[發(fā)明專利]船舶運(yùn)動控制仿真平臺及船舶運(yùn)動控制方法

有效

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• 申請日: 2017-06-05
• 公開（公告）號: CN107092199B
• 公開（公告）日: 2020-01-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 彭聰;遲慧;曾聰
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 32249 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)
• 代理人: 楊曉玲

本發(fā)明公開一種船舶運(yùn)動控制仿真平臺，包括控制模塊、驅(qū)動模塊、姿態(tài)測量模塊、位置確定模塊及電源模塊，驅(qū)動模塊用于控制運(yùn)動平臺的前行和轉(zhuǎn)向；姿態(tài)測量模塊和位置確定模塊分別用于測量運(yùn)動平臺的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)；控制模塊配置有航跡跟蹤算法和甲板運(yùn)動模型，控制模塊從姿態(tài)測量模塊和位置確定模塊中獲取運(yùn)動平臺的姿態(tài)和位置信息后進(jìn)行航跡跟蹤計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果通過驅(qū)動模塊將按照期望路線運(yùn)動，并能同時模擬艦船在海浪中的甲板運(yùn)動。進(jìn)一步，還公開一種船舶運(yùn)動控制方法。通過該平臺或方法，把航向控制和航跡控制分開的間接控制方法，控制參數(shù)調(diào)整簡單，航向控制算法和航跡控制算法可分別修改。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于一種船舶運(yùn)動控制仿真技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種船舶運(yùn)動控制仿真平臺及船舶運(yùn)動控制方法。

背景技術(shù)

艦船在海面上的運(yùn)動會影響飛機(jī)著艦精度，可以通過模式識別來判斷艦船姿態(tài)，從而選擇合適的時機(jī)著艦。在飛機(jī)著艦的研究中，一個艦船運(yùn)動仿真平臺是必不可少的。原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真具有非常廣泛的應(yīng)用價值，可快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的原理性方案。為了檢驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理、控制算法是否有效，需要通過多次水上試驗(yàn)。每次實(shí)驗(yàn)需要綜合船舶的運(yùn)動數(shù)據(jù),然后進(jìn)行分析整理，得到控制性能的綜合性評估，從而比較控制方法的優(yōu)劣。所以，仿真是研究船舶運(yùn)動控制算法的必要方法。通常有以下3種仿真方法：計(jì)算機(jī)模擬方法、實(shí)船試驗(yàn)和半實(shí)物平臺仿真。

計(jì)算機(jī)模擬方法成本低、簡便，是最常用的初期仿真方法，其具有良好的交互性，能夠較好地仿真船舶在海浪中的運(yùn)動，但是計(jì)算機(jī)模擬方法結(jié)果的可靠性與建立的數(shù)學(xué)模型和模擬海況的精確程度關(guān)系很大，故只能作為驗(yàn)證各種控制方法的初步手段。實(shí)船試驗(yàn)可靠性高，然而危險性大、成本高，所以一般在控制方法得到計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證，基本確定可行性后使用。與前兩種方法相比，半實(shí)物平臺仿真可靠性較高并且費(fèi)用低又安全，應(yīng)用廣泛，但是目前已經(jīng)有的船舶運(yùn)動仿真平臺較少，且控制算法復(fù)雜，參數(shù)調(diào)整困難，算法的可移植性不高。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種參數(shù)調(diào)整簡單、算法移植性強(qiáng)、成本低的船舶運(yùn)動控制仿真平臺及船舶運(yùn)動控制方法。

本發(fā)明公開的船舶運(yùn)動控制仿真平臺包括控制模塊、驅(qū)動模塊、姿態(tài)測量模塊、位置確定模塊及電源模塊，驅(qū)動模塊用于控制運(yùn)動平臺的前行和轉(zhuǎn)向；姿態(tài)測量模塊和位置確定模塊分別用于測量運(yùn)動平臺的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)；控制模塊配置有航跡跟蹤算法(包括航向控制和航跡控制)和甲板運(yùn)動模型，控制模塊從姿態(tài)測量模塊和位置確定模塊中獲取運(yùn)動平臺的姿態(tài)和位置信息后進(jìn)行航跡跟蹤計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果通過驅(qū)動模塊將按照期望路線運(yùn)動，并能同時模擬艦船在海浪中的甲板運(yùn)動；電源模塊為運(yùn)動平臺的各模塊供電；其中，姿態(tài)測量模塊和位置確定模塊均通過異步串行通信接口和控制模塊連接通信；航跡跟蹤計(jì)算包括航向和航跡的跟蹤計(jì)算。

進(jìn)一步的，控制模塊包括航向控制單元和航跡控制單元，航跡控制單元接收位置確定模塊發(fā)送的實(shí)時位置數(shù)據(jù)，并與期望軌跡相比較，而后輸出期望航向；航向控制單元接收航跡控制單元輸出的期望航向和姿態(tài)確定模塊發(fā)送的實(shí)時姿態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算并輸出期望姿態(tài)的控制信號，然后控制驅(qū)動模塊改變運(yùn)動平臺的姿態(tài)。具體的，航向控制單元接收期望航向和姿態(tài)確定模塊發(fā)送的實(shí)時姿態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算后輸出運(yùn)動平臺的舵角控制信號，從而控制運(yùn)動平臺的舵機(jī)轉(zhuǎn)向帶動舵葉，使運(yùn)動平臺姿態(tài)改變。

進(jìn)一步的，航向控制使用抗飽和PID控制。

進(jìn)一步的，航跡控制使用視距導(dǎo)航法。

進(jìn)一步的，控制模塊內(nèi)置姿態(tài)數(shù)據(jù)中斷程序和姿態(tài)數(shù)據(jù)接收程序，當(dāng)有姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到控制模塊時，會產(chǎn)生一個中斷，姿態(tài)數(shù)據(jù)中斷程序識別出姿態(tài)數(shù)據(jù)幀的幀頭后，將完整的一幀數(shù)據(jù)保存到緩沖區(qū)，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)接收完畢，會將接收標(biāo)志位置位，等待接收程序讀取數(shù)據(jù)；姿態(tài)數(shù)據(jù)接收程序首先讀取接收標(biāo)志位的值，確定一幀數(shù)據(jù)已經(jīng)完整地保存在緩沖區(qū)內(nèi)，然后經(jīng)過校驗(yàn)無誤后讀取數(shù)據(jù)；若想要更新姿態(tài)數(shù)據(jù)，調(diào)用姿態(tài)數(shù)據(jù)接收程序即可。