本發(fā)明涉及船舶與海洋工程，具體涉及一種用于船模操縱試驗(yàn)的定向航行智能測(cè)控系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、目前，船模操縱試驗(yàn)大多采用鍵盤(pán)面板或手柄進(jìn)行遠(yuǎn)程手操，然而這些傳統(tǒng)操控方式存在諸多弊端。其操作步驟繁雜，使用者需依次完成多個(gè)指令操作，耗費(fèi)大量時(shí)間與精力，且易因步驟繁雜而出現(xiàn)操作失誤。并且在精準(zhǔn)度和靈活性上，它們也難以滿足精細(xì)、復(fù)雜的操縱要求，在精確控制場(chǎng)景中常表現(xiàn)得力不從心，這對(duì)船模操縱試驗(yàn)的效果及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的保證都將產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重制約了該領(lǐng)域的發(fā)展與進(jìn)步。

2、使用鍵盤(pán)面板或遙控手柄遠(yuǎn)程操控船模行駛時(shí)，由于按鍵指令過(guò)多、操作步驟復(fù)雜，這種手操控舵改變船模行駛方向的方式都不易上手且易出錯(cuò)，需要操作人員全程保持高度的精神集中并實(shí)時(shí)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整操作。而且由于每個(gè)操作人員的操控熟練度和操作方式的不同，操控船模的航向穩(wěn)定性就無(wú)法很好的保證，甚至?xí)苯佑绊懙酱Ｔ囼?yàn)的性能測(cè)試結(jié)果，且工作人員需時(shí)刻觀察船模姿態(tài)以及水池波浪來(lái)向、大小等變化情況，并及時(shí)操控手柄控船模打舵，從而盡可能的保持船模的航向穩(wěn)定，因此該方式存在人為操控誤差影響大、遙控操作內(nèi)容步驟多、船模航行航向不穩(wěn)定、試驗(yàn)結(jié)果誤差大等問(wèn)題。

3、且目前現(xiàn)有的船模操縱試驗(yàn)系統(tǒng)基本都是只具備基礎(chǔ)的船模手操航行功能，無(wú)法同步對(duì)船模的陀螺儀信號(hào)、加速度信號(hào)等傳感器信號(hào)實(shí)時(shí)采集，這樣將極不利于船模操縱試驗(yàn)的整體數(shù)據(jù)分析及試驗(yàn)的進(jìn)行。

4、因此，亟需一種用于船模操縱試驗(yàn)的定向航行智能測(cè)控系統(tǒng)和方法以有效的減少工作人員的操作復(fù)雜度，提高工作效率，更加準(zhǔn)確高效地完成船模操縱試驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決目前船模操縱試驗(yàn)中操縱控制方式需人工觀察及操控導(dǎo)致的誤差影響大、工作效率低等問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用于船模操縱試驗(yàn)的定向航行智能測(cè)控系統(tǒng)，能夠避免各傳感器因傳感器自身溫漂等原因產(chǎn)生的信號(hào)零漂問(wèn)題，更準(zhǔn)確地校準(zhǔn)和測(cè)量每個(gè)時(shí)刻的實(shí)際航向角，并結(jié)合數(shù)據(jù)融合算法有效提高了測(cè)量精度和可靠性，此外降低了技術(shù)人員的操作復(fù)雜度，同時(shí)豐富了傳統(tǒng)船模操縱試驗(yàn)控制系統(tǒng)所不具備的功能多樣性，從而極大地提高了試驗(yàn)的工作效率。本發(fā)明還提供一種用于船模操縱試驗(yàn)的定向航行智能測(cè)控方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種用于船模操縱試驗(yàn)的定向航行智能測(cè)控系統(tǒng)，其特征在于，包括船舶模型，設(shè)置在觀測(cè)室內(nèi)的上位機(jī)，以及均設(shè)置在船舶模型上的計(jì)算機(jī)終端、運(yùn)動(dòng)控制器、舵機(jī)和多個(gè)傳感器，

4、所述上位機(jī)與計(jì)算機(jī)終端無(wú)線連接，計(jì)算機(jī)終端與運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)數(shù)據(jù)線纜相連，當(dāng)位于上位機(jī)操控端上的采零按鈕被觸發(fā)后自動(dòng)生成采零指令信號(hào)，上位機(jī)將采零指令信號(hào)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)發(fā)送至計(jì)算機(jī)終端；計(jì)算機(jī)終端接收采零指令信號(hào)并同步獲取每個(gè)傳感器采集的船舶模型在某一段時(shí)間內(nèi)的航向角數(shù)據(jù)集合，再計(jì)算出每個(gè)傳感器在該段時(shí)間內(nèi)的航向角平均值并作為零點(diǎn)值，根據(jù)各個(gè)傳感器的零點(diǎn)值并采用數(shù)據(jù)融合算法計(jì)算出綜合零點(diǎn)值，并將綜合零點(diǎn)值通過(guò)數(shù)據(jù)線纜發(fā)送至運(yùn)動(dòng)控制器；

5、所述運(yùn)動(dòng)控制器分別與上位機(jī)、舵機(jī)及各個(gè)傳感器相連，當(dāng)位于上位機(jī)操控端上的自動(dòng)定向航行按鈕被觸發(fā)后自動(dòng)生成定向航行指令信號(hào)，將定向航行指令信號(hào)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)發(fā)送至運(yùn)動(dòng)控制器；運(yùn)動(dòng)控制器接收定向航行指令信號(hào)并控制各個(gè)傳感器實(shí)時(shí)采集船舶模型在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)每個(gè)時(shí)刻的當(dāng)前航向角，根據(jù)各個(gè)傳感器采集的當(dāng)前航向角并采用數(shù)據(jù)融合算法計(jì)算出當(dāng)前綜合航向角，基于綜合零點(diǎn)值對(duì)當(dāng)前綜合航向角進(jìn)行校正，得到每個(gè)時(shí)刻的實(shí)際航向角，再根據(jù)實(shí)際航向角和預(yù)設(shè)的目標(biāo)航向角計(jì)算出航向偏差角，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻及當(dāng)前時(shí)刻的前一時(shí)刻的航向偏差角分別計(jì)算出航向偏差角累計(jì)量和航向偏差角變化率，基于當(dāng)前時(shí)刻的航向偏差角、航向偏差角累計(jì)量以及航向偏差角變化率，并采用偏差調(diào)節(jié)算法計(jì)算出抑制船舶模型偏航所需要的脈沖占空比，將脈沖占空比通過(guò)信號(hào)線纜發(fā)送至舵機(jī)，舵機(jī)根據(jù)接收到的脈沖占空比驅(qū)動(dòng)船舶模型的船舵實(shí)時(shí)打舵，實(shí)現(xiàn)船舶模型的定向航行控制。

6、優(yōu)選地，還包括設(shè)置在船舶模型上的ni采集卡，所述ni采集卡與計(jì)算機(jī)終端相連，通過(guò)ni采集卡對(duì)各個(gè)傳感器的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集并保存至計(jì)算機(jī)終端。

7、優(yōu)選地，還包括設(shè)置在船舶模型上的電機(jī)，所述電機(jī)分別與運(yùn)動(dòng)控制器和船舶模型的螺旋槳相連，運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩?qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生水動(dòng)力，以控制船舶模型的前進(jìn)、停止及后退。

8、優(yōu)選地，還包括供電電源，所述供電電源分別與上位機(jī)、計(jì)算機(jī)終端、運(yùn)動(dòng)控制器、傳感器、舵機(jī)以及電機(jī)相連，負(fù)責(zé)提供各個(gè)部分的電源供應(yīng)。

9、優(yōu)選地，所述傳感器包括陀螺儀傳感器、加速度傳感器和磁傳感器。

10、一種用于船模操縱試驗(yàn)的定向航行智能測(cè)控方法，其特征在于，包括以下步驟：

11、s1：在觀測(cè)室內(nèi)設(shè)置上位機(jī)，并在船舶模型上分別設(shè)置計(jì)算機(jī)終端、運(yùn)動(dòng)控制器、舵機(jī)以及多個(gè)傳感器；

12、s2：位于上位機(jī)操控端上的采零按鈕被觸發(fā)后自動(dòng)生成采零指令信號(hào)，上位機(jī)將采零指令信號(hào)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)發(fā)送至計(jì)算機(jī)終端；計(jì)算機(jī)終端接收采零指令信號(hào)并同步獲取每個(gè)傳感器采集的船舶模型在某一段時(shí)間內(nèi)的航向角數(shù)據(jù)集合，再計(jì)算出每個(gè)傳感器在該段時(shí)間內(nèi)的航向角平均值并作為零點(diǎn)值，根據(jù)各個(gè)傳感器的零點(diǎn)值并采用數(shù)據(jù)融合算法計(jì)算出綜合零點(diǎn)值，并將綜合零點(diǎn)值通過(guò)數(shù)據(jù)線纜發(fā)送至運(yùn)動(dòng)控制器；

13、s3：位于上位機(jī)操控端上的自動(dòng)定向航行按鈕被觸發(fā)后自動(dòng)生成定向航行指令信號(hào)，將定向航行指令信號(hào)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)發(fā)送至運(yùn)動(dòng)控制器；運(yùn)動(dòng)控制器接收定向航行指令信號(hào)并控制各個(gè)傳感器實(shí)時(shí)采集船舶模型在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)每個(gè)時(shí)刻的當(dāng)前航向角，根據(jù)各個(gè)傳感器采集的當(dāng)前航向角并采用數(shù)據(jù)融合算法計(jì)算出當(dāng)前綜合航向角，再基于綜合零點(diǎn)值對(duì)當(dāng)前綜合航向角進(jìn)行校正，得到每個(gè)時(shí)刻的實(shí)際航向角，然后根據(jù)實(shí)際航向角和預(yù)設(shè)的目標(biāo)航向角計(jì)算出航向偏差角；

14、s4：由運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻及當(dāng)前時(shí)刻的前一時(shí)刻的航向偏差角分別計(jì)算出航向偏差角累計(jì)量和航向偏差角變化率，基于當(dāng)前時(shí)刻的航向偏差角、航向偏差角累計(jì)量以及航向偏差角變化率，并采用偏差調(diào)節(jié)算法計(jì)算出抑制船舶模型偏航所需要的脈沖占空比，并將脈沖占空比通過(guò)信號(hào)線纜發(fā)送至舵機(jī)，舵機(jī)根據(jù)接收到的脈沖占空比驅(qū)動(dòng)船舶模型的船舵實(shí)時(shí)打舵，實(shí)現(xiàn)船舶模型的定向航行控制。

15、優(yōu)選地，所述s1步驟中，船舶模型上還設(shè)置ni采集卡；所述s2步驟中，通過(guò)ni采集卡對(duì)各個(gè)傳感器的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集并保存至計(jì)算機(jī)終端。

16、優(yōu)選地，所述s1步驟中，船舶模型上還設(shè)置電機(jī)；所述s4步驟中，運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩?qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)船舶模型的螺旋槳產(chǎn)生水動(dòng)力，以控制船舶模型的前進(jìn)、停止及后退。

17、優(yōu)選地，所述s1步驟中，還采用供電電源分別為上位機(jī)、計(jì)算機(jī)終端、運(yùn)動(dòng)控制器、傳感器、舵機(jī)以及電機(jī)提供電源供應(yīng)。

18、優(yōu)選地，所述s1步驟中，所述多個(gè)傳感器包括陀螺儀傳感器、加速度傳感器和磁傳感器。

19、本發(fā)明的有益效果為：

20、本發(fā)明提供的一種用于船模操縱試驗(yàn)的定向航行智能測(cè)控系統(tǒng)和方法，通過(guò)在觀測(cè)室內(nèi)設(shè)置上位機(jī)，在船舶模型(簡(jiǎn)稱船模)上分別設(shè)置計(jì)算機(jī)終端、運(yùn)動(dòng)控制器、陀螺儀傳感器和舵機(jī)，觀測(cè)室內(nèi)的該上位機(jī)即為遠(yuǎn)程上位機(jī)操控端，船舶模型上的計(jì)算機(jī)終端即本地計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理端，計(jì)算機(jī)終端接收上位機(jī)發(fā)出的采零指令信號(hào)并同步獲取每個(gè)傳感器采集的船舶模型在某一段時(shí)間內(nèi)的航向角數(shù)據(jù)集合，再計(jì)算出每個(gè)傳感器在該段時(shí)間內(nèi)的航向角平均值并作為零點(diǎn)值，根據(jù)各個(gè)傳感器的零點(diǎn)值并采用數(shù)據(jù)融合算法計(jì)算出綜合零點(diǎn)值，并將零點(diǎn)值通過(guò)數(shù)據(jù)線纜發(fā)送至運(yùn)動(dòng)控制器，從而避免各傳感器因傳感器自身溫漂等原因產(chǎn)生的信號(hào)零漂問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)控制器接收定向航行指令信號(hào)并控制各個(gè)傳感器實(shí)時(shí)采集船舶模型在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)每個(gè)時(shí)刻的當(dāng)前航向角，根據(jù)各個(gè)傳感器采集的當(dāng)前航向角并采用數(shù)據(jù)融合算法計(jì)算出當(dāng)前綜合航向角，基于綜合零點(diǎn)值對(duì)當(dāng)前綜合航向角進(jìn)行校正得到每個(gè)時(shí)刻的實(shí)際航向角，能夠更準(zhǔn)確地校準(zhǔn)和測(cè)量每個(gè)時(shí)刻的實(shí)際航向角，通過(guò)使用多種傳感器組合測(cè)量，并結(jié)合數(shù)據(jù)融合算法有效提高了測(cè)量精度和可靠性。然后基于實(shí)際航向角和預(yù)設(shè)的目標(biāo)航向角計(jì)算出航向偏差角，并根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻及當(dāng)前時(shí)刻的前一時(shí)刻的兩個(gè)航向偏差角分別計(jì)算出航向偏差角累計(jì)量和航向偏差角變化率，進(jìn)而采用偏差調(diào)節(jié)算法計(jì)算出脈沖占空比，通過(guò)引入航向偏差角累計(jì)量有效解決了自然擾動(dòng)等因素的影響，減少了波浪對(duì)船模姿態(tài)產(chǎn)生的影響，有效消除了擾動(dòng)誤差；此外通過(guò)引入航向偏差角變化率(即航向角速度)有效解決了船模姿態(tài)的不同變化快慢的情況；最后將脈沖占空比通過(guò)信號(hào)線纜發(fā)送至舵機(jī)，舵機(jī)根據(jù)接收到的脈沖占空比驅(qū)動(dòng)船舶模型自身的船舵實(shí)時(shí)打舵，實(shí)現(xiàn)船舶模型的定向航行智能測(cè)控，有效提高了舵機(jī)調(diào)整船模航行方向的精度，極大的提高了船模操縱試驗(yàn)的航向穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，在提高了試驗(yàn)工作效率的同時(shí)極大的節(jié)約了人力，避免了由于不同操作人員操控熟練度或操作方式的不同而造成的船模航向不穩(wěn)定等問(wèn)題。通過(guò)本發(fā)明設(shè)計(jì)，船模在進(jìn)行操縱試驗(yàn)時(shí)可實(shí)時(shí)自動(dòng)操舵并控制船模航行方向，不再需要操作人員實(shí)時(shí)操控遙控手柄或鍵盤(pán)面板控制船模航向同時(shí)還要高度注意船模的姿態(tài)以及水池波浪的變化情況，這樣可有效地減輕工作人員的工作負(fù)擔(dān)及操作復(fù)雜度，極大地提高了工作效率，更加準(zhǔn)確高效地進(jìn)行船模操縱試驗(yàn)，同時(shí)提高了船模的穩(wěn)定性以及安全性。

21、本發(fā)明不僅可以實(shí)現(xiàn)船模操縱試驗(yàn)的自主定向航行的控制功能，即智能測(cè)控，船舶模型上的計(jì)算機(jī)終端可實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器的多通道、高頻率、同頻采樣以及數(shù)據(jù)保存(即可同時(shí)采集多個(gè)傳感器的模擬量信號(hào))，如陀螺儀信號(hào)、加速度信號(hào)等傳感器信號(hào)，為船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析提供了有力支撐，極大的豐富了傳統(tǒng)船模操縱試驗(yàn)設(shè)備所不具備的功能多樣性。此外，本發(fā)明通過(guò)引入航向偏差角累計(jì)量、航向偏差角變化率并采用偏差調(diào)節(jié)算法能夠?qū)较蜻M(jìn)行有效調(diào)控，使其不斷趨近于目標(biāo)航向角，以逐步縮小當(dāng)前航向角與目標(biāo)航向角之間的偏差，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)穩(wěn)定的模型航向控制效果。且不再依賴于傳統(tǒng)的遙控手柄手操方式，上位機(jī)與船模上的計(jì)算機(jī)終端通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)的方式建立完成，而局域網(wǎng)是通過(guò)一臺(tái)較小的移動(dòng)式無(wú)線局域網(wǎng)發(fā)射器完成搭建，基本不受場(chǎng)地環(huán)境條件限制，該通訊方式的建立與搭建是具有高效性與便攜性，可以在多個(gè)實(shí)驗(yàn)水池或工作場(chǎng)景中進(jìn)行搭建使用；由于遠(yuǎn)程上位機(jī)端與船模上的本地計(jì)算機(jī)端是通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和指令發(fā)送，而不是通過(guò)目前的遙控手柄解析器將解析的數(shù)據(jù)以不同電平的形式通過(guò)電纜連接到各接線端子上，有效的避免了信號(hào)線電纜松動(dòng)脫落等隱患問(wèn)題。本發(fā)明具有無(wú)線遠(yuǎn)程上位機(jī)控制，傳感器多信號(hào)實(shí)時(shí)采集及多路傳感器零點(diǎn)修正，以及船模自主定向航行的功能特點(diǎn)，使得船模航行更加穩(wěn)定準(zhǔn)確，從而極大地提高了試驗(yàn)的工作效率，降低技術(shù)人員的操作復(fù)雜度，同時(shí)豐富了傳統(tǒng)船模操縱試驗(yàn)控制系統(tǒng)所不具備的功能多樣性，為該類船模試驗(yàn)提供有力支撐。