并将运动轨迹存储在存储单元中；

解析模块获取存储单元中的运动轨迹，将运动轨迹分解成每一个动力装置5的独立运动和滑轨组件4的直线运动，并将独立运动转换为第一输入信号，将直线运动转换为第二输入信号，第一输入信号和第二输入信号均被传送至运动控制模块；

运动控制模块中的第一控制单元根据第一输入信号分别驱动每一个动力装置5运动，合成第一上平台2和第二上平台9的模拟运动轨迹，第二控制单元根据第二输入信号驱动滑轨组件4带动载物台3上的凸块7嵌入凹槽块6中，完成两船对接过程的模拟。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统，其特征在于，包括对接平台、海洋环境模拟模块、解析模块和运动控制模块；

所述对接平台包括凹槽块平台和凸块平台，所述凹槽块平台包括第一下平台和第一上平台，所述第一下平台固定安装在试验场地中，所述第一下平台通过动力装置与第一上平台相连，所述第一上平台上设置有凹槽块；

所述凸块平台包括第二下平台和第二上平台，所述第二下平台固定安装在第一下平台的周边，所述第二下平台通过动力装置与第二上平台相连，所述第二上平台上设置有载物台，所述载物台通过滑轨组件与第二上平台相连，所述载物台上设置有与凹槽块相匹配的凸块；

所述海洋环境模拟模块用于接收海况信息和舰船参数，所述海洋环境模拟模块包括分析单元和存储单元，所述分析单元根据接收的海况信息和舰船参数计算得到第一上平台和第二上平台运动轨迹，并将运动轨迹存储在存储单元中；

所述解析模块获取存储单元中的运动轨迹，将运动轨迹分解成每一个动力装置的独立运动和滑轨组件的直线运动，并将独立运动转换为第一输入信号，所述直线运动转换为第二输入信号，所述第一输入信号和第二输入信号均被传送至运动控制模块；

所述运动控制模块包括第一控制单元和第二控制单元，所述第一控制单元根据第一输入信号分别驱动每一个动力装置运动，合成第一上平台和第二上平台的模拟运动轨迹，所述第二控制单元根据第二输入信号驱动滑轨组件带动载物台上的凸块嵌入凹槽块中。

2.根据权利要求1所述的滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统，其特征在于，所述第一上平台上设置有载物台，所述载物台通过滑轨组件与第一上平台相连，所述凹槽块固定安装在第一上平台的载物台上。

3.根据权利要求1所述的滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统，其特征在于，所述滑轨组件包括伸缩装置、滑座和对滑座形成导向的导轨，所述滑座与伸缩装置的动力端相连，所述滑座的顶部与载物台相连，所述第二控制单元与伸缩装置的控制端相连。

4.根据权利要求1所述的滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统，其特征在于，所述动力装置的首端设置有第一万向接头联轴器，所述动力装置的尾端设置有第二万向联轴器，所述第一万向联轴器通过转轴与第一上平台相连，所述第二万向联轴器通过法兰与第一下平台相连。

5.根据权利要求1所述的滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统，其特征在于，所述凹槽块平台和凸块平台均为Stewart平台。

6.根据权利要求1所述的滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统，其特征在于，所述动力装置为单轴机器人。

7.根据权利要求1所述的滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统，其特征在于，所述凹槽块上凹槽的底部设置有供凸块的端部触发的接触开关。

8.一种根据权利要求1-7中任意一项所述的滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统的滑轨式双运动平台对接模拟仿真系统的仿真方法，其特征在于，包括：

分别将对接平台中的凹槽块平台和凸块平台初始化，使得第一上平台和第二上平台均处于初始位置；

海洋环境模拟模块接收海况信息和舰船参数，海洋环境模拟模块中的分析单元根据接收的海况信息和舰船参数计算得到第一上平台和第二上平台运动轨迹，并将运动轨迹存储在存储单元中；

解析模块获取存储单元中的运动轨迹，将运动轨迹分解成每一个动力装置的独立运动和滑轨组件的直线运动，并将独立运动转换为第一输入信号，将直线运动转换为第二输入信号，第一输入信号和第二输入信号均被传送至运动控制模块；

运动控制模块中的第一控制单元根据第一输入信号分别驱动每一个动力装置运动，合成第一上平台和第二上平台的模拟运动轨迹，第二控制单元根据第二输入信号驱动滑轨组件带动载物台上的凸块嵌入凹槽块中，完成两船对接过程的模拟。

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