一種交互式dp操作模擬訓(xùn)練仿真平臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種進(jìn)行動力定位控制的驗證和動力定位操作控制臺的使用的交互式DP操作模擬訓(xùn)練仿真平臺。一種交互式DP操作模擬訓(xùn)練仿真平臺，包括四臺顯示終端(1)、1#圖形工作站、2#圖形工作站、動力定位操作控制臺、以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理計算機、傳感器模擬計算機、數(shù)學(xué)模型仿真計算機、控制計算機。本發(fā)明建立一種交互式DP操作模擬訓(xùn)練仿真平臺，主要應(yīng)用于動力定位操作控制臺的人員培訓(xùn)和動力定位控制算法驗證，能夠真實的模擬船舶控制系統(tǒng)的特征，可以在實驗室環(huán)境下方便實現(xiàn)，并用于減少實體實驗和實船培訓(xùn)過程中的風(fēng)險。
【專利說明】一種交互式DP操作模擬訓(xùn)練仿真平臺
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種進(jìn)行動力定位控制的驗證和動力定位操作控制臺的使用的交互式DP操作模擬訓(xùn)練仿真平臺。
【背景技術(shù)】
[0002]動力定位系統(tǒng)如今已廣泛應(yīng)用于海上石油開發(fā)、深海就生、鋪管/鋪纜作業(yè)、海洋考察等很多方面。特別是由于近年來各國對海洋資源的高度重視，對動力定位系統(tǒng)及其性能的研究也越來越得到研究者的重視。
[0003]通過對相關(guān)文獻(xiàn)的檢索，中國專利CN201210356Y設(shè)計了 一種基于全景視覺的船舶駕駛系統(tǒng)，利用綜合船橋系統(tǒng)作為駕駛仿真平臺；專利CN101000721A設(shè)計了一種應(yīng)用于教學(xué)培訓(xùn)、科學(xué)實驗、港口航道工程論證、船舶操作的高品質(zhì)航海模擬器；專利CN202736336U設(shè)計了一種動力定位培訓(xùn)系統(tǒng)，可以模擬船上的各個操作部件，方便的應(yīng)用于動力定位的培訓(xùn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種在實驗室環(huán)境下方便實現(xiàn)，并減少實體實驗和實船培訓(xùn)過程中的風(fēng)險的一種交互式DP操作模擬訓(xùn)練仿真平臺
[0005]一種交互式DP操作模擬訓(xùn)練仿真平臺，包括四臺顯示終端(1)、1#圖形工作站
(2)、2#圖形工作站(3)、動力定位操作控制臺(4)、以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理計算機(5)、傳感器模擬計算機(7)、數(shù)學(xué)模型仿真計算機(8)、控制計算機(9):
[0006]數(shù)據(jù)處理計算機(5)、傳感器模擬計算機(7)、數(shù)學(xué)模型仿真計算機(8)、控制計算機(9)、1#圖形工作站(2)、2#圖形工作站(3)、動力定位操作控制臺(4)通過以太網(wǎng)連接；
[0007]1#圖形工作站(2)連接兩臺顯示終端、2#圖形工作站(3)連接兩臺顯示終端。
[0008]數(shù)據(jù)處理計算機接收傳感器模擬計算機數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波和數(shù)據(jù)融合處理，將分析產(chǎn)生的六自由度數(shù)據(jù)信息傳遞給動力定位操作控制臺和控制計算機，動力定位操作控制臺將指令下發(fā)給控制計算機，控制計算機計算得到控制力并進(jìn)行推力分配，推進(jìn)器模塊接收推力分配信息，實現(xiàn)船舶的動力定位操作。
[0009]傳感器模擬計算機數(shù)據(jù)包括風(fēng)傳感器、羅經(jīng)、運動參考單元和位置參考系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。
[0010]六自由度數(shù)據(jù)信息包括縱蕩X，橫蕩y，垂蕩Z，橫搖φ，縱搖Θ，艏搖Ψ。
[0011]本發(fā)明的有益效果在于:
[0012]本發(fā)明建立一種交互式DP操作模擬訓(xùn)練仿真平臺，主要應(yīng)用于動力定位操作控制臺的人員培訓(xùn)和動力定位控制算法驗證，能夠真實的模擬船舶控制系統(tǒng)的特征，可以在實驗室環(huán)境下方便實現(xiàn)，并用于減少實體實驗和實船培訓(xùn)過程中的風(fēng)險。
【專利附圖】
【附圖說明】[0013]圖1交互式DP操作模擬訓(xùn)練仿真平臺結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖2數(shù)學(xué)模型仿真計算機軟件組成圖；
[0015]圖3數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步描述:
[0017]一種交互式DP操作模擬訓(xùn)練仿真平臺。包括數(shù)學(xué)模型仿真計算機(8)、傳感器模擬計算機(7)、數(shù)據(jù)處理計算機(5)、動力定位操作控制臺(4)、控制計算機(9)、控制單元
(10)、推力分配單元(11)、三維視景顯示系統(tǒng)。數(shù)學(xué)模型仿真計算機(8)和傳感器模擬計算機(7)共同構(gòu)成動力定位船舶模擬系統(tǒng)(6)，用于模擬實際動力定位船舶系統(tǒng)中的測量數(shù)據(jù)?？刂茊卧?10)和推力分配單元(11)安裝在控制計算機(9)上，用于給每臺推進(jìn)器產(chǎn)生推力指令。三維視景顯示系統(tǒng)接收數(shù)學(xué)模型仿真計算機的數(shù)據(jù)，并用于三維模型的驅(qū)動。各計算機通過以太網(wǎng)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享。
[0018]動力定位船舶模擬系統(tǒng)(6)由數(shù)學(xué)模型仿真計算機(8)和傳感器模擬計算機(7)構(gòu)成，真實的模擬動力定位船舶的運動和傳感器數(shù)據(jù)系統(tǒng)。數(shù)學(xué)模型仿真計算機(8)包括一套仿真軟件，其中有動力定位船舶數(shù)學(xué)模型(13)、海洋環(huán)境模型(14)、推進(jìn)器模型(15)以及人機交互界面(12)。其主要特征如下:
[0019]I)動力定位船舶數(shù)學(xué)模型是根據(jù)實船數(shù)據(jù)建立的低速域的六自由度運動模型，能夠根據(jù)推進(jìn)器推力數(shù)據(jù)和海洋環(huán)境干擾力數(shù)據(jù)計算產(chǎn)生船舶運動的縱蕩X，橫蕩y，垂蕩Z，橫搖P，縱搖Θ，艏搖ψ六個自由度船舶位置和姿態(tài)信息。
[0020]2)動力定位船舶上安裝的傳感器有三臺風(fēng)向風(fēng)速儀，三臺羅經(jīng)，三臺MRU，2臺GPS和一套HIPAP。傳感器模擬計算機能夠接收船舶數(shù)學(xué)模型六自由度的位置和姿態(tài)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，按照按照實際傳感器協(xié)議格式打包發(fā)送，用于實現(xiàn)實船上對上述傳感器裝置的數(shù)據(jù)模擬。產(chǎn)生虛擬的位姿測量信息，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給控制計算機使用。
[0021]3)以典型的動力定位船舶為例，推進(jìn)器系統(tǒng)包括了兩個主推，兩個首側(cè)推和兩個尾側(cè)推，推進(jìn)器模塊分別對不同型號的推進(jìn)器進(jìn)行建模，接收控制計算機給出的推力分配信息，產(chǎn)生相應(yīng)的推力，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給船舶數(shù)學(xué)模型。
[0022]4)海洋環(huán)境模塊分別建立了風(fēng)、浪(一階波浪力和二階波浪力)、流數(shù)學(xué)模型，可接收人機交互界面設(shè)定的海情信息，產(chǎn)生不同海情下的由風(fēng)、浪、流引起的干擾力數(shù)據(jù)。通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給船舶六自由度數(shù)學(xué)模型。
[0023]5)數(shù)學(xué)模型仿真計算機上還包含有一套人機交互界面，其作用在于對船舶的初始狀態(tài)(包括初始位置和姿態(tài))進(jìn)行設(shè)定、對海洋環(huán)境(包括海情、風(fēng)向、風(fēng)速、浪向、浪速、流向、流速)進(jìn)行設(shè)定、顯示船舶運行的位置和速度信息、顯示船舶運行的二維軌跡。
[0024]三維顯示系統(tǒng)通過對實際地形環(huán)境和動力定位船舶仿真對象進(jìn)行三維建模，構(gòu)建虛擬仿真環(huán)境，接收六自由度數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，用于不同海情、不同天氣、不同時間情況下的三維視景顯示:
[0025]I)三維視景顯示系統(tǒng)包括1#圖形工作站(2)、2#圖形工作站(3)以及四臺顯示終端(I)。兩臺工作站之間進(jìn)行同步連接，協(xié)同顯示三維場景，每臺圖形工作站分別連接兩臺顯示終端，顯示兩個通道的三維圖像。[0026]2)三維視景顯示系統(tǒng)根據(jù)動力定位船舶的三維幾何參數(shù)，對船舶進(jìn)行實體建模；根據(jù)高程數(shù)據(jù)和紋理，創(chuàng)建動力定位船舶操縱真實工作場景及周邊環(huán)境的三維模型；根據(jù)海洋環(huán)境信息顯示不同等級的海情。
[0027]3)三維場景的視點固定于船舶三維模型的DP駕駛艙室內(nèi)，并與船舶的運動行為綁定，四臺顯示終端可用來模擬駕駛員從DP駕駛艙室窗口觀察到的運動場景，使操作人員如同置身于駕駛艙室，產(chǎn)生真實的操船感受。
[0028]動力定位操作控制臺接收并顯示傳感器模擬計算機數(shù)據(jù)，并接受操作人員控制指令，下達(dá)控制命令:
[0029]I)操作控制臺包括顯示界面、操縱面板、操縱桿、傳感器使能設(shè)置模塊、推進(jìn)器使能設(shè)置模塊、控制模式選擇模塊以及手動/DP切換開關(guān)，其中顯示界面包括船舶位置和姿態(tài)信息顯示、船舶運行狀態(tài)二維顯示以及推進(jìn)器組態(tài)信息。
[0030]2)操作人員可根據(jù)顯示數(shù)據(jù)下達(dá)操作命令，以自動或手動模式進(jìn)行DP作業(yè)?？刂浦噶钸x擇模塊包括手動、定位、航跡保持、自動艏向、航停、目標(biāo)跟蹤、定橫、定縱、定向等控制模式。
[0031]以其中一個定位作業(yè)為例，基于動力定位操作控制臺的定位作業(yè)過程包括以下步驟:
[0032]I)操作人員首先將所需傳感器、推進(jìn)器設(shè)置為使能狀態(tài)；
[0033]2)操作人員將操作模式選擇為手動模式；
[0034]3)操作人員根據(jù)顯示界面顯示的信息和從DP駕駛艙室窗口觀察到的運動三維場景信息，通過操作桿對船舶進(jìn)行速度、方位調(diào)整等操作；
[0035]4)船舶運行狀態(tài)達(dá)到容許范圍后，選擇定位控制模式。
[0036]控制計算機包括一系列船舶運動控制器，可以接收動力定位操作控制臺的控制模式命令，選擇相應(yīng)的控制器，根據(jù)控制單元從而產(chǎn)生相應(yīng)控制力數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對船舶運動的控制。
[0037]動力定位船舶模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理計算機、動力定位操作控制臺以及控制計算機構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng):數(shù)據(jù)融合計算機接收傳感器模擬計算機數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行濾波和數(shù)據(jù)融合處理，并將分析產(chǎn)生的六自由度數(shù)據(jù)信息傳遞給動力定位操作控制臺和控制計算機，動力定位操作控制臺將根據(jù)操作人員的指令下發(fā)給控制計算機，控制計算機計算得到控制力并進(jìn)行動力分配，推進(jìn)器模塊接收推力分配信息，從而實現(xiàn)船舶的動力定位操作。
[0038]圖1為整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，本系統(tǒng)由以下幾部分組成:數(shù)學(xué)模型仿真計算機
(8)、傳感器模擬計算機(7)、數(shù)據(jù)處理計算機(5)、動力定位操作控制臺(4)、控制計算機
(9)、控制單元(10)、推力分配單元(11)、三維視景顯示系統(tǒng)。其中數(shù)學(xué)模型仿真計算機(8)和傳感器模擬計算機(7)共同構(gòu)成動力定位船舶模擬系統(tǒng)(6)，用于模擬實際動力定位船舶系統(tǒng)中的測量數(shù)據(jù)。控制單元(10)和推力分配單元(11)安裝在控制計算機(9)上，用于給每臺推進(jìn)器產(chǎn)生推力指令。三維視景顯示系統(tǒng)包括1#圖形工作站(2)、2#圖形工作站
(3)以及四臺顯示終端(I)。兩臺工作站之間進(jìn)行同步連接，協(xié)同顯示三維場景，每臺圖形工作站分別連接兩臺顯示終端，顯示兩個通道的三維圖像。三維場景的視點固定于船舶三維模型的DP駕駛艙室內(nèi)，并與船舶的運動綁定，四臺顯示終端可用來模擬所仿真船舶DP駕駛艙室窗口的場景，使操作人員如同置身于DP操控艙室，產(chǎn)生真實的操船感受。各計算機通過以太網(wǎng)連接，實現(xiàn)信息交互和數(shù)據(jù)資源的共享。
[0039]動力定位操作控制臺主要實現(xiàn)動力定位系統(tǒng)的信息顯示和人機交互，包括顯示界面、操縱面板、操縱桿、傳感器使能設(shè)置模塊、推進(jìn)器使能設(shè)置模塊、控制模式選擇模塊以及手動/DP切換開關(guān)，其中顯示界面包括船舶位置和姿態(tài)信息顯示、船舶運行狀態(tài)二維顯示以及推進(jìn)器組態(tài)信息。DP操作人員根據(jù)作業(yè)任務(wù)，通過操縱面板實現(xiàn)船舶的操縱，可以進(jìn)行系統(tǒng)工作模式設(shè)定，啟用傳感器/推進(jìn)器，控制船舶運動等操作。
[0040]圖2為數(shù)學(xué)模型仿真計算機的軟件組成部分。數(shù)學(xué)模型仿真計算機(8)包括一套仿真軟件，其中有動力定位船舶六自由度數(shù)學(xué)模型(13)、海洋環(huán)境模型(14)、推進(jìn)器模型
(15)以及人機交互界面(12)。推進(jìn)器模型接收推力分配信息、產(chǎn)生推力數(shù)據(jù)，并將其傳遞給船舶六自由度數(shù)學(xué)模型；海洋環(huán)境模型能夠產(chǎn)生不同海情下的干擾力數(shù)據(jù)，并將其傳遞給船舶六自由度數(shù)學(xué)模型；六自由度數(shù)學(xué)模型根據(jù)接收到的推力和干擾力計算得到船舶的六自由度運行數(shù)據(jù)；人機交互界面的作用包括對船舶的初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定、對海洋環(huán)境進(jìn)行設(shè)定、顯示船舶運行的位置和速度信息、顯示船舶運行的二維軌跡。傳感器模擬計算機將六自由度模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和打包并發(fā)送到以太網(wǎng)，用于實現(xiàn)對實船上傳感器裝置的模擬。
[0041]圖3說明了本系統(tǒng)的信息流程關(guān)系。DP操作模擬訓(xùn)練過程如下:
[0042](I)操作人員在數(shù)學(xué)模型仿真計算機的人機交互界面上對船舶的初始狀態(tài)和海洋環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，并分別發(fā)送給船舶六自由度數(shù)學(xué)模型和海洋環(huán)境模型。
[0043](2)海洋環(huán)境模型根據(jù)設(shè)定的海洋狀態(tài)計算干擾力數(shù)據(jù)，并發(fā)送給船舶運動數(shù)學(xué)模型。
[0044](3)操縱人員觀察船舶運行數(shù)據(jù)和三維顯示場景，并根據(jù)動力定位船舶作業(yè)要求，在動力定位操作臺通過操縱面板下達(dá)工作模式控制指令，并發(fā)送給控制計算機中的控制器。
[0045](4)控制器接收工作模式指令，并根據(jù)傳感器模擬計算機的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行控制力計算，進(jìn)行推力分配后發(fā)送給推進(jìn)器模塊。
[0046](5)推進(jìn)器模塊產(chǎn)生推力數(shù)據(jù)，并發(fā)送給船舶運動數(shù)學(xué)模型。
[0047](6)船舶運動數(shù)學(xué)模型同時接收海洋環(huán)境干擾力數(shù)據(jù)，解算出當(dāng)前船舶運動的位姿信息。
[0048](7)傳感器模擬計算機為控制系統(tǒng)的測量反饋模塊，它將接收到的船舶運動位姿信息進(jìn)行處理后發(fā)送給數(shù)據(jù)處理計算機。
[0049](8)數(shù)據(jù)處理計算機對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合及濾波處理后，反饋給控制器使用。
[0050](9)視景顯示系統(tǒng)接收船舶六自由度運動信息和海洋環(huán)境信息，進(jìn)行三維船舶運動的驅(qū)動和海浪顯示的驅(qū)動。
【權(quán)利要求】
1.一種交互式DP操作模擬訓(xùn)練仿真平臺，包括四臺顯示終端(I)、1#圖形工作站(2)、2#圖形工作站(3)、動力定位操作控制臺(4)、以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理計算機(5)、傳感器模擬計算機(7)、數(shù)學(xué)模型仿真計算機(8)、控制計算機(9)，其特征在于: 數(shù)據(jù)處理計算機(5)、傳感器模擬計算機(7)、數(shù)學(xué)模型仿真計算機(8)、控制計算機(9)、1#圖形工作站(2)、2#圖形工作站(3)、動力定位操作控制臺(4)通過以太網(wǎng)連接； 1#圖形工作站(2)連接兩臺顯示終端、2#圖形工作站(3)連接兩臺顯示終端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交互式DP操作模擬訓(xùn)練仿真平臺，其特征在于:數(shù)據(jù)處理計算機接收傳感器模擬計算機數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波和數(shù)據(jù)融合處理，將分析產(chǎn)生的六自由度數(shù)據(jù)信息傳遞給動力定位操作控制臺和控制計算機，動力定位操作控制臺將指令下發(fā)給控制計算機，控制計算機計算得到控制力并進(jìn)行推力分配，推進(jìn)器模塊接收推力分配信息，實現(xiàn)船舶的動力定位操作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種交互式DP操作模擬訓(xùn)練仿真平臺，其特征在于:所述的傳感器模擬計算機數(shù)據(jù)包括風(fēng)傳感器、羅經(jīng)、運動參考單元和位置參考系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種交互式DP操作模擬訓(xùn)練仿真平臺，其特征在于:所述的六自由度數(shù)據(jù)信息包括縱蕩X，橫蕩y，垂蕩z，橫搖φ，縱搖Θ，艏搖ψ。
【文檔編號】G09B9/06GK103632582SQ201310563441
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】李娟 , 龐程程, 夏國清, 邊信黔, 陳興華, 劉建緒 申請人:哈爾濱工程大學(xué)