CN116107294A - 一种用于船舶操纵控制系统的虚拟集成验证系统 - Google Patents

一种用于船舶操纵控制系统的虚拟集成验证系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种用于船舶操纵控制系统的虚拟集成验证系统，包括：人机交互设备、信号调理设备、实时仿真设备、仿真开发设备和显控显示设备，其中，所述信号调理设备分别与所述人机交互设备和所述实时仿真设备连接，所述实时仿真设备分别与所述显控显示设备连接。本申请提供的一种用于船舶操纵控制系统的虚拟集成验证系统可将船舶操纵控制系统实时仿真模型与控制算法及人机交互场景相结合，验证系统控制逻辑及状态响应的正确性，有助于系统设计早期不具备开展实物联调试验条件时，通过虚拟集成验证提前发现设计问题，释放研制风险。

Description

一种用于船舶操纵控制系统的虚拟集成验证系统
技术领域
本申请涉及船舶操纵控制系统领域，尤其涉及一种用于船舶操纵控制系统的虚拟集成验证系统。
背景技术
船舶操纵控制系统的设计与联调验证工作是很复杂的系统工程。如果想在系统所有的物理部件都得到以后再进行综合联调，结果将会不可避免地延长设计周期、延迟交货、成本超支以及对系统的修改将被滞后，最终对系统的交付带来很大的影响，因此需要改进。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种用于船舶操纵控制系统的虚拟集成验证系统。
第一方面，本申请提供了一种用于船舶操纵控制系统的虚拟集成验证系统，包括：人机交互设备、信号调理设备、实时仿真设备、仿真开发设备和显控显示设备，其中，所述信号调理设备分别与所述人机交互设备和所述实时仿真设备连接，所述实时仿真设备分别与所述显控显示设备连接。
优选地，所述人机交互设备包括：交互模组和船舶操纵控制台，其中，所述船舶操纵控制台分别与所述交互模组和所述信号调理设备连接。
优选地，所述交互模组为操纵杆、键盘和按钮。
优选地，所述信号调理设备包括：信号调理箱，所述信号调理箱分别与所述人机交互设备中的船舶操纵控制台和所述实时仿真设备连接。
优选地，所述信号调理设备还包括：直流电源，所述直流电源与所述信号调理箱连接。
优选地，所述实时仿真设备包括：液压系统实时仿真机、机械系统实时仿真机和管路系统实时仿真机，其中，所述液压系统实时仿真机、所述机械系统实时仿真机和所述管路系统实时仿真机分别与所述信号调理设备中的信号调理箱、所述仿真开发设备和所述显控显示设备连接。
优选地，所述实时仿真设备还包括：六自由度运动实时仿真机，所述六自由度运动实时仿真机分别与所述仿真开发设备和所述显控显示设备连接。
优选地，所述仿真开发设备包括：主控计算机，所述主控计算机与所述实时仿真设备连接。
优选地，所述显控显示设备包括：图形化显控计算机，所述图形化显控计算机与所述实时仿真设备连接。
优选地，还包括：通信管线，所述通信管线分别与所述实时仿真设备、所述仿真开发设备和所述显控显示设备连接。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本申请提供的一种用于船舶操纵控制系统的虚拟集成验证系统可将船舶操纵控制系统实时仿真模型与控制算法及人机交互场景相结合，验证系统控制逻辑及状态响应的正确性，有助于系统设计早期不具备开展实物联调试验条件时，通过虚拟集成验证提前发现设计问题，释放研制风险。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种用于船舶操纵控制系统的虚拟集成验证系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种用于船舶操纵控制系统的虚拟集成验证系统的仿真数据传递流程示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为本申请实施例提供的一种用于船舶操纵控制系统的虚拟集成验证系统的结构示意图。
本申请提供了一种用于船舶操纵控制系统的虚拟集成验证系统，包括：人机交互设备、信号调理设备、实时仿真设备、仿真开发设备和显控显示设备，其中，所述信号调理设备分别与所述人机交互设备和所述实时仿真设备连接，所述实时仿真设备分别与所述显控显示设备连接。
在本申请实施例中，所述人机交互设备包括：交互模组和船舶操纵控制台，其中，所述船舶操纵控制台分别与所述交互模组和所述信号调理设备连接。
具体地，人机交互设备包括用于供操作人员操控的交互模组和船舶操纵控制台，船舶操纵控制台也可以由已完成算法编译的控制器样机代替。船舶操纵控制台主要由液压系统控制器、机械系统控制器、管路系统控制器、总体操纵控制器以及各分系统对应的操作面板、仪表盘及显示界面组成，各零件之间通过CAN、以太网或串口方式连接。
在本申请实施例中，所述交互模组为操纵杆、键盘和按钮。
在本申请实施例中，所述信号调理设备包括：信号调理箱，所述信号调理箱分别与所述人机交互设备中的船舶操纵控制台和所述实时仿真设备连接。
具体地，信号调理设备由信号调理板卡、信号调理箱等组成，用于对控制器输出的控制信号进行调理、解算，并将信号传递至各分系统实时仿真机。
在本申请实施例中，所述信号调理设备还包括：直流电源，所述直流电源与所述信号调理箱连接。
在本申请实施例中，所述实时仿真设备包括：液压系统实时仿真机、机械系统实时仿真机和管路系统实时仿真机，其中，所述液压系统实时仿真机、所述机械系统实时仿真机和所述管路系统实时仿真机分别与所述信号调理设备中的信号调理箱、所述仿真开发设备和所述显控显示设备连接。
具体地，实时仿真设备由各系统实时仿真机组成，具有多核处理器优化设计的实时仿真引擎，通过仿真机自带的以太网、CAN、串口等通信接口、信号调理箱上配置的I/O通道、物理通信及信号线缆与真实的船舶操纵控制系统各分系统控制器进行通信及电气连接，接收操纵控制指令，实时运行仿真开发与管理计算机编译并下载的船舶操纵系统各分系统对象模型，并将仿真结果实时反馈至船舶操纵系统控制器。
在本申请实施例中，所述实时仿真设备还包括：六自由度运动实时仿真机，所述六自由度运动实时仿真机分别与所述仿真开发设备和所述显控显示设备连接。
在本申请实施例中，所述仿真开发设备包括：主控计算机，所述主控计算机与所述实时仿真设备连接。
具体地，仿真开发设备中基于仿真开发与管理计算机实现对船舶操纵控制系统各分系统仿真模型的编译、下载与运行管理，包含I/O通道配置、在线调参、在线监控运行进程、配置报警及激励信号功能。
在本申请实施例中，所述显控显示设备包括：图形化显控计算机，所述图形化显控计算机与所述实时仿真设备连接。
具体地，显控展示设备主要基于图形化监控计算机定制开发图形化显示界面及三维展示场景，包含操纵界面模拟、数据存储、数据查询、记录回放、数据曲线显示、姿态3D动画演示等功能。
在本申请实施例中，本申请提供的一种用于船舶操纵控制系统的虚拟集成验证系统还包括：通信管线，所述通信管线分别与所述实时仿真设备、所述仿真开发设备和所述显控显示设备连接。
如图2，在本申请实施例中，船舶操纵控制系统进行虚拟集成验证时，所有的控制器以及控制接口与真实工况完全一致，由此可以实现船舶操纵控制系统工作环境的完全模拟，船舶操纵控制系统的虚拟集成验证系统的虚拟集成验证方法实施步骤如下：
（1）试验人员在仿真开发及管理计算机上通过Matlab/Simulink工具软件建立所需的各分系统控制仿真模型，通过Amesim工具软件建立所需的液压系统仿真模型，通过SimulationX工具软件建立所需机械系统仿真模型，通过Flowmaster工具软件建立所需管路系统仿真模型，通过C/C++工具软件建立所需六自由度运动仿真模型。
（2）利用各工具软件接口，将各分系统仿真模型生成实时仿真平台下可实时运行的DLL文件。
（3）通过仿真开发及管理计算机，通过网络总线将实时仿真程序下发至各实时仿真机，使用实时仿真机中的软件工具导入该DLL文件并建立仿真工程、编辑系统配置文件、编辑工程文件、编辑工作空间、部署模型至仿真机。
（4）试验人员在图形化显控计算机上通过图形化编程软件对显控界面进行设计及开发，从而监控多仿真机同步仿真运行实时数据曲线及动画，报警状态和系统运行进程等。
（5）启动实时仿真机后，试验人员通过船舶操纵控制台操作面板下达各系统控制指令，总体操纵控制器采集相关控制指令并进行逻辑处理及运算后，将运算结果通过以太网通信发送至液压系统控制器、机械系统控制器、管路系统控制器。
（6）液压系统控制器、机械系统控制器、管路系统控制器接收相关机构控制指令后，进行逻辑处理及运算，并将运算结果通过真实控制接口传输至对应的分系统实时仿真机。
（7）液压系统实时仿真机、机械系统实时仿真机、管路系统实时仿真机通过I/O信号调理后，将控制信号赋值给正在运行的分系统仿真模型，各分系统模型经过实时运算后，将相关的舵角、舵速、各水舱水量、进排水流量及压力等信号通过I/O通道模拟出相关机构传感器信号后，传输至液压系统控制器、机械系统控制器、管路系统控制器构成分系统机构装置闭环控制回路。
（8）液压系统实时仿真机、机械系统实时仿真机、管路系统实时仿真机各分系统模型经过实时运算后将相关的舵角、舵速、各水舱水量、进排水流量及压力等信号通过以太网发送至六自由度运动实时仿真机，船舶操纵控制系统仿真数据传递流程原理如图2所示。
（9）六自由度运动实时仿真机依据接收到的船舶操纵控制系统状态信息，结合当前水环境参数模型（温度、压力、粘度、密度、波浪力等），实时运行解算出当前船舶本体航速、航向、姿态及深度等信息，并通过I/O通道模拟出相关全船状态传感器信号后，反馈至船舶操纵控制台总体操纵控制器，以构成船舶操纵闭环控制回路，同时供试验人员进行系统状态监控。
（10）同时，六自由度运动仿真机、液压系统实时仿真机、机械系统实时仿真机、管路系统实时仿真机通过以太网通信将各分系统机构、船舶实时运行状态信号发送至图形化显控计算机，并进行数据曲线绘制及三维场景展示。
本申请提供的一种用于船舶操纵控制系统的虚拟集成验证系统可将船舶操纵控制系统实时仿真模型与控制算法及人机交互场景相结合，验证系统控制逻辑及状态响应的正确性，有助于系统设计早期不具备开展实物联调试验条件时，通过虚拟集成验证提前发现设计问题，释放研制风险。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于船舶操纵控制系统的虚拟集成验证系统，其特征在于，包括：人机交互设备、信号调理设备、实时仿真设备、仿真开发设备和显控显示设备，其中，所述信号调理设备分别与所述人机交互设备和所述实时仿真设备连接，所述实时仿真设备分别与所述显控显示设备连接。
2.根据权利要求1所述的虚拟集成验证系统，其特征在于，所述人机交互设备包括：交互模组和船舶操纵控制台，其中，所述船舶操纵控制台分别与所述交互模组和所述信号调理设备连接。
3.根据权利要求2所述的虚拟集成验证系统，其特征在于，所述交互模组为操纵杆、键盘和按钮。
4.根据权利要求1所述的虚拟集成验证系统，其特征在于，所述信号调理设备包括：信号调理箱，所述信号调理箱分别与所述人机交互设备中的船舶操纵控制台和所述实时仿真设备连接。
5.根据权利要求4所述的虚拟集成验证系统，其特征在于，所述信号调理设备还包括：直流电源，所述直流电源与所述信号调理箱连接。
6.根据权利要求1所述的虚拟集成验证系统，其特征在于，所述实时仿真设备包括：液压系统实时仿真机、机械系统实时仿真机和管路系统实时仿真机，其中，所述液压系统实时仿真机、所述机械系统实时仿真机和所述管路系统实时仿真机分别与所述信号调理设备中的信号调理箱、所述仿真开发设备和所述显控显示设备连接。
7.根据权利要求6所述的虚拟集成验证系统，其特征在于，所述实时仿真设备还包括：六自由度运动实时仿真机，所述六自由度运动实时仿真机分别与所述仿真开发设备和所述显控显示设备连接。
8.根据权利要求1所述的虚拟集成验证系统，其特征在于，所述仿真开发设备包括：主控计算机，所述主控计算机与所述实时仿真设备连接。
9.根据权利要求1所述的虚拟集成验证系统，其特征在于，所述显控显示设备包括：图形化显控计算机，所述图形化显控计算机与所述实时仿真设备连接。
10.根据权利要求1所述的虚拟集成验证系统，其特征在于，还包括：通信管线，所述通信管线分别与所述实时仿真设备、所述仿真开发设备和所述显控显示设备连接。
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