本發(fā)明屬于動力定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于半潛船的動力定位系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺及方法。

背景技術(shù)：

海洋蘊(yùn)藏著人類可以利用的豐富自然資源，隨著陸地石油等能源的逐漸枯竭，人類對海洋資源的依賴也快速增加。為了開釆海洋資源，尤其是深海油氣，不受水深限制的船舶或海洋平臺成為研究的熱點(diǎn)。半潛船這種特種海運(yùn)船舶隨即誕生了。半潛船是專門從事運(yùn)輸大型海上石油鉆井平臺、大型艦船、潛艇、龍門吊、預(yù)制橋梁構(gòu)件等超長超重，但又無法分割吊運(yùn)的超大型設(shè)備。如中國“泰安口輪”半潛船，裝貨平臺就像一個足球場，裝卸大型浮貨物時可以下潛19米，裝載平臺沒入水深9米，泰安口輪總長156米，型寬32.2米，型深10米，載重量18000噸，可在海上承運(yùn)重10000噸以上的貨物。我國是繼荷蘭之后第二個掌握半潛船技術(shù)的國家，目前半潛船運(yùn)輸屬于高技術(shù)的寡頭壟斷行業(yè)，其在海洋資源開發(fā)、大型設(shè)備運(yùn)輸以及國防建設(shè)等方面發(fā)揮著巨大的作用。半潛船在裝貨時，通過自身的下潛與上浮，方便大型設(shè)備的裝載，半潛船也因此得名。在海洋尤其是深海海域中，要精確固位船身位置有一定難度，所以動力定位(dp)就成為了深海開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，船舶動力定位是指在風(fēng)浪流等持續(xù)擾動下，不借助錨泊系統(tǒng)，利用船舶本身的推進(jìn)裝置使船舶以一定的姿態(tài)保持在海面某目標(biāo)位置或精確地跟蹤某一給定軌跡，以完成各種作業(yè)任務(wù)，它具有控制精度高、靈活性好、成本不會隨水深增加而增加的優(yōu)點(diǎn)。

半潛船動力定位模擬器為操作者提供了“類實(shí)船操作”的方式，在研究過程中如何對所設(shè)計的動力定位系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行有效的驗(yàn)證是動力定位系統(tǒng)設(shè)計的主要問題，構(gòu)建和實(shí)船一樣的仿真系統(tǒng)對于降低實(shí)船調(diào)試成本和風(fēng)險，提高模型試驗(yàn)和實(shí)船海試效率，縮短系統(tǒng)設(shè)計周期，具有積極的作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技問題，本發(fā)明基于系統(tǒng)建模與仿真的校核、驗(yàn)證和驗(yàn)收技術(shù)，提供了一種基于半潛船的動力定位系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺及方法，旨在加速先進(jìn)控制理論在船舶動力定位系統(tǒng)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用。

本發(fā)明的仿真平臺所采用的技術(shù)方案是：一種基于半潛船的動力定位系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺，其特征在于：dp(dynamicpositioning，動力定位系統(tǒng))操作臺、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、仿真工作站、三維可視化工作站和投影機(jī)構(gòu)；

所述dp操作臺包括控制計算機(jī)、操作面板和仿真模塊；

所述控制計算機(jī)、仿真工作站、三維可視化工作站由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)通過以太網(wǎng)連接成一個局域網(wǎng)；

所述dp操作臺通過操作面板進(jìn)行指令控制三維可視化工作站，所述三維可視化工作站通過視頻線連接顯示仿真信息的投影機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明的仿真方法所采用的技術(shù)方案是：一種基于半潛船的動力定位系統(tǒng)半實(shí)物仿真方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：控制計算機(jī)通過操作面板設(shè)置控制指令，仿真工作站設(shè)定海洋環(huán)境信息；

步驟2：控制指令和海洋環(huán)境信息均送入控制計算機(jī)中；

步驟3：控制計算機(jī)讀取海洋環(huán)境信息和控制指令后進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)推力分配給出各個推進(jìn)器的控制指令，作用于船舶子模塊；

船舶子模塊根據(jù)當(dāng)前船舶所受到的合力力矩進(jìn)行運(yùn)動，并把當(dāng)前船舶狀態(tài)信息送給數(shù)學(xué)模型子模塊；

數(shù)學(xué)模型子模塊把當(dāng)前船舶狀態(tài)信息送給控制計算機(jī)，控制計算機(jī)處理后將船舶狀態(tài)信息送三維可視化工作站；

步驟4：三維可視化工作站根據(jù)船舶狀態(tài)信息和海洋環(huán)境信息進(jìn)行計算，通過投影機(jī)構(gòu)進(jìn)行投影仿真。

本發(fā)明是一種具有結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活、調(diào)試方便、性能穩(wěn)定、仿真效果好等特點(diǎn)的動力定位半實(shí)物仿真平臺。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的dp操作臺正視圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的dp操作臺側(cè)視圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的dp操作臺的操作面板示意圖。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請見圖1和圖2，本發(fā)明提供的一種基于半潛船的動力定位系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺，dp(dynamicpositioning，動力定位系統(tǒng))操作臺、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、仿真工作站、三維可視化工作站和投影機(jī)構(gòu)；dp操作臺包括控制計算機(jī)、操作面板和仿真模塊；仿真模塊由海洋環(huán)境子模塊、數(shù)學(xué)模型子模塊和船舶子模塊組成；

控制計算機(jī)、仿真工作站、三維可視化工作站由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)通過以太網(wǎng)連接成一個局域網(wǎng)；dp操作臺通過操作面板進(jìn)行指令控制三維可視化工作站，三維可視化工作站通過視頻線連接顯示仿真信息的投影機(jī)構(gòu)。

本實(shí)施例的仿真工作站采用的是高性能計算機(jī)主機(jī)。

為了建立和執(zhí)行一個動力定位指令，操作者通過dp操作臺來控制動力定位船舶。dp操作臺主要實(shí)現(xiàn)動力定位系統(tǒng)的信息顯示和人機(jī)交互，包括顯示界面、操作面板、操縱桿控制模式選擇模塊以及手動切換開關(guān)，其中顯示界面包括船舶位置和姿態(tài)信息顯示、船舶運(yùn)行狀態(tài)二維顯示以及推進(jìn)器組態(tài)信息。操作人員根據(jù)作業(yè)任務(wù)，通過操作面板實(shí)現(xiàn)船舶的操縱，可以進(jìn)行工作模式設(shè)定，控制船舶運(yùn)動等操作。

在dp操作臺上可以對船舶的兩個吊艙推進(jìn)器和兩個側(cè)推器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)對船舶的動力定位操作。根據(jù)風(fēng)、浪、流等不同的外部條件狀況，以及船舶位置和艏向等外部參數(shù)的變化，實(shí)時調(diào)整各個吊艙推進(jìn)器及側(cè)推器的動作，使船舶穩(wěn)定于期望的gps位置。

本實(shí)施例的投影機(jī)構(gòu)由投影儀和投影幕布構(gòu)成，投影儀將三維可視化仿真信息投影在投影幕布上?？刂朴嬎銠C(jī)輸出端口連接顯示器，通過動力定位系統(tǒng)控制軟件在顯示器上顯示人機(jī)界面。

請見圖3，為本發(fā)明實(shí)施例的dp操作臺的操作面板示意圖，操作面板上左邊依次為dpctrl(dp接管)按鈕、systemactive(系統(tǒng)運(yùn)行)按鈕，按下后提示燈亮，表示dp操作臺供電成功，可以進(jìn)行dp控制；dpctrl下方配置了一個360°電位器，起到航向控制的作用；當(dāng)本仿真平臺有故障時，例如某壓力傳感器故障，無法監(jiān)測數(shù)據(jù)，alarm(報警)紅色指示燈會閃爍，并伴有蜂鳴警報。按下buzzerstop(消音)和flickerstop(消閃)按鈕可進(jìn)行消音、消閃；蜂鳴器下方是一個操作模式選擇旋鈕，可選擇dp操作臺自動或手動操作模式；右側(cè)為操作桿起動按鈕和操作桿，可在手動模式下配合航向旋鈕控制船舶的航向和位置。

dp操作臺作為船舶及海洋平臺模擬器的重要組成部分，可實(shí)現(xiàn)的操作功能主要有：dp接管后的自動定位、手動定位、控制權(quán)轉(zhuǎn)讓、實(shí)時顯示相關(guān)數(shù)據(jù)、故障報警等。dp操作臺依據(jù)建立好的船舶運(yùn)動數(shù)學(xué)模型，將定位指令通過智能算法分配到推力單元，使船舶完成橫向、縱向以及轉(zhuǎn)艏運(yùn)動，并在顯示器上實(shí)時提供船舶操縱桿、位置、艏向和航行速度等圖形界面。

本發(fā)明提供的一種基于半潛船的動力定位系統(tǒng)半實(shí)物仿真方法，包括以下步驟：

步驟1：控制計算機(jī)通過操作面板設(shè)置控制指令，仿真工作站設(shè)定海洋環(huán)境信息；

步驟2：控制指令和海洋環(huán)境信息均送入控制計算機(jī)中；

步驟3：控制計算機(jī)讀取海洋環(huán)境信息和控制指令后進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)推力分配給出各個推進(jìn)器的控制指令，作用于船舶子模塊；其運(yùn)算過程是，通過模糊算法對位置偏差的處理，得到船舶動力定位所需的廣義力，建立推力分配目標(biāo)，用遺傳算法實(shí)現(xiàn)推力指令的分配，并用四階龍格-庫塔算法推算船舶的實(shí)時位置狀態(tài)。

本實(shí)施例在matlab中建立了dp系統(tǒng)的仿真程序，其主函數(shù)定義為：function[t,u,v,rdeg,x,y,psideg,v,prop]＝positionfuzzy(x1,uwind,uwave,ucur,uprop,d,t_final,h,position_command)。

其中，輸入?yún)?shù)x1為船舶的初始狀態(tài)信息，為6維數(shù)組，分別為船舶x方向速度、y方向速度、轉(zhuǎn)艏角速度rdeg、x方向位移、y方向位移和艏向角psideg；uwind為包含風(fēng)角度和風(fēng)速的二維數(shù)組；uwave表示浪的方向；ucur為包含流的角度和流速的二維數(shù)組；uprop為包含推進(jìn)器的初始轉(zhuǎn)速和方向信息的六維數(shù)組，分別為1號推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速、1號推進(jìn)器的方向、2號推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速、2號推進(jìn)器的方向、3號推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速和4號推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速；d表示船舶吃水，取7.5m；t_final為仿真時間；h為仿真步長；position_command表示指令位置和艏向。

輸出的參數(shù)[t,u,v,rdeg,x,y,psideg,v]分別表示仿真時間、船舶x方向速度、y方向速度、轉(zhuǎn)艏角速度、x方向位移、y方向位移、艏向角、合速度和各個推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速和方向。

船舶子模塊根據(jù)當(dāng)前船舶所受到的合力力矩進(jìn)行運(yùn)動，并把當(dāng)前船舶狀態(tài)信息送給數(shù)學(xué)模型子模塊；

數(shù)學(xué)模型子模塊把當(dāng)前船舶狀態(tài)信息送給控制計算機(jī)，控制計算機(jī)處理后將船舶狀態(tài)信息送三維可視化工作站；

本實(shí)施例最后選定工況，運(yùn)行程序，驗(yàn)證分析了其準(zhǔn)確性。

本實(shí)施例為操作者提供了“類實(shí)船操作”的方式，通過計算機(jī)模型與半實(shí)物聯(lián)合仿真，真實(shí)模擬了母型船“泰安口”號的動力定位系統(tǒng)，能夠完成對操作者專業(yè)技能的訓(xùn)練、評估和考核等工作。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。