一种无人水面艇操控性能测试半实物仿真系统.pdf

本发明公开了一种无人水面艇操控性能测试半实物仿真系统，包括岸基控制系统、无线数传系统，无人水面艇运动数学模型处理系统、航向模拟系统、自动操舵仪；所述的岸基控制系统与无人水面艇运动数学模型处理系统通过无线数传系统进行信息交换；所述的无人水面艇运动数学模型处理系统通过串口通信的方式分别与自动操舵仪和航向模拟系统连接。本发明根据真实无人水面艇数据，基于分离建模思想，构建无人水面艇运动数学模型处理系统，可以逼真地模拟无人水面艇的实际运行状态，有利于相关单位在研制、生产和维修无人水面艇时对无人水面艇各项性能进行测试及评价，为更好地设计和改进无人水面艇创造了良好方便的条件。

权利要求书
1.  一种无人水面艇操控性能测试半实物仿真系统，其特征在于：包括岸基控制系统(1)、无线数传系统(2)，无人水面艇运动数学模型处理系统(4)、航向模拟系统(5)、自动操舵仪(3)；所述的岸基控制系统(1)与无人水面艇运动数学模型处理系统(4)通过无线数传系统(2)进行信息交换；所述的无人水面艇运动数学模型处理系统(4)通过串口通信的方式分别与自动操舵仪(3)和航向模拟系统(5)连接；
所述的无人水面艇运动数学模型处理系统(4)将解算出的航向实时的通过串口一路发送给自动操舵仪(3)，使自动操舵仪(3)得到航向反馈量，另一路发送给航向模拟系统(5)，使航向模拟系统(5)得控制输入信号；
所述的无线数传系统(2)，负责岸基控制系统(1)与无人水面艇运动数学模型处理系统(4)之间的信息交换，无人水面艇运动数学模型处理系统(4)通过无线数传系统(2)接受岸基控制系统(1)的控制指令；岸基控制系统(1)通过无线数传系统(2)接受无人水面艇运动数学模型处理系统(4)反馈回来的无人艇航行状态信息；
所述的岸基控制系统(1)采用以S3C6410处理器为核心的ARM开发板构成，负责无人水面艇操控方式选择、航行工况设置，接受处理无人水面艇运动数学模型处理系统(4)反馈回来的数据，进行舵角、航向、航迹的信息显示；
所述的航向模拟系统(5)由电罗经和水平旋转台构成，将电罗经放在水平旋转台上，水平旋转台转动带动电罗经旋转来模拟无人水面艇的航向变化。

说明书一种无人水面艇操控性能测试半实物仿真系统
技术领域
本发明涉及一种无人水面艇操控性能测试半实物仿真系统，属于船舶控制与仿真技术领域。
背景技术
无人水面艇作为船舶领域的一个重要分支，其研究时间较晚，发展也比较缓慢。近年来，因为无人水面艇(Unmanned Surface Vehicles,USV)具有灵活性强、隐蔽性好等特点使其在海洋探测、海洋环境监测以及海洋安全方面具有广泛的应用前景而成为国内外的研究热点。无人水面艇作为一种智能设备，对它的研究涉及到流体力学、船型设计、自动控制等诸多领域，因而对无人水面艇的研究既有较高理论意义，又有工程实用价值。在对无人水面艇进行研究的过程中，避免不了要对无人水面艇进行各项性能指标的测试。目前无人水面艇仿真系统主要分为两种，一种是纯实物的仿真系统，一种是纯数字的仿真系统。纯实物的仿真系统虽然仿真结果真实性强，但不够灵活，易受时间、地点、天气等环境因素的影响，且成本较高；纯数字的仿真系统虽然灵活性较强，经济性较好，但在纯数字仿真系统中采取近似或忽略无人水面艇的诸多细节，使仿真结果的真实性和可信度不高。所以，如何经济有效地测试无人水面艇操控过程中各项性能指标的问题出现。
半实物仿真方法是将物理模型和数学模型联合在一起进行试验的一种方法，它将实际系统的一部分设备和计算机相互连接，用数学仿真的方式对其中不存在或不便于实验的部分系统进行仿真，同时保证整个系统实时运转。该仿真技术综合了纯实物仿真和纯数学仿真两者的优点，充分利用计算机建模的简易性，减少了费用，便于对系统的模型部分进行灵活快捷的仿真、变更。该仿真技术在机械、电子、航天航空和武器研制等领域己得到了广泛应用。然而半实物的无人水面艇操控仿真系统目前还未见公开报道，而船舶其他方面的仿真系统并不能直接用于无人水面艇的操控仿真。
发明内容
为解决如何经济有效和真实可靠地测试无人水面艇操控过程中各项性能指标的问题，本发明要设计一种即经济有效又兼顾测试结果真实性强的无人水面艇操控性能测试半实物仿真系统，并且该系统在实验室环境下可以正常运行。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种无人水面艇操控性能测试半实物仿真系统，包括岸基控制系统、无线数传系统，无人水面艇运动数学模型处理系统、航向模拟系统、自动操舵仪；所述的岸基控制系统与无人水面艇运动数学模型处理系统通过无线数传系统进行信息交换；所述的无人水面艇运动数学模型处理系统通过串口通信的方式分别与自动操舵仪和航向模拟系统连接；
所述的无人水面艇运动数学模型处理系统将解算出的航向实时的通过串口一路发送给自动操舵仪，使自动操舵仪得到航向反馈量，另一路发送给航向模拟系统，使航向模拟系统得控制输入信号；
所述的无线数传系统，负责岸基控制系统与无人水面艇运动数学模型处理系统之间的信息交换，无人水面艇运动数学模型处理系统通过无线数传系统接受岸基控制系统的控制指令；岸基控制系统通过无线数传系统接受无人水面艇运动数学模型处理系统反馈回来的无人艇航行状态信息；
所述的岸基控制系统采用以S3C6410处理器为核心的ARM开发板构成，负责无人水面艇操控方式选择、航行工况设置，接受处理无人水面艇运动数学模型处理系统反馈回来的数据，进行舵角、航向、航迹的信息显示；
所述的航向模拟系统由电罗经和水平旋转台构成，将电罗经放在水平旋转台上，水平旋转台转动带动电罗经旋转来模拟无人水面艇的航向变化。
本发明的优点和有益效果是：
1、本发明根据真实无人水面艇数据，基于分离建模思想，构建无人水面艇运动数学模型处理系统，通过无线数传系统，岸基控制系统可对无人水面艇操控方式、航行工况进行设置，并结合电罗经、自动操舵仪等实物，就可以逼真地模拟无人水面艇的实际运行状态，通过设计专门的软件可方便地对无人水面艇模拟运行时产生的信息进行采集，有利于相关科研单位、工厂在研制、生产和维修无人水面艇时对无人水面艇各项性能进行测试及评价，为更好地设计和改进无人水面艇创造了良好方便的条件。同时，本发明也可作为无人水面艇运 动控制系统的陆上试验平台，可以实现在实验室环境下经济高效的对无人水面艇运动控制算法进行研究，能够加快产品开发速度、降低成本和节省人力物力，有利于从事于无人水面艇相关工作的科研单位、工厂和航海类院校节省了大量的真实无人水面艇试验所需的人力物力开支，提高了工作效率。
2、本发明可以实现以下功能：
(1)用户可根据需要选择不同的控制方式以及设置初始船速、主机转速、初始航向、海况参数如风浪流强度、方向等。
(2)作为无人水面艇运动控制系统的陆上试验平台，用户可以利用本发明对无人水面艇的运动控制算法进行研究。
(3)作为无人水面艇操控仿真系统，本发明可为后续相关研究提供一套仿真平台。
附图说明
本发明有附图1张，其中：
图1是本发明一种无人水面艇操控性能测试半实物仿真系统的组成结构框图。
图中：1、岸基控制系统，2、无线数传系统，3、自动操舵仪，4、无人水面艇运动数学模型处理系统，5、航向模拟系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细地描述：
如图1所示，一种无人水面艇操控性能测试半实物仿真系统，主要由岸基控制系统1、无线数传系统2、自动操舵仪3、无人水面艇运动数学模型处理系统4和航向模拟系统5五部分组成。
一、岸基控制系统1的设计与实现
岸基控制系统1负责无人水面艇操控方式选择、航行工况设置、数据收发和处理等功能。岸基控制系统1采用以S3C6410处理器为核心的ARM开发板，运行环境为Linux系统，开发环境为Qt Creator。利用QextSerialPort类进行串口通信程序设计，利用图形设计器Qt Designer设计了具有软键盘输入的用户界面。可以通过用户界面选择无人艇的控制方式和设定航向、航速，通过无线数传系统2发送给无人水面艇运动数学模型处理系统4，在界面中可以实时显示由无人水面艇运动数学模型处理系统4通过无线数传系统2反馈回来的舵角和航向。
岸基控制系统1利用Qt Creator提供的QPainter类绘制舵角、航向、航迹曲线。通过调用update()函数重载QWidget类的paintEvent(QPaintEvent*)方法，完成图像重绘或图像刷新。由于要实时的显示舵角、航向及航迹的变化，因此应在定时器类QTimer的成员函数start()中设置定时周期，定时完成时定时器会发出timeout()信号，通过Qt中提供的connect()方法将信号timeout()与update()函数关联，在定时完成时就调用update()函数。下面给出绘制舵角变化趋势的相关程序，绘制航向变化曲线的程序类似：

二、无线数传系统2的设计与实现
无线数传系统2作为岸基控制系统1和无人水面艇运动数学模型处理系统4间通信的核心部件，由两块无线数传模块组成。
本发明利用其中一块与岸基控制系统1连接，另一块与无人水面艇运动数学模型处理系统4连接构成无线数传系统2，两块无线数传模块对外提供的RS232 接口。通过无线模块参数配置界面将参数设置好即可进行通信。
三、自动操舵仪3的设计与实现
未做设计。
四、无人水面艇运动数学模型处理系统4的设计与实现
无人水面艇运动数学模型处理系统4是整个系统的核心，负责模拟实际无人艇，解算航向。
本发明利用分离型建模思想，依据真实无人水面艇的数据建立复杂程度适宜，精度满足要求的无人水面艇运动数学模型处理系统4。在编写数学模型时将所编函数按照功能分为3类，形成3个模块分别为初始条件设置模块、通信模块、船模解算模块。
在程序中添加WM_TIME消息，设置间隔时间为500ms的定时器，在OnTimer函数中添加解算无人水面艇模型函数，即每500ms解算一次无人水面艇模型。在无人水面艇模型解算后需要将其输出的航向读取出来发送给岸基系统和自动操舵仪3，其中，由于其航向输出并非按照自动舵所接收到的0°～360°，因此需要对其输出航向进行整理。
五、航向模拟系统5的设计与实现
本发明采用电罗经放在水平旋转台上，水平旋转台旋转带动电罗经转动来模拟无人水面艇航向变化，由STC89C52单片机控制步进电机驱动器驱动步进电机带动水平旋转台旋转。
步进电机一般有两种接法。串联接法一般在步进电机转速比较低的时候使用，此时需要的驱动器输出电流为步进电机相电流的0.7倍，因而步进电机发热小；并联接法一般用在步进电机转速较高的场合使用，所需要的驱动器输出电流为步进电机相电流的1.4倍，因而发热较大。由于舵机转速是缓慢的，所以这里选用串联接法。
为了得到无人艇航向改变的速率，通过在MATLAB中搭建无人艇模型进行仿真，通过设置大量不同的航向，统计航向由0变化到设定航行时的时间，进行计算设定不同航向时无人艇的航向改变速率，最终求得航向平均变化速率为1°，又因为水平旋转台的传动比为720：1。对步进电机驱动器选择2细分，则步进电机的步距角变化为0.9°。将发送脉冲周期设置为1.25ms，则发送脉冲的频率为800Hz，即每秒发送800个脉冲，800×0.9°÷720＝1°。