申请/专利权人：南京航空航天大学

申请日：2017-06-05

公开（公告）日：2020-01-10

公开（公告）号：CN107092199B

主分类号：G05B17/02(20060101)

分类号：G05B17/02(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.01.10#授权;2017.09.19#实质审查的生效;2017.08.25#公开

摘要：本发明公开一种船舶运动控制仿真平台，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。进一步，还公开一种船舶运动控制方法。通过该平台或方法，把航向控制和航迹控制分开的间接控制方法，控制参数调整简单，航向控制算法和航迹控制算法可分别修改。

主权项：1.一种船舶运动控制仿真平台，其特征在于，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控制仿真平台的前行和转向；姿态测量模块和位置确定模块分别用于测量运动控制仿真平台的姿态和位置数据；控制模块从姿态测量模块和位置确定模块中获取运动控制仿真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实现运动控制；电源模块为运动控制仿真平台的各模块供电；其中，姿态测量模块和位置确定模块均通过异步串行通信接口和控制模块连接通信；控制模块包括航向控制单元和航迹控制单元，航迹控制单元接收位置确定模块发送的实时位置数据，并与期望轨迹相比较，而后输出期望航向；航向控制单元接收航迹控制单元输出的期望航向和姿态测量模块发送的实时姿态数据，计算并输出期望姿态的控制信号，然后控制驱动模块改变运动控制仿真平台的姿态；航迹跟踪计算包括航向和航迹的跟踪计算；航迹控制使用视距导航法；控制模块还内置甲板运动模型，用于根据指定的海况模拟舰船甲板运动，所述海况是指导致舰船甲板运动的海浪运动；具体包括：首先进行海浪建模，得到各类有效波倾角，然后构建甲板运动模型，即将得到的有效波倾角分别输入对应的运动传递函数，计算得到甲板姿态运动函数，最后再根据姿态测量模块反馈的姿态数据，结合甲板姿态运动函数进行计算，输出控制信号给驱动模块，以控制运动控制仿真平台的姿态；所述舰船甲板运动包括横滚运动、俯仰运动和沉浮运动；所述有效波倾角包括横滚有效波倾角、俯仰有效波倾角和沉浮有效波倾角；所述运动传递函数包括横滚运动传递函数、俯仰运动传递函数和沉浮运动传递函数；其中，横滚有效波倾角αφe、俯仰有效波倾角αθe、沉浮有效波倾角ξze的计算公式如下： 式中：β表示遭遇角；ωei表示舰船遭遇频率，V是航速；Xφ表示横滚有效波倾角修正系数；Xθ表示俯仰有效波倾角修正系数；Xz表示沉浮有效波倾角修正系数；g表示重力加速度；ωi表示第i个谐波的角频率；Sξωi表示谐波能量值；εi表示第i个谐波的初相角；所述横滚运动传递函数计算如下： 式中：ωφ表示舰船的横滚固有角频率，Jφ表示横滚转动惯量；△Jφ表示横滚附加转动惯量；D表示舰船排水质量；h表示横稳定中心高；ζφ表示横滚阻尼因子；所述俯仰运动传递函数计算如下： 式中：ωθ表示舰船的俯仰固有角频率；Jθ表示俯仰转动惯量；△Jθ表示俯仰附加转动惯量；ζθ表示俯仰阻尼因子；所述沉浮运动传递函数计算如下： 式中：ωz表示舰船沉浮固有频率，λz表示沉浮附加质量；ρ表示海水密度；Sw表示舰船水线面面积；ζz表示沉浮阻尼因子。

全文数据：船舶运动控制仿真平台及船舶运动控制方法技术领域[0001]本发明属于一种船舶运动控制仿真技术领域，特别涉及一种船舶运动控制仿真平台及船舶运动控制方法。背景技术[0002]舰船在海面上的运动会影响飞机着舰精度，可以通过模式识别来判断舰船姿态，从而选择合适的时机着舰。在飞机着舰的研究中，一个舰船运动仿真平台是必不可少的。原型系统的设计与仿真具有非常广泛的应用价值，可快速验证设计系统的原理性方案。为了检验控制系统设计是否合理、控制算法是否有效，需要通过多次水上试验。每次实验需要综合船舶的运动数据，然后进行分析整理，得到控制性能的综合性评估，从而比较控制方法的优劣。所以，仿真是研究船舶运动控制算法的必要方法。通常有以下3种仿真方法:计算机模拟方法、实船试验和半实物平台仿真。[0003]计算机模拟方法成本低、简便，是最常用的初期仿真方法，其具有良好的交互性，能够较好地仿真船舶在海浪中的运动，但是计算机模拟方法结果的可靠性与建立的数学模型和模拟海况的精确程度关系很大，故只能作为验证各种控制方法的初步手段。实船试验可靠性高，然而危险性大、成本高，所以一般在控制方法得到计算机模拟验证，基本确定可行性后使用。与前两种方法相比，半实物平台仿真可靠性较高并且费用低又安全，应用广泛，但是目前已经有的船舶运动仿真平台较少，且控制算法复杂，参数调整困难，算法的可移植性不高。发明内容[0004]为解决现有技术问题，本发明提出一种参数调整简单、算法移植性强、成本低的船舶运动控制仿真平台及船舶运动控制方法。[0005]本发明公开的船舶运动控制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包括航向控制和航迹控制和甲板运动模型，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；电源模块为运动平台的各模块供电；其中，姿态测量模块和位置确定模块均通过异步串行通信接口和控制模块连接通信;航迹跟踪计算包括航向和航迹的跟踪计算。[0006]进一步的，控制模块包括航向控制单元和航迹控制单元，航迹控制单元接收位置确定模块发送的实时位置数据，并与期望轨迹相比较，而后输出期望航向；航向控制单元接收航迹控制单元输出的期望航向和姿态确定模块发送的实时姿态数据，计算并输出期望姿态的控制信号，然后控制驱动模块改变运动平台的姿态。具体的，航向控制单元接收期望航向和姿态确定模块发送的实时姿态数据，计算后输出运动平台的舵角控制信号，从而控制运动平台的舵机转向带动舵叶，使运动平台姿态改变。[0007]进一步的，航向控制使用抗饱和PID控制。[0008]进一步的，航迹控制使用视距导航法。[0009]进一步的，控制模块内置姿态数据中断程序和姿态数据接收程序，当有姿态数据发送到控制模块时，会产生一个中断，姿态数据中断程序识别出姿态数据帧的帧头后，将完整的一帧数据保存到缓冲区，当一帧数据接收完毕，会将接收标志位置位，等待接收程序读取数据;姿态数据接收程序首先读取接收标志位的值，确定一帧数据已经完整地保存在缓冲区内，然后经过校验无误后读取数据;若想要更新姿态数据，调用姿态数据接收程序即可。[0010]进一步的，控制模块内置位置数据中断程序和位置数据接收程序，当有位置数据发送到控制模块时，会产生一个中断，位置数据中断程序将数据保存到缓冲区，当一帧程序接收完毕，控制模块中的接收程序会将数据取到对应的变量中；位置数据接收程序首先读取接收标志位的值，确定一帧数据已经完整地保存在缓冲区内，然后经过校验无误后读取数据;若想要更新位置数据，调用位置数据接收程序即可。[0011]进一步的，控制模块采用MC9S12XS128MAA单片机最小系统。[0012]进一步的，姿态测量模块输出运动平台的俯仰角、偏航角、滚转角和高度。[0013]进一步的，姿态测量模块可采用miniAHRS姿态模块。[0014]进一步的，位置确定模块采用WF-NE0-6M定位芯片。[0015]进一步的，驱动模块采用单桨双舵结构。[0016]进一步的，驱动模块包括电机、传动轴、螺旋桨、遥控器、舵机、拉杆和舵叶，其中，遥控器用于控制电机前进、后退、停止；电机旋转通过传动轴带动螺旋桨;舵机摇臂旋转通过拉杆带动舵叶。[0017]进一步的，控制模块中的软件部分采用模块化设计，各模块有单独的底层程序，以保证在控制过程中只要单独调用该模块子程序即可实现模块功能。[0018]进一步的，控制模块还内置甲板运动模型，通过控制模块进行海浪建模并得到各类有效波倾角，将得到的有效波倾角分别输入对应的运动传递函数，计算得到甲板姿态运动函数，再根据姿态测量模块反馈的姿态数据，结合甲板姿态运动函数进行计算，输出控制信号给驱动模块，以控制运动平台的姿态;其中，甲板运动包括横滚运动、俯仰运动、沉浮运动，有效波倾角包括横滚有效波倾角、俯仰有效波倾角、沉浮有效波倾角，传递函数包括横滚运动传递函数、俯仰运动传递函数、沉浮运动传递函数。[0019]本发明还公开一种船舶运动控制方法，将航向控制和航迹控制分开控制，先接收由船舶的实时位置数据，并与期望轨迹相比较，而后输出期望航向；然后接收输出的期望航向和船舶的实时姿态数据，计算并输出期望姿态的控制信号;再根据控制信号改变船舶的运动姿态。[0020]进一步的，航向控制使用抗饱和PID控制法。[0021]进一步的，航迹控制使用视距导航法。[0022]进一步的，该船舶包括控制模块、驱动模块、姿态测量模块、位置确定模块，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;控制模块包括航向控制单元和航迹控制单元，将航向控制和航迹控制分开间接控制，航迹控制单元接收位置确定模块发送的实时位置数据，并与期望轨迹相比较，而后输出期望航向；航向控制单元接收航迹控制单元输出的期望航向和姿态确定模块发送的实时姿态数据，计算并输出期望姿态的控制信号，然后控制驱动模块改变船舶的运动姿态。[0023]有益效果：[0024]1把航向控制和航迹控制分开的间接控制方法，控制参数调整简单，航向控制算法和航迹控制算法可分别修改。其中，航向控制采用抗饱和PID控制，调试方便，避免了因积分器饱和而产生的系统失控;航迹控制采用视距导航法，不依赖于运动学模型，需要的设计参数少，参数整定容易、收敛性好。[0025]2船舶运动控制仿真平台可同时带有航迹跟踪算法包括航向和航迹的跟踪计算和甲板运动模型，使用者可输入运动轨迹、海浪参数，运动平台将按照期望路线运动、同时模拟舰船在海浪中的甲板运动。[0026]3驱动模块包括一个遥控器，可手动遥控其运动平台的前进、后退、暂停，避免在算法调试过程中，运动平台失控造成的硬件损坏。[0027]4本发明的软件部分采用模块化设计，各硬件模块有单独的底层程序，在控制过程中，只要调用该模块子程序，即可实现模块功能，程序结构清晰，可移植性强；同时还可以分别调试各模块，方便排错、更换芯片，从而降低仿真平台的成本;设计人员还可根据需求自行替换航向控制的算法和航迹控制的算法，进行二次开发，进一步扩展仿真平台的功能。附图说明[0028]图1为实施例中的仿真平台硬件结构图[0029]图2为实施例中的主程序流程图[0030]图3为实施例中的姿态数据中断程序流程图[0031]图4为实施例中的姿态数据接收程序流程图[0032]图5为实施例中的位置数据中断程序流程图[0033]图6为实施例中的位置数据接收程序流程图[0034]图7为实施例中的航迹跟踪控制算法框图[0035]图8为实施例中的航向控制模块中抗饱和PID算法的控制框图[0036]图9为实施例中的航迹跟踪算法中期望航迹是自西向东时的几何模型[0037]图10为实施例中的航迹跟踪算法中期望航迹是自东向西时的几何模型具体实施方式[0038]如图1所示，公开了一种船舶运动控制仿真平台的实施例，船舶运动控制仿真平台即“运动平台”、“平台”或“船体”，该平台包括电源模块、驱动模块、姿态测量模块、位置确定模块和控制模块，电源模块提供运动平台各芯片和驱动模块的供电；驱动模块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测量运动平台的姿态和位置数据;控制模块为本仿真平台的核心，获得运动平台的姿态和位置信息，然后进行航迹跟踪计算，从而控制舵叶的转向，达到运动控制的效果。[0039]下面结合具体实施例及附图对设计方案进行描述：[0040]实施例中所述控制模块采用MC9S12XS128MAA单片机最小系统，主程序流程图如图2所示:每0.5秒接收姿态测量模块和位置确定模块发送的数据，按照航迹跟踪算法计算出舵角控制信号，通过PWM波的方式输出给舵机使其带动舵叶偏转，从而控制运动平台的运动轨迹。[0041]姿态测量模块可采用miniAHRS姿态模块，该模块由STM32F103T8主控芯片）、MPU6050加速度传感器）、HMC5883L三轴地磁传感器和BMP180气压高度传感器组成，可直接输出传感器原始测量值，通过对各传感器测量值进行解算，输出运动平台的俯仰角、偏航角、滚转角和高度。该姿态测量模块通过异步串行通信接口和控制模块通信。[0042]当有姿态数据发送到控制模块时，会产生一个中断。姿态数据中断函数流程图如图3所示:该程序识别出姿态数据帧的帧头后，将完整的一帧数据保存到缓冲区，当一帧数据接收完毕，会将接收标志位置位（即把标志位的值赋为1，等待接收程序读取数据。图3中，oxa5和ox5a表示数据帧的帧头。[0043]姿态数据接收程序流程图如图4所示:该程序首先读取接收标志位的值，确定一帧数据已经完整地保存在缓冲区内，然后经过校验无误后读取数据。图4中，Al类数据是解算后的姿态数据，A2类是传感器原始测量数据，它们是用两种帧发送的，所以需要分别解析。如果想要更新姿态数据，调用姿态数据接收程序即可（因为姿态接收函数直接把缓冲区的数据赋值给对应的变量，调用它可以更新变量的值）。[0044]位置确定模块采用WF-NE0-6M定位芯片，通过异步串行通信接口和控制模块通信。[0045]当有位置数据（即表示经炜度的位置数据发送到控制模块时，会产生一个中断。位置数据中断函数流程图如图5所示:该程序将数据保存到缓冲区，当一帧程序接收完毕，控制模块中的接收程序会将数据取到对应的变量中。[0046]位置数据接收程序流程图如图6:该程序首先读取接收标志位的值，确定一帧数据已经完整地保存在缓冲区内，然后经过校验无误后读取数据。如果想要更新位置数据，调用位置数据接收程序即可。[0047]电源模块包括两组12V的锂电池，它们均由3块18650锂电池串联而成，一组的保护板限流10A，为驱动模块单独供电；另一组的保护板限流5A，给所有芯片和舵机供电。[0048]驱动模块采用单桨双舵结构，包括RS-550高速电机、传动轴、螺旋桨、遥控器、舵机、拉杆和舵叶;其中，电机旋转通过传动轴带动螺旋桨;遥控器连接在电机和电源之间，可通过遥控器控制电机前进、后退、停止;舵机摇臂旋转通过拉杆带动舵叶。[0049]实施例中，控制模块包括航迹控制单元和航向控制单元，采用把航向控制和航迹控制分开的间接控制方法。控制算法框图如图7:航迹控制单元接收位置确定模块发送的实时位置数据，并与期望轨迹相比较，而后输出期望航向；航向控制单元接收期望航向和姿态确定模块发送的实时姿态数据，计算后输出舵角控制信号，从而控制舵机转向带动舵叶，使运动平台的姿态改变。[0050]值得注意的是，而在现有技术中，大多使用直接控制，控制模块同时接收姿态和位置数据，计算后输出舵角控制信号，虽然可以控制得更加精确，但是参数调节困难。而本方法采用间接控制是航向控制和航迹控制的相对分离，控制精确性基本不受影响，但参数调试更加简单。[0051]实施例中，航向控制使用抗饱和PID控制，避免了因机械结构限制而导致的积分器过饱和现象。[0052]航向控制模块中抗饱和PID算法的控制框图如图8所示，其中，[0053][0054]式中，0d是期望航向，是实际航向，V是不经限幅的舵角控制信号，u表示限幅后的舵角控制信号;此外，图8中，t表示时间，Kt^示比例系数，1^表示积分系数，Kd表示微分系数，Kf表示抗饱和反馈增益。[0055]当输出的^过小的时候，将11与^的差值正的）加到积分控制的过程中，可以使V增大；当输出的V过大，将u与V的差值负的）加到积分控制过程中，此时则减弱了积分控制，使输出的V变小；当输出的V在合理范围内，则u与V相等，等价于普通的PID控制。[0056]航迹控制使用视距导航法，不依赖于运动学模型，参数调试简单，其中：[0057]当期望航线是自西向东时如图9，航向角计算公式如下：[0058]Θ⑴=ak+arctane⑴Δ[0059]当期望航线是自东向西时如图10，航向角计算公式如下：[0060]Θ⑴=ak_arctane⑴Δ+π[0061]图9、图10中：Pk到Pk+1是期望航线。P⑴是船体所在位置，Pmt是船体位置到期望航线的投影点，Pdt是虚拟跟踪点，ak是期望航线与北方的夹角，Θ⑴是期望航向，e⑴是Pt与?》〇之间的距离（S卩，表示运动平台所在位置与它在期望航线上的投影点之间的距离），A是Pmt与Pdt之间的距离（S卩，表示运动平台所在位置在期望航线上的投影点与虚拟跟踪点之间的距离，是一个可调参数）。[0062]其中，ak计算公式如下：[0063]ak=Ji2-arctanyk+i-yk，xk+i_xk[0064]式中：Xk表示期望轨迹起点的经度，yk表示期望轨迹起点的炜度;Xk+1表示期望轨迹目标点的经度;71+1表示期望轨迹目标点的炜度。[0065]当期望航线是自西向东时如图9，e⑴计算公式如下：[0066]et=xt-xkcos〇k-yt-yksin〇k[0067]当期望航线是自东向西时如图10，e⑴计算公式如下：[0068]et=Xt-xk+icosak-yt-yk+isinak[0069]式中：X⑴表示运动平台所在位置的经度;y⑴表示运动平台所在位置的炜度。[0070]设置期望路径时，需要输入期望路径点，运动平台将沿各点顺序组成的折线运动。当运动平台航行过一条折线？1^\+1后，控制程序会将期望路径自动切换到下一条折线Pk+lPk+2,路径更新原则如下：[0071][0072]式中：R表示船体所在位置与目标航迹点之间的距离，是一个可调参数。[0073]当期望路径更新时，期望航向变化较大，会出现阶跃响应，因此加入一阶惯性滤波，来平滑导引算法获得的期望航向。经过平滑的航向为：[0074]=αθ⑴+l-a0dt-l[0075]式中：0dt表示经过平滑的期望航向；α表示滤波系数；Θ⑴表示上述视距导航法中计算得出的期望航向；9dt-Ι表示上一时刻经过平滑的期望航向。[0076]实施例中所述控制模块里面所有的运算程序可以使用c语言编写，当然也可以采用其它语言编写。[0077]本发明的软件部分采用模块化设计，各硬件模块有单独的底层程序，在控制过程中，只要调用该模块子程序，即可实现模块功能，程序结构清晰，方便修改算法。如果想要仿真别的航迹跟踪算法，只要修改航迹跟踪函数实施例中采用的是控制模块中将航向控制和航迹控制分开的间接控制方法，也可采用现有技术中的直接控制法），可移植性强；同时可以分别调试各模块，方便排错、更换芯片，节约成本。[0078]主程序结构图如图2所示，每0.5秒读取位置数据和姿态数据，然后经过控制算法的计算，输出舵机控制信号，以此来控制舵叶。[0079]各模块子程序介绍如下：[0080]①时钟部分：[0081]voidINIT_PLLvoid:晶振频率为16MHz，这个函数的功能是把总线频率超频到32MHz〇[0082]②GPS部分：[0083]voidINIT_SCI1void:初始化串口；[0084]unsignedcharchangeunsignedchar*a:GPS芯片的数据类型是符号型，这个函数把符号型变成对应的数字；[0085]voidGet_GPSvoid:从缓冲区中取出GPS数据；[0086]interrupt21voidUSART2_IRQHandler_GPSvoid:GPS数据接收中断函数；[0087]unsignedcharSum_check_GPSvoid:数据校验；[0088]voidUART2_CommandRoute_GPSvoid:GPS数据接收的主函数，调用这个函数可更新GPS数据。[0089]③miniAHRS部分：[0090]voidINIT_SCI0void:初始化串口；[0091]voidUART2_GetJMUvoid:取姿态数据；[0092]voidUART2_Get_Motionvoid:取ADC数据（即未经解码的数据）；[0093]voidinterrupt20USART2_IRQHandlervoid:数据接收中断；[0094]unsignedcharSum_checkvoid:数据校验；[0095]voidUART2_CommandRoutevoid:姿态数据接收的主函数，调用可更新姿态数据。[0096]④舵机部分：[0097]voidinit_pwmvoid:PffM信号初始化；[0098]voidruddervoid:根据控制模块的舵角信号，使舵机偏转一定角度。[0099]⑤控制模块部分：[0Ί00]floatatandfloatX:将三角函数重新定义，以角度为单位运算；[0101]voidcontrolvoid:航向、航迹控制函数。[0102]⑥PIT计时模块：[0103]voidinit_PIT:PIT模块初始化；[0104]interrupt66voidPIT_INTERvoid:每计时完毕后调用的中断函数。[0105]例如，当需要更新运动平台的姿态数据时，不需要调用miniAHRS模块全部的函数，只需要调用UART2_C〇mmandR〇Ute这个函数，即可完成姿态数据的更新；同样的，需要更新位置数据时，也只需要调用UART2_CommandRoute_GPS。[0106]本发明还可根据用户指定的海况模拟舰船甲板运动，包括横滚运动、俯仰运动、沉浮运动。所述甲板运动建模如下：[0107]海浪运动导致了舰船甲板运动，因此要模拟甲板运动必须先进行海浪建模。[0108]1海浪建模[0109]使用长峰波海浪模型，可把长峰波随机海浪看作由无数个频率不同、幅值不同、初相位不同的余弦波叠加而成，不考虑高次谐波，且研究某固定点海浪模型时，谐波幅值ξ可用下式表示：[0110][0111]式中：t表示时间，I1表示第i个谐波的幅值；ωi表示第i个谐波的角频率;ει表示第i个谐波的初相角在〇〜π随机均匀分布）。[0112]把海浪谱离散化即可得到对应频率谐波的能量值，所述海浪谱使用的是ITTC单参数谱，谐波能量值^的经验表达式如下：[0113][0114]式中：ω表示海浪频率;g表示重力加速度;h13表示有义波高。[0115]谐波能量值与谐波幅值的关系如下：[0116][0117]式中：ωi表示谐波频率;S;ωi表示谐波能量值;Ii表示谐波幅值。[0118]由此可计算出对应谐波的幅值。[0119]有效波倾角的计算，包括横滚有效波倾角αΦ3、俯仰有效波倾角αθ3、沉浮有效波倾角ξ，其计算公式如下：[0123]式中:β表示遭遇角；Of3i表示舰船遭遇频率^是航速;ΧΦ表示横滚有效波倾角修正系数;Xe表示俯仰有效波倾角修正系数;Xz表示沉浮有效波倾角修正系数。[0124]2甲板运动建模[0125]包括横滚运动传递函数、俯仰运动传递函数、沉浮运动传递函数，把上述有效波倾角作为系统输入，经过传递函数的计算，所得输出即为甲板姿态运动函数。[0126]其中，有效波倾角是上述与时间相关的公式，进行拉式变换后，变成带s的公式，s是自动化里面表示传递函数用的，进行拉式反变换之后会变成与时间相关的函数。将有效波倾角作为传递函数的输入，两式相乘即可得到带s的甲板姿态运动函数，再进行拉式反变换，才得到姿态角与时间相关的函数。甲板运动姿态函数是甲板的姿态角随时间变化的函数。所述传递函数如下：[0127]①横滚运动传递函数：[0128][0129]式中：ωφ表示舰船的横滚固有角频率Jd表示横滚转动惯量；ΔJ4l表示横滚附加转动惯量;D表示舰船排水质量;h表示横稳定中心高;ζφ表示横滚阻尼因子，与船的自身特性有关。[0130]②俯仰运动传递函数[0131][0132]式中：ωθ表示舰船的俯仰固有角频率：Me表示俯仰转动惯量；AJ0表示俯仰附加转动惯量;ζθ表示俯仰阻尼因子，与船的自身特性有关。[0133]③沉浮运动传递函数[0134][0135]式中：ωΖ表示舰船沉浮固有频率，λζ表示沉浮附加质量;ρ表示海水密度;3|表示舰船水线面面积;ζζ表示沉浮阻尼因子。[0136]尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

权利要求：1.一种船舶运动控制仿真平台，其特征在于，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实现运动控制；电源模块为运动平台的各模块供电；其中，姿态测量模块和位置确定模块均通过异步串行通信接口和控制模块连接通信；控制模块包括航向控制单元和航迹控制单元，航迹控制单元接收位置确定模块发送的实时位置数据，并与期望轨迹相比较，而后输出期望航向；航向控制单元接收航迹控制单元输出的期望航向和姿态确定模块发送的实时姿态数据，计算并输出期望姿态的控制信号，然后控制驱动模块改变运动平台的姿态；航迹跟踪计算包括航向和航迹的跟踪计算。2.根据权利要求1所述的船舶运动控制仿真平台，其特征在于：航向控制使用抗饱和PID控制法。3.根据权利要求1所述的船舶运动控制仿真平台，其特征在于:航迹控制使用视距导航法。4.根据权利要求1所述的船舶运动控制仿真平台，其特征在于:控制模块内置姿态数据中断程序和姿态数据接收程序，当有姿态数据发送到控制模块时，会产生一个中断，姿态数据中断程序识别出姿态数据帧的帧头后，待将完整的一帧数据保存到缓冲区，当一帧数据接收完毕，会将接收标志位置位，等待接收程序读取数据;姿态数据接收程序首先读取接收标志位的值，确定一帧数据已经完整地保存在缓冲区内，然后经过校验无误后读取数据;若想要更新姿态数据，调用姿态数据接收程序即可;控制模块内置位置数据中断程序和位置数据接收程序，当有位置数据发送到控制模块时，会产生一个中断，位置数据中断程序将数据保存到缓冲区，当一帧程序接收完毕，控制模块中的接收程序会将数据取到对应的变量中；位置数据接收程序首先读取接收标志位的值，确定一帧数据已经完整地保存在缓冲区内，然后经过校验无误后读取数据;若想要更新位置数据，调用位置数据接收程序即可。5.根据权利要求1所述的船舶运动控制仿真平台，其特征在于：姿态测量模块采用miniAHRS姿态模块，姿态测量模块输出运动平台的俯仰角、偏航角、滚转角和高度;位置确定模块采用WF-NE0-6M定位芯片。6.根据权利要求1所述的船舶运动控制仿真平台，其特征在于:所述驱动模块采用单桨双舵结构。7.根据权利要求6所述的船舶运动控制仿真平台，其特征在于:驱动模块包括电机、传动轴、螺旋桨、遥控器、舵机、拉杆和舵叶，其中，遥控器用于控制电机前进、后退、停止;电机旋转通过传动轴带动螺旋桨;舵机摇臂旋转通过拉杆带动舵叶。8.根据权利要求1所述的船舶运动控制仿真平台，其特征在于:控制模块中的软件部分采用模块化设计，各模块有单独的底层程序，以保证在控制过程中只要单独调用该模块子程序即可实现模块功能。9.根据权利要求1所述的船舶运动控制仿真平台，其特征在于:控制模块还内置甲板运动模型，通过控制模块进行海浪建模并得到各类有效波倾角，将得到的有效波倾角分别输入对应的运动传递函数，计算得到甲板姿态运动函数，再根据姿态测量模块反馈的姿态数据，结合甲板姿态运动函数进行计算，输出控制信号给驱动模块，以控制运动平台的姿态；其中，甲板运动包括横滚运动、俯仰运动、沉浮运动，有效波倾角包括横滚有效波倾角、俯仰有效波倾角、沉浮有效波倾角，传递函数包括横滚运动传递函数、俯仰运动传递函数、沉浮运动传递函数。10.—种船舶运动控制方法，其特征在于，将航向控制和航迹控制分开控制，先接收由船舶的实时位置数据，并与期望轨迹相比较，而后输出期望航向；然后接收输出的期望航向和船舶的实时姿态数据，计算并输出期望姿态的控制信号;再根据控制信号改变船舶的运动姿态。

百度查询： 南京航空航天大学 船舶运动控制仿真平台及船舶运动控制方法

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