專利名稱：深潛救生艇四自由度動力定位裝置及控位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種深潛救生艇動力定位系統(tǒng)，具體地說是通過監(jiān)督控制軟件 來實現(xiàn)深潛救生艇與受援潛艇對接的動力定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著科技的進步，潛艇技術(shù)也得到了長足的發(fā)展，潛艇的性能得到了極大 的提高。但是回顧潛艇的發(fā)展歷史卻發(fā)現(xiàn)，自潛艇被發(fā)明以來已經(jīng)發(fā)生了 170 多次事故，很多艇員因此而喪生。針對潛艇失事問題，很多國家都在研究對失 事潛艇內(nèi)艇員進行救生的方法。潛艇救生過程中使用的最多的方法是深潛救生 艇對口救生。對口救生是一種比較有效的救生方法，但在有些情況下海洋環(huán)境 比較復雜(如能見度低，存在大海流干擾等)，單純依靠艇員手動操作實現(xiàn)深潛 救生艇與失事潛艇的對接難度非常大，在這種情況下，對接過程就會拖的很長， 甚至根本不能完成對接任務。在深潛救生艇上安裝動力定位系統(tǒng)可以有效的解 決上述問題，從而使深潛救生艇與失事潛艇順利完成對接，提高對接的效率， 增加失事潛艇艇員生還的機率。
經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，美國專利US10233389A1講述了一種動力定位系統(tǒng)，該 動力定位系統(tǒng)可以保持水面艦船的位置和艏向，并且抵抗環(huán)境干擾，如風和浪 等。但是該動力定位系統(tǒng)只能應用在水面艦船，實現(xiàn)三自由度的動力定位，而 且沒有綜合顯示系統(tǒng)；美國專利US3857351描述了一個應用于深潛救生艇運載 工具的裝置，該裝置分為兩部分，前部含有一個聲納浮標，用來導引深潛救生 艇到指定的位置和一個機械鎖，用來將深潛救生艇固定在運載器上；后部也包 含一個機械鎖，用于固定深潛救生艇與運載器；美國專利US3507241，描述了 一個收放深潛救生艇的裝置，該裝置安裝在一艘雙體船上，位于雙體船的兩個 船體的中間，利用該裝置可以很方便的回收深潛救生艇；渤海艦船職業(yè)技術(shù)學 院馮素梅在《船舶》(2003年第3期)發(fā)表的文章《VS468型三用工作船動力 定位/操縱桿系統(tǒng)》，介紹了挪威的一套動力定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含電源系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)、推力系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)等，但是該系統(tǒng)只能應用到水面艦船，實現(xiàn)三自由度的動力定位。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以應用到深潛救生艇上，實現(xiàn)深潛救生艇的 四自由度動力定位的深潛救生艇四自由度動力定位系統(tǒng)。本發(fā)明的目的還在于 提供一種基于深潛救生艇四自由度動力定位系統(tǒng)的控位方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的
深潛救生艇四自由度動力定位系統(tǒng)的組成包括一臺綜合顯示計算機1 、 一臺
實時控制計算機12和一臺數(shù)據(jù)處理計算機3，共三臺PC104總線計算機， 一個 操縱盒2，高頻短基線聲納4，低頻短基線聲納5，兩臺水平槽道推進器9，兩 臺垂直槽道推進器IO，兩臺主推進器ll， 一臺羅經(jīng)8，濾波、控制和推力分配 算法6，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換板7;綜合顯示計算機l、實時控制計算機12、數(shù)據(jù)處 理計算機3通過以太網(wǎng)連接成一個局域網(wǎng)，以實現(xiàn)三者之間的數(shù)據(jù)交換，高頻 短基線聲納4和低頻短基線聲納5與數(shù)據(jù)處理計算機3相連接，操縱盒2通過 串口與綜合顯示計算機l相連，羅經(jīng)8通過串口與實時控制計算機12相連，實 時控制計算機12與數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換板7通過PC104總線相連接，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換 板7的輸出分別與兩臺水平槽道推進器9、兩臺垂直槽道推進器10和兩臺主推 進器11相連。
綜合顯示計算機1包含一套動力定位監(jiān)督控制軟件13，所述動力定位監(jiān)督 控制軟件13由深潛救生艇動力定位動態(tài)信息監(jiān)督軟件14、深潛救生艇及環(huán)境 信息存儲回放軟件15和控制命令交互軟件16三個子系統(tǒng)組成，其中深潛救生 艇動力定位動態(tài)信息監(jiān)督軟件14又包含定位狀態(tài)視圖17、推力器推力視圖18 和數(shù)據(jù)信息視圖19三個獨立的視圖。
兩臺主推力器11位于深潛救生艇的艉部，兩臺水平槽道推進器9對稱分布 在深潛救生艇的艏部和艉部，兩臺垂直槽道推進器10在深潛救生艇左右舷的舯 部。
基于深潛救生艇四自由度動力定位裝置的控位方法
(1) 操縱盒的操縱命令送到綜合顯示計算機，由綜合顯示計算機發(fā)送到實 時控制計算機，實時控制計算機按照操縱指令發(fā)出控制指令。
(2) 高、低頻短基線聲納采集深潛救生艇的位置和姿態(tài)信息并通過相應的接口傳遞給數(shù)據(jù)處理計算機，數(shù)據(jù)處理計算機對這些信息進行處理并將處理完 的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送給實時控制計算機；
C3)實時控制計算機接收數(shù)據(jù)處理計算機傳過來的經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)和羅經(jīng) 發(fā)出的航向信息，確定了深潛救生艇的位置和姿態(tài)，實時控制計算機將深潛救 生艇的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送給綜合顯示計算機，綜合顯示計算機將 相應的信息顯示在顯示器上；
(4) 實時控制計算機中的濾波和控制算法接收深潛救生艇的位置、姿態(tài)信 息和綜合顯示計算機發(fā)送的操縱指令，根據(jù)這些信息計算出四自由度動力定位 所需的控制指令；
(5) 實時控制計算機通過推力分配邏輯將控制指令轉(zhuǎn)換為實際推力器需要 的推力指令，并將推力指令發(fā)送給數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換板，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換板將數(shù)字量 轉(zhuǎn)換為模擬量，從而控制推力器產(chǎn)生需要的推力；
C6)綜合顯示計算機接收實時控制計算機發(fā)送的深潛救生艇的位置、姿態(tài) 信息和環(huán)境信息，并以圖形動畫的方式進行顯示，同時將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中； (7)綜合顯示計算機從數(shù)據(jù)庫中讀取歷史數(shù)據(jù)，模擬回放動力定位過程。 本發(fā)明的基于深潛救生艇四自由度動力定位系統(tǒng)的控位方法還可以包括
(1) 所述的深潛救生艇位置、姿態(tài)信息包括深潛救生艇的相對位置和絕對 位置、航向、縱傾、橫傾、深度和高度等。測量深潛救生艇上述信息的傳感器
為高頻短基線聲納、低頻短基線聲納、深度傳感器、測高聲納和羅經(jīng)等。
(2) 所述的把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的設備為PC104總線的數(shù)模轉(zhuǎn)換板。
(3) 本發(fā)明包含一套數(shù)據(jù)處理算法，用來對傳感器得到的數(shù)據(jù)進行濾波和融 合等。
(4) 操縱盒上設有工作方式按鍵(包括定向、定X、定Y、定深、變深、定 高)和其它輔助按鍵，通過綜合顯示計算機下達操縱指令、模擬回放和視圖切 換等命令。
本發(fā)明提出了一種四自由度動力定位系統(tǒng)，該動力定位系統(tǒng)可以應用到深 潛救生艇上，實現(xiàn)深潛救生艇的四自由度動力定位。而且本發(fā)明的監(jiān)督控制軟 件將要監(jiān)控的信息分門別類的組織到三個獨立的視圖當中，通過操縱盒可以方 便的切換視圖，從而査看需要的信息。另外，本發(fā)明將深潛救生艇在動力定位過程中的各種信息存儲到數(shù)據(jù)庫中，可以實現(xiàn)動力定位過程的模擬回放，方便 以后研究。
通過操縱盒觸發(fā)使綜合顯示計算機發(fā)出操縱指令，傳感器測得的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù) 據(jù)處理計算機處理之后傳遞給實時控制計算機，實時控制計算機中的濾波、控 制算法根據(jù)偏差調(diào)整自身參數(shù)并且計算控制指令，推力分配程序?qū)⒖刂浦噶钷D(zhuǎn) 變?yōu)橥屏ζ鞯膶嶋H推力指令并將該指令發(fā)送給數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置，數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置輸 出模擬量(一定的電壓)使推力器產(chǎn)生相應的推力，在推力器的作用下深潛救 生艇將向著目標點運動，同時實時控制計算機將各種信息打包后傳送給綜合顯 示計算機，綜合顯示計算機中的監(jiān)督控制軟件對接收到的數(shù)據(jù)進行解包并顯示 到視圖上，同時存儲到數(shù)據(jù)庫中。
采用上述方案設計的深潛救生艇動力定位系統(tǒng)能夠方便的實現(xiàn)深潛救生艇 的四自由度動力定位，而且操作人員可以實時的監(jiān)控整個深潛救生過程。救生 完成之后還可以進行模擬回放，方便研究之用。
圖1為深潛救生艇動力定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖； 圖2為監(jiān)督控制軟件的結(jié)構(gòu)圖； 圖3為數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)圖； 圖4為深潛救生艇推力器布置圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述
圖1說明了本發(fā)明的各個部件之間的連接關(guān)系，高頻短基線聲納4和低頻
短基線聲納5與數(shù)據(jù)處理計算機3相連接，操縱盒2和綜合顯示計算機1相連， 羅經(jīng)8與實時控制計算機12相連，濾波、控制和推力分配算法6加載到實時控 制計算機12，實時控制計算機12與數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換板7通過PC104總線相連接， 數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換板7的輸出分別與兩臺水平槽道推進器9，兩臺垂直槽道推進器 10，兩臺主推進器ll相連，綜合顯示計算機l、實時控制計算機12、數(shù)據(jù)處理 計算機3通過以太網(wǎng)連接成一個局域網(wǎng)。
圖2說明了綜合顯示計算機1中動力定位監(jiān)督控制軟件13的各個子系統(tǒng)之 間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，該軟件中的深潛救生艇動力定位動態(tài)信息監(jiān)督軟件14、深潛救生艇及環(huán)境信息存儲回放軟件15和控制命令交互軟件16 ^^個子系統(tǒng)由三個獨 立的線程實現(xiàn)，這樣三個子系統(tǒng)可以并行執(zhí)行且相互之間通過消息隊列的方式 進行通信，提高了軟件執(zhí)行的效率。
圖3是深潛救生艇動力定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)圖，該結(jié)構(gòu)圖說明了深潛 救生艇的整個動力定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息處理關(guān)系。操縱盒發(fā)送各種操縱指令給 主線程，主線程將操縱指令顯示在視圖界面上，同時將操縱指令發(fā)送給通信線 程，通信線程按照通信協(xié)議將操縱指令封裝成數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送給實時 控制計算機中的指令傳遞任務，該任務負責接收操縱指令數(shù)據(jù)包并檢驗數(shù)據(jù)包 的正確性，之后給通信線程一個應答，如果數(shù)據(jù)包正確，數(shù)據(jù)傳遞任務將解析 數(shù)據(jù)包并將解析完的操縱指令傳遞給控制器任務，如果不正確則要求綜合顯示 計算機重發(fā)；傳感器采集深潛救生艇的各種信息，并將信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理計 算機，數(shù)據(jù)處理計算機將各路信息進行濾波和融合之后按照通信協(xié)議進行封裝 成數(shù)據(jù)包，最后將整個數(shù)據(jù)包發(fā)送給實時控制計算機，實時控制計算機根據(jù)接 收到的深潛救生艇的信息和操縱指令利用濾波、控制算法得到推力指令，然后 通過該推力指令驅(qū)動各個推力器產(chǎn)生相應的推力；監(jiān)控數(shù)據(jù)處理任務將深潛救 生艇的信息和控制算法得到的推力指令信息封裝成數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送給通信線 程，通信線程將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給主線程，主線程將接收到的數(shù)據(jù)顯示到相應的視 圖中，并且將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)存取線程，數(shù)據(jù)存取線程將數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫中； 當操縱盒發(fā)送回放命令時，數(shù)據(jù)存取線程將按照設定的周期從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù) 據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給主線程，主線程將接收到的數(shù)據(jù)在相應的視圖上進行動 態(tài)顯示。
圖4說明了本發(fā)明的推力器分布情況，兩臺主推力器(B， C)位于深潛救 生艇的艉部，可以產(chǎn)生縱向推力；兩個側(cè)向推力器(D, F)對稱分布在深潛救 生艇的艏部和艉部，可以產(chǎn)生橫向推力和艏搖力矩；兩個垂向推力器(A, E) 分布在深潛救生艇左右舷的舯部，可以產(chǎn)生垂向推力。
權(quán)利要求
1、一種深潛救生艇四自由度動力定位裝置，它包括一臺綜合顯示計算機(1)、一臺實時控制計算機(12)和一臺數(shù)據(jù)處理計算機(3)，共三臺PC104總線計算機，一個操縱盒(2)，高頻短基線聲納(4)，低頻短基線聲納(5)，兩臺水平槽道推進器(9)，兩臺垂直槽道推進器(10)，兩臺主推進器(11)，一臺羅經(jīng)(8)，濾波、控制和推力分配算法(6)，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換板(7)；其特征在于綜合顯示計算機(1)、實時控制計算機(12)、數(shù)據(jù)處理計算機(3)通過以太網(wǎng)連接成一個局域網(wǎng)，以實現(xiàn)三者之間的數(shù)據(jù)交換，高頻短基線聲納(4)和低頻短基線聲納(5)與數(shù)據(jù)處理計算機(3)相連接，操縱盒(2)通過串口與綜合顯示計算機(1)相連，羅經(jīng)(8)通過串口與實時控制計算機(12)相連，實時控制計算機(12)與數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換板(7)通過PC104總線相連接，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換板(7)的輸出分別與兩臺水平槽道推進器(9)、兩臺垂直槽道推進器(10)和兩臺主推進器(11)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深潛救生艇四自由度動力定位裝置，其特征在于 綜合顯示計算機(1)包含一套動力定位監(jiān)督控制軟件(13)，所述動力定位監(jiān)督控制 軟件(13)由深潛救生艇動力定位動態(tài)信息監(jiān)督軟件(14)、深潛救生艇及環(huán)境信息 存儲回放軟件(15)和控制命令交互軟件(16)三個子系統(tǒng)組成，其中深潛救生艇動 力定位動態(tài)信息監(jiān)督軟件(14)又包含定位狀態(tài)視圖(17)、推力器推力視圖(18)和數(shù) 據(jù)信息視圖(19)三個獨立的視圖。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的深潛救生艇四自由度動力定位裝置，其特征 在于兩臺主推力器(ll)位于深潛救生艇的艉部，兩臺水平槽道推進器(9)對稱分 布在深潛救生艇的艏部和艉部，兩臺垂直槽道推進器(10)在深潛救生艇左右舷的 舯部。
4、 一種基于深潛救生艇四自由度動力定位系統(tǒng)的控位方法，其特征在于-(1) 操縱盒的操縱命令送到綜合顯示計算機，由綜合顯示計算機發(fā)送到實時 控制計算機，實時控制計算機按照操縱指令發(fā)出控制指令；(2) 高、低頻短基線聲納采集深潛救生艇的位置和姿態(tài)信息并通過相應的接 口傳遞給數(shù)據(jù)處理計算機，數(shù)據(jù)處理計算機對這些信息進行處理并將處理完的數(shù) 據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送給實時控制計算機；(3) 實時控制計算機接收數(shù)據(jù)處理計算機傳過來的經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)和羅經(jīng)發(fā)出的航向信息，確定了深潛救生艇的位置和姿態(tài)，實時控制計算機將深潛救生 艇的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送給綜合顯示計算機，綜合顯示計算機將相應 的信息顯示在顯示器上；(4) 實時控制計算機中的濾波和控制算法接收深潛救生艇的位置、姿態(tài)信息 和綜合顯示計算機發(fā)送的操縱指令，根據(jù)這些信息計算出四自由度動力定位所需 的控制指令；(5) 實時控制計算機通過推力分配邏輯將控制指令轉(zhuǎn)換為實際推力器需要 的推力指令，并將推力指令發(fā)送給數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換板，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換板將數(shù)字量轉(zhuǎn) 換為模擬量，從而控制推力器產(chǎn)生需要的推力；(6) 綜合顯示計算機接收實時控制計算機發(fā)送的深潛救生艇的位置、姿態(tài)信 息和環(huán)境信息，并以圖形動畫的方式進行顯示，同時將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中；(7) 綜合顯示計算機從數(shù)據(jù)庫中讀取歷史數(shù)據(jù)，模擬回放動力定位過程。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于深潛救生艇四自由度動力定位系統(tǒng)的控 位方法，其特征在于所述的深潛救生艇位置、姿態(tài)信息包括深潛救生艇的相 對位置和絕對位置、航向、縱傾、橫傾、深度和高度，測量深潛救生艇上述信息 的傳感器為高頻短基線聲納、低頻短基線聲納、深度傳感器、測高聲納和羅經(jīng)。
全文摘要
一種深潛救生艇四自由度動力定位裝置及控位方法。它包括三臺PC104總線計算機，一個操縱盒，高頻短基線定位系統(tǒng)，低頻短基線定位系統(tǒng)，一臺羅經(jīng)，六臺推力器，濾波、控制和推力分配算法，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換板。高頻短基線定位系統(tǒng)和低頻短基線定位系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理計算機相連，操縱盒與綜合顯示計算機相連，羅經(jīng)和六臺推力器與實時控制計算機相連，濾波、控制和推力分配算法以及數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換板加載到實時控制計算機中，三臺計算機通過以太網(wǎng)相連。本深潛救生艇動力定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)深潛救生艇的四自由度動力定位(X向、Y向、Z向和艏向)，方便操作人員實時監(jiān)控整個動力定位過程。救生工作完成之后還可以進行救生過程回放，方便研究之用。
文檔編號B63G8/00GK101607589SQ200910072530
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者夏國清, 張書寧, 施小成, 娟 李, 王元慧, 趙為光, 邊信黔 申請人:哈爾濱工程大學