深潜救生艇四自由度动力定位装置及控位方法.pdf

一种深潜救生艇四自由度动力定位装置及控位方法。它包括三台PC104总线计算机，一个操纵盒，高频短基线定位系统，低频短基线定位系统，一台罗经，六台推力器，滤波、控制和推力分配算法，数字/模拟转换板。高频短基线定位系统和低频短基线定位系统与数据处理计算机相连，操纵盒与综合显示计算机相连，罗经和六台推力器与实时控制计算机相连，滤波、控制和推力分配算法以及数字/模拟转换板加载到实时控制计算机中，三台计算机通过以太网相连。本深潜救生艇动力定位系统能够实现深潜救生艇的四自由度动力定位(X向、Y向、Z向和艏向)，方便操作人员实时监控整个动力定位过程。救生工作完成之后还可以进行救生过程回放，方便研究之用。

1、  一种深潜救生艇四自由度动力定位装置，它包括一台综合显示计算机(1)、一台实时控制计算机(12)和一台数据处理计算机(3)，共三台PC104总线计算机，一个操纵盒(2)，高频短基线声纳(4)，低频短基线声纳(5)，两台水平槽道推进器(9)，两台垂直槽道推进器(10)，两台主推进器(11)，一台罗经(8)，滤波、控制和推力分配算法(6)，数字/模拟转换板(7)；其特征在于：综合显示计算机(1)、实时控制计算机(12)、数据处理计算机(3)通过以太网连接成一个局域网，以实现三者之间的数据交换，高频短基线声纳(4)和低频短基线声纳(5)与数据处理计算机(3)相连接，操纵盒(2)通过串口与综合显示计算机(1)相连，罗经(8)通过串口与实时控制计算机(12)相连，实时控制计算机(12)与数字/模拟转换板(7)通过PC104总线相连接，数字/模拟转换板(7)的输出分别与两台水平槽道推进器(9)、两台垂直槽道推进器(10)和两台主推进器(11)相连。

2、  根据权利要求1所述的深潜救生艇四自由度动力定位装置，其特征在于：综合显示计算机(1)包含一套动力定位监督控制软件(13)，所述动力定位监督控制软件(13)由深潜救生艇动力定位动态信息监督软件(14)、深潜救生艇及环境信息存储回放软件(15)和控制命令交互软件(16)三个子系统组成，其中深潜救生艇动力定位动态信息监督软件(14)又包含定位状态视图(17)、推力器推力视图(18)和数据信息视图(19)三个独立的视图。

3、  根据权利要求1或2所述的深潜救生艇四自由度动力定位装置，其特征在于：两台主推力器(11)位于深潜救生艇的艉部，两台水平槽道推进器(9)对称分布在深潜救生艇的艏部和艉部，两台垂直槽道推进器(10)在深潜救生艇左右舷的舯部。

4、  一种基于深潜救生艇四自由度动力定位系统的控位方法，其特征在于：
(1)操纵盒的操纵命令送到综合显示计算机，由综合显示计算机发送到实时控制计算机，实时控制计算机按照操纵指令发出控制指令；
(2)高、低频短基线声纳采集深潜救生艇的位置和姿态信息并通过相应的接口传递给数据处理计算机，数据处理计算机对这些信息进行处理并将处理完的数据通过以太网发送给实时控制计算机；
(3)实时控制计算机接收数据处理计算机传过来的经过处理的数据和罗经发出的航向信息，确定了深潜救生艇的位置和姿态，实时控制计算机将深潜救生艇的位置和姿态数据通过以太网发送给综合显示计算机，综合显示计算机将相应的信息显示在显示器上；
(4)实时控制计算机中的滤波和控制算法接收深潜救生艇的位置、姿态信息和综合显示计算机发送的操纵指令，根据这些信息计算出四自由度动力定位所需的控制指令；
(5)实时控制计算机通过推力分配逻辑将控制指令转换为实际推力器需要的推力指令，并将推力指令发送给数字模拟转换板，数字模拟转换板将数字量转换为模拟量，从而控制推力器产生需要的推力；
(6)综合显示计算机接收实时控制计算机发送的深潜救生艇的位置、姿态信息和环境信息，并以图形动画的方式进行显示，同时将数据存储到数据库中；
(7)综合显示计算机从数据库中读取历史数据，模拟回放动力定位过程。

5、  根据权利要求4所述的一种基于深潜救生艇四自由度动力定位系统的控位方法，其特征在于：所述的深潜救生艇位置、姿态信息包括：深潜救生艇的相对位置和绝对位置、航向、纵倾、横倾、深度和高度，测量深潜救生艇上述信息的传感器为：高频短基线声纳、低频短基线声纳、深度传感器、测高声纳和罗经。

深潜救生艇四自由度动力定位装置及控位方法
技术领域
本发明涉及一种深潜救生艇动力定位系统，具体地说是通过监督控制软件来实现深潜救生艇与受援潜艇对接的动力定位系统。
背景技术
随着科技的进步，潜艇技术也得到了长足的发展，潜艇的性能得到了极大的提高。但是回顾潜艇的发展历史却发现，自潜艇被发明以来已经发生了170多次事故，很多艇员因此而丧生。针对潜艇失事问题，很多国家都在研究对失事潜艇内艇员进行救生的方法。潜艇救生过程中使用的最多的方法是深潜救生艇对口救生。对口救生是一种比较有效的救生方法，但在有些情况下海洋环境比较复杂(如能见度低，存在大海流干扰等)，单纯依靠艇员手动操作实现深潜救生艇与失事潜艇的对接难度非常大，在这种情况下，对接过程就会拖的很长，甚至根本不能完成对接任务。在深潜救生艇上安装动力定位系统可以有效的解决上述问题，从而使深潜救生艇与失事潜艇顺利完成对接，提高对接的效率，增加失事潜艇艇员生还的机率。
经文献检索发现，美国专利US10233389A1讲述了一种动力定位系统，该动力定位系统可以保持水面舰船的位置和艏向，并且抵抗环境干扰，如风和浪等。但是该动力定位系统只能应用在水面舰船，实现三自由度的动力定位，而且没有综合显示系统；美国专利US3857351描述了一个应用于深潜救生艇运载工具的装置，该装置分为两部分，前部含有一个声纳浮标，用来导引深潜救生艇到指定的位置和一个机械锁，用来将深潜救生艇固定在运载器上；后部也包含一个机械锁，用于固定深潜救生艇与运载器；美国专利US3507241，描述了一个收放深潜救生艇的装置，该装置安装在一艘双体船上，位于双体船的两个船体的中间，利用该装置可以很方便的回收深潜救生艇；渤海舰船职业技术学院冯素梅在《船舶》(2003年第3期)发表的文章《VS468型三用工作船动力定位/操纵杆系统》，介绍了挪威的一套动力定位系统，该系统包含电源系统、控制系统、推力系统和传感器系统等，但是该系统只能应用到水面舰船，实现三自由度的动力定位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以应用到深潜救生艇上，实现深潜救生艇的四自由度动力定位的深潜救生艇四自由度动力定位系统。本发明的目的还在于提供一种基于深潜救生艇四自由度动力定位系统的控位方法。
本发明的目的是这样实现的：
深潜救生艇四自由度动力定位系统的组成包括一台综合显示计算机1、一台实时控制计算机12和一台数据处理计算机3，共三台PC104总线计算机，一个操纵盒2，高频短基线声纳4，低频短基线声纳5，两台水平槽道推进器9，两台垂直槽道推进器10，两台主推进器11，一台罗经8，滤波、控制和推力分配算法6，数字/模拟转换板7；综合显示计算机1、实时控制计算机12、数据处理计算机3通过以太网连接成一个局域网，以实现三者之间的数据交换，高频短基线声纳4和低频短基线声纳5与数据处理计算机3相连接，操纵盒2通过串口与综合显示计算机1相连，罗经8通过串口与实时控制计算机12相连，实时控制计算机12与数字/模拟转换板7通过PC104总线相连接，数字/模拟转换板7的输出分别与两台水平槽道推进器9、两台垂直槽道推进器10和两台主推进器11相连。
综合显示计算机1包含一套动力定位监督控制软件13，所述动力定位监督控制软件13由深潜救生艇动力定位动态信息监督软件14、深潜救生艇及环境信息存储回放软件15和控制命令交互软件16三个子系统组成，其中深潜救生艇动力定位动态信息监督软件14又包含定位状态视图17、推力器推力视图18和数据信息视图19三个独立的视图。
两台主推力器11位于深潜救生艇的艉部，两台水平槽道推进器9对称分布在深潜救生艇的艏部和艉部，两台垂直槽道推进器10在深潜救生艇左右舷的舯部。
基于深潜救生艇四自由度动力定位装置的控位方法：
(1)操纵盒的操纵命令送到综合显示计算机，由综合显示计算机发送到实时控制计算机，实时控制计算机按照操纵指令发出控制指令。
(2)高、低频短基线声纳采集深潜救生艇的位置和姿态信息并通过相应的接口传递给数据处理计算机，数据处理计算机对这些信息进行处理并将处理完的数据通过以太网发送给实时控制计算机；
(3)实时控制计算机接收数据处理计算机传过来的经过处理的数据和罗经发出的航向信息，确定了深潜救生艇的位置和姿态，实时控制计算机将深潜救生艇的位置和姿态数据通过以太网发送给综合显示计算机，综合显示计算机将相应的信息显示在显示器上；
(4)实时控制计算机中的滤波和控制算法接收深潜救生艇的位置、姿态信息和综合显示计算机发送的操纵指令，根据这些信息计算出四自由度动力定位所需的控制指令；
(5)实时控制计算机通过推力分配逻辑将控制指令转换为实际推力器需要的推力指令，并将推力指令发送给数字模拟转换板，数字模拟转换板将数字量转换为模拟量，从而控制推力器产生需要的推力；
(6)综合显示计算机接收实时控制计算机发送的深潜救生艇的位置、姿态信息和环境信息，并以图形动画的方式进行显示，同时将数据存储到数据库中；
(7)综合显示计算机从数据库中读取历史数据，模拟回放动力定位过程。
本发明的基于深潜救生艇四自由度动力定位系统的控位方法还可以包括：
(1)所述的深潜救生艇位置、姿态信息包括：深潜救生艇的相对位置和绝对位置、航向、纵倾、横倾、深度和高度等。测量深潜救生艇上述信息的传感器为：高频短基线声纳、低频短基线声纳、深度传感器、测高声纳和罗经等。
(2)所述的把数字信号转换为模拟信号的设备为PC104总线的数模转换板。
(3)本发明包含一套数据处理算法，用来对传感器得到的数据进行滤波和融合等。
(4)操纵盒上设有工作方式按键(包括定向、定X、定Y、定深、变深、定高)和其它辅助按键，通过综合显示计算机下达操纵指令、模拟回放和视图切换等命令。
本发明提出了一种四自由度动力定位系统，该动力定位系统可以应用到深潜救生艇上，实现深潜救生艇的四自由度动力定位。而且本发明的监督控制软件将要监控的信息分门别类的组织到三个独立的视图当中，通过操纵盒可以方便的切换视图，从而查看需要的信息。另外，本发明将深潜救生艇在动力定位过程中的各种信息存储到数据库中，可以实现动力定位过程的模拟回放，方便以后研究。
通过操纵盒触发使综合显示计算机发出操纵指令，传感器测得的数据经数据处理计算机处理之后传递给实时控制计算机，实时控制计算机中的滤波、控制算法根据偏差调整自身参数并且计算控制指令，推力分配程序将控制指令转变为推力器的实际推力指令并将该指令发送给数模转换装置，数模转换装置输出模拟量(一定的电压)使推力器产生相应的推力，在推力器的作用下深潜救生艇将向着目标点运动，同时实时控制计算机将各种信息打包后传送给综合显示计算机，综合显示计算机中的监督控制软件对接收到的数据进行解包并显示到视图上，同时存储到数据库中。
采用上述方案设计的深潜救生艇动力定位系统能够方便的实现深潜救生艇的四自由度动力定位，而且操作人员可以实时的监控整个深潜救生过程。救生完成之后还可以进行模拟回放，方便研究之用。
附图说明
图1为深潜救生艇动力定位系统的结构图；
图2为监督控制软件的结构图；
图3为数据处理结构图；
图4为深潜救生艇推力器布置图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
图1说明了本发明的各个部件之间的连接关系，高频短基线声纳4和低频短基线声纳5与数据处理计算机3相连接，操纵盒2和综合显示计算机1相连，罗经8与实时控制计算机12相连，滤波、控制和推力分配算法6加载到实时控制计算机12，实时控制计算机12与数字/模拟转换板7通过PC104总线相连接，数字/模拟转换板7的输出分别与两台水平槽道推进器9，两台垂直槽道推进器10，两台主推进器11相连，综合显示计算机1、实时控制计算机12、数据处理计算机3通过以太网连接成一个局域网。
图2说明了综合显示计算机1中动力定位监督控制软件13的各个子系统之间的结构关系，该软件中的深潜救生艇动力定位动态信息监督软件14、深潜救生艇及环境信息存储回放软件15和控制命令交互软件16三个子系统由三个独立的线程实现，这样三个子系统可以并行执行且相互之间通过消息队列的方式进行通信，提高了软件执行的效率。
图3是深潜救生艇动力定位系统的数据处理结构图，该结构图说明了深潜救生艇的整个动力定位系统的数据信息处理关系。操纵盒发送各种操纵指令给主线程，主线程将操纵指令显示在视图界面上，同时将操纵指令发送给通信线程，通信线程按照通信协议将操纵指令封装成数据包，并将数据包发送给实时控制计算机中的指令传递任务，该任务负责接收操纵指令数据包并检验数据包的正确性，之后给通信线程一个应答，如果数据包正确，数据传递任务将解析数据包并将解析完的操纵指令传递给控制器任务，如果不正确则要求综合显示计算机重发；传感器采集深潜救生艇的各种信息，并将信息发送给数据处理计算机，数据处理计算机将各路信息进行滤波和融合之后按照通信协议进行封装成数据包，最后将整个数据包发送给实时控制计算机，实时控制计算机根据接收到的深潜救生艇的信息和操纵指令利用滤波、控制算法得到推力指令，然后通过该推力指令驱动各个推力器产生相应的推力；监控数据处理任务将深潜救生艇的信息和控制算法得到的推力指令信息封装成数据包，然后发送给通信线程，通信线程将数据包转发给主线程，主线程将接收到的数据显示到相应的视图中，并且将数据发送给数据存取线程，数据存取线程将数据存放到数据库中；当操纵盒发送回放命令时，数据存取线程将按照设定的周期从数据库中读取数据，然后将数据发送给主线程，主线程将接收到的数据在相应的视图上进行动态显示。
图4说明了本发明的推力器分布情况，两台主推力器(B，C)位于深潜救生艇的艉部，可以产生纵向推力；两个侧向推力器(D，F)对称分布在深潜救生艇的艏部和艉部，可以产生横向推力和艏摇力矩；两个垂向推力器(A，E)分布在深潜救生艇左右舷的舯部，可以产生垂向推力。