一种船舶自动舵算法测试仿真系统技术方案

本发明专利技术公开了一种船舶自动舵算法测试仿真系统，包括主框架、标准电子海图模块、船舶运动数学模型模块、航海计算工具箱模块、航线设计模块和自动舵控制器模块。本发明专利技术构建了标准电子海图模块，该模块基于国际标准的电子海图，能够加载全球的S57格式电子海图数据，且可任意比例尺无级缩放浏览全球海图，具多种数据显示方式和颜色显示方案，整个界面简洁美观。本发明专利技术可以设置不同的风流情况，使得船舶可以在逼真的海上干扰情况下模拟航行。使用者可以不受时间、地点的限制，可以在全球任意海域，大范围长时间的测试船舶自动舵，从而解决船舶自动舵实船测试存在风险大、调试周期长、费用高的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种船舶自动舵算法测试仿真系统
本专利技术涉及航海仿真领域中的一种船舶自动舵算法测试仿真系统。
技术介绍
水运是地区与地区之间、国与国之间进行大宗贸易最为有效的运输方式。世界经济发展水平的提高，促使各地区、各国之间贸易交往逐步深入，且交易量不断增大，从而导致海上交通密度不断增大，而且，船舶在海上航行时不可避免地会受到风、浪、流、雾、礁等因素的影响，对船舶运行产生干扰，因此，船舶运动控制是一个重要的研究领域，船舶运动控制器设计是其中一个重要的研究课题，其最终目标是提高船舶自动化、智能化水平，保证船舶航行的安全性、经济性和舒适性。控制论的全面繁荣为船舶运动控制器的设计提供了很多控制算法。特别是神经网络控制、模糊控制、混合智能控制、H∞鲁棒控制和非线性控制等理论都被不同程度地引入到船舶运动控制器的设计领域，为船舶运动控制学科的发展注入了活力。传统的自动舵算法从提出到投入工程实践的过程中需要多次上船进行实船测试即循回式测试，这种测试方案费用昂贵、周期长、危险系数高，在产品不能保证航行安全时用户船长不允许尝试使用进行测试的新算法。在科学技术飞速发展的今天，计算机模拟仿真技术己经成为对许多复杂系统进行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段，它以数学理论为基础，以计算机和各种物理设施为设备工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验仿真研究的一门综合技术，主要有物理仿真、数字仿真和物理-数字混合仿真等方法。针对船舶自动舵实船测试存在风险大、调试周期长、费用高的缺点，并方便科研人员对自动舵算法的研究。因此，将计算机模拟仿真技术应用在船舶自动舵算法测试中，设计船舶自动舵算法测试仿真系统可以有效地解决此类问题。在已有的利用计算机模拟仿真技术设计的船舶自动舵算法测试仿真系统中，有利用Matlab中Simulink工具箱进行系统仿真验证自动舵算法控制性能，但是要将这些程序用到产品样机中，程序转换过程相当复杂且需很大工作量；有基于全任务船舶操纵模拟器的船舶自动舵仿真测试平台，由于是基于全任务船舶操纵模拟器，所以购买及运行成本都较高，不利于普及，并且使用的是自定义光栅矢量化海图，显示不美观；也有一种基于VB的船舶自动舵算法仿真测试平台，由于是基于VB实现，所以平台执行效率不高，不利于快速测试自动舵算法，同时其使用的是简易墨卡托海图，测试海域范围的大小受限，只设置4个比例尺，不能无级缩放显示。综上所述，当前的船舶自动舵算法测试系统主要存在以下问题：1、没有采用国际标准的电子海图，显示粗糙不美观，不适合长时间大海域范围的测试。2、在船舶自动舵算法测试时，无法实时调节自动舵算法的参数，以及无法实时修改测试航迹自动舵所需的航线。3、不能设置不同的仿真时间比例，从而无法快速测试船舶自动舵算法。目前，能提供与海上实际情况相近的基于国际标准电子海图、可实时调节参数、快速测试的船舶自动舵算法测试仿真系统却尚无先例。
技术实现思路
为解决现有船舶自动舵算法测试仿真系统的问题，本专利技术的目的是设计能提供与海上实际情况相近、实时调节参数、并且能设置仿真时间比例从而能够快速测试的一种船舶自动舵算法测试仿真系统。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种船舶自动舵算法测试仿真系统，包括主框架、标准电子海图模块、船舶运动数学模型模块、航海计算工具箱模块、航线设计模块和自动舵控制器模块；所述的主框架采用的是VisualC++的MFC的单文档程序，其他各模块采用动态链接库接口技术进行封装设计；所述的主框架是基于VisualC++的MFC的单文档程序，主要完成用户的交互显示界面，所述的交互显示界面包括主显示区、信息显示面板、环境设置面板、本船设置面板、操舵设置面板和操船面板；所述的主显示区包括显示绘制海图、活动距标圈、航线、本船图标和航迹；所述的信息显示面板包括显示本船的航向、航速、转艏角速度、纵横向速度、位置、目标航路点以及偏航距离；所述的环境设置面板用于设置修改自动舵算法测试时的外部干扰，外部干扰包括风速、风向、流速和流向；所述的本船设置面板用于选择自动舵算法测试时的船模，直接输入经纬度或通过鼠标设置本船位置，设置本船的航速和航向；所述的操舵设置面板用于选择操舵的类别和选择不同自动舵算法，以及设置仿真时间比例，仿真时间比例设为1或大于1，即仿真时间与实际时间的比例为1或大于1；所述的操船面板用于仿真测试的开关控制以及舵和车钟的控制和显示，同时也通过以调用动态链接库的形式与标准电子海图模块、船舶运动数学模型模块、航海计算工具箱模块、航线设计模块和自动舵控制器模块进行通讯；所述的标准电子海图模块解析S57国际标准的电子海图数据，采用S-52标准显示绘制海图，加载全球的S57格式电子海图数据，且以任意比例尺无级缩放浏览全球海图，具有三种数据显示方式：基本显示、标准显示和全部显示；具有三种颜色方案：白天、傍晚和黑夜；所述的船舶运动数学模型模块是船舶运动控制器设计的基础，采用三自由度运动的MMG船舶数学模型，MMG船舶数学模型的主要特点是将作用于船舶上的流体动力和力矩按照物理意义，分解为作用于祼船体、敞水螺旋桨和敞水舵上的流体动力和力矩，以及它们之间的相互干涉流体动力和力矩；所述的三自由度运动包括纵荡运动、横荡运动和艏摇运动；所述的航海计算工具箱模块包括常用的航海计算的功能函数、两经纬点间的距离及方位的计算、纬度渐长率的计算；所述的航线设计模块用于设计测试航迹自动舵所需的航线；航线设计的功能全部集中在航线设计面板中，用户通过主框架的菜单，打开或关闭航线设计面板；用户通过鼠标在海图上实时增加、修改和删除航路点来设计航线；在海图上设计完航路点后，再在航线设计面板上命名航线，增加航线起讫港信息；在航线设计面板右边的航路点列表查看航路点的位置、相对距离和相对方位信息并能设置每条航线段的左右偏航距离；设计好的航线都显示在航线设计面板左边的航线列表中，对每条航线进行是否在海图上显示、导航、编辑、删除和保存操作；存储大量航线，并且对正在用于航迹控制的航线进行实时编辑和实时检测自动舵算法的控制效果；所述的自动舵控制器模块用于加入用户设计的自动舵算法并测试自动舵算法。自动舵控制器模块由用户编写，以MFC扩展动态链接库的形式被主框架调用；自动舵控制器模块采用自定义标准的数据接口，自动舵控制器模块通过标准接口告诉主框架当前自动舵控制器模块有哪些控制算法，主框架则会相应的初始化主框架界面中的算法列表。测试自动舵算法时，主框架给控制模块提供输入参数，所述的输入参数包括主框架当前所选择的控制算法及所选的航线信息或保持的航向，船舶的位置、航速、航向、转艏角速度、目标航路点、偏航距离，船舶数学模型的船长、船宽、吃水、型深、排水量、方形系数。与现有技术相比，本专利技术的优点和有益效果是：1、本专利技术构建了标准电子海图模块，该模块基于国际标准的电子海图，能够加载全球的S57格式电子海图数据，且可任意比例尺无级缩放浏览全球海图，具多种数据显示方式和颜色显示方案，整个界面简洁美观。本专利技术可以设置不同的风流情况，使得船舶可以在逼真的海上干扰情况下模拟航行。使用者可以不受时间、地点的限制，可以在全球任意海域，大范围长时间的测试船舶自动舵，从而解决船舶自动舵实船测试存在风险大、调试周期长本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种船舶自动舵算法测试仿真系统，其特征在于：包括主框架(1)、标准电子海图模块(2)、船舶运动数学模型模块、航海计算工具箱模块、航线设计模块(5)和自动舵控制器模块(6)；所述的主框架(1)采用的是Visual C++的MFC的单文档程序，其他各模块采用动态链接库接口技术进行封装设计；所述的主框架(1)是基于Visual C++的MFC的单文档程序，完成用户的交互显示界面，所述的交互显示界面包括主显示区、信息显示面板、环境设置面板、本船设置面板、操舵设置面板和操船面板；所述的主显示区包括显示绘制海图、活动距标圈、航线、本船图标和航迹；所述的信息显示面板包括显示本船的航向、航速、转艏角速度、纵横向速度、位置、目标航路点以及偏航距离；所述的环境设置面板用于设置修改自动舵算法测试时的外部干扰，外部干扰包括风速、风向、流速和流向；所述的本船设置面板用于选择自动舵算法测试时的船模，直接输入经纬度或通过鼠标设置本船位置，设置本船的航速和航向；所述的操舵设置面板用于选择操舵的类别和选择不同自动舵算法，以及设置仿真时间比例，仿真时间比例设为与现实时间1:1仿真或设为超现实时间比例仿真；所述的操船面板用于仿真测试的开关控制以及舵和车钟的控制和显示，同时也通过以调用动态链接库的形式与标准电子海图模块(2)、船舶运动数学模型模块、航海计算工具箱模块、航海设计模块和自动舵控制器模块(6)进行通讯；所述的标准电子海图模块(2)解析S57国际标准的电子海图数据，采用S‑52标准显示绘制海图，加载全球的S57格式电子海图数据，且以任意比例尺无级缩放浏览全球海图，具有三种数据显示方式：基本显式、标准显示和全部显示；具有三种颜色方案：白天、傍晚和黑夜；所述的船舶运动模块(3)是船舶运动控制器设计的基础，采用三自由度运动的MMG船舶数学模型，MMG船舶数学模型的主要特点是将作用于船舶上的流体动力和力矩按照物理意义，分解为作用于祼船体、敞水螺旋桨和敞水舵上的流体动力和力矩，以及它们之间的相互干涉流体动力和力矩；所述的三自由度运动包括纵荡运动、横荡运动和首摇运动；所述的航海计算工具模块(4)包括常用的航海计算的功能函数、两经纬点间的距离及方位的计算、纬度见长率的计算；所述的航线设计模块(5)用于设计测试航迹自动舵所需的航线；航线设计的功能全部集中在航线设计面板中，用户通过主框架(1)的菜单，打开或关闭航线设计面板；用户通过鼠标在海图上实时增加、修改和删除航路点来设计划航线；在海图上设计完航路点后，再在航线设计面板上命名航线，增加航线起讫港信息；在航线设计面板右边的航路点列表查看航路点的位置、相对距离和相对方位信息并能设置每条航线段的左右偏航距离；设计好的航线都显在航线设计面板左边的航线列表中，对每条航线进行是否在海图上显示、导航、编辑、删除和保存操作；存储大量航线，并且对正在用于航迹控制的航线进行实时编辑和实时检测自动舵算法的控制效果；所述的自动舵控制器模块(6)用于加入用户设计的自动舵控制算法并测试自动舵控制算法；自动舵控制器模块(6)由用户编写，以MFC扩展动态链接库的形式被主框架(1)调用；自动舵控制器模块(6)采用自定义标准的数据接口，自动舵控制器模块(6)有标准的接口告诉主框架(1)当前自动舵控制器模块(6)有哪些控制算法，主框架(1)则会相应的初始化主框架(1)界面中的算法列表；测试自动舵算法时，主框架(1)会给控制模块提供的输入参数，所述的输入参数包括主框架(1)当前所选择的控制算法及所选的航线信息或保持的航向，船舶的位置、航速、航向、转艏角速度、目标航路点、偏航距离，船舶数学模型的船长、船宽、吃水、型深、排水量、方形系数。...

【技术特征摘要】
1.一种船舶自动舵算法测试仿真系统，其特征在于：包括主框架(1)、标准电子海图模块(2)、船舶运动数学模型模块(3)、航海计算工具箱模块(4)、航线设计模块(5)和自动舵控制器模块(6)；所述的主框架(1)采用的是VisualC++的MFC的单文档程序，其他各模块采用动态链接库接口技术进行封装设计；所述的主框架(1)是基于VisualC++的MFC的单文档程序，完成用户的交互显示界面，所述的交互显示界面包括主显示区、信息显示面板、环境设置面板、本船设置面板、操舵设置面板和操船面板；所述的主显示区包括显示绘制海图、活动距标圈、航线、本船图标和航迹；所述的信息显示面板包括显示本船的航向、航速、转艏角速度、纵横向速度、位置、目标航路点以及偏航距离；所述的环境设置面板用于设置修改自动舵算法测试时的外部干扰，外部干扰包括风速、风向、流速和流向；所述的本船设置面板用于选择自动舵算法测试时的船模，直接输入经纬度或通过鼠标设置本船位置，设置本船的航速和航向；所述的操舵设置面板用于选择操舵的类别和选择不同自动舵算法，以及设置仿真时间比例，仿真时间比例设为1或大于1，即仿真时间与实际时间的比例为1或大于1；所述的操船面板用于仿真测试的开关控制以及舵和车钟的控制和显示，同时也通过以调用动态链接库的形式与标准电子海图模块(2)、船舶运动数学模型模块、航海计算工具箱模块、航线设计模块(5)和自动舵控制器模块(6)进行通讯；所述的标准电子海图模块(2)解析S57国际标准的电子海图数据，采用S-52标准显示绘制海图，加载全球的S57格式电子海图数据，且以任意比例尺无级缩放浏览全球海图，具有三种数据显示方式：基本显示、标准显示和全部显示；具有三种颜色方案：白天、傍晚和黑夜；所述的船舶运动数学模型模块(3)是船舶运动控制器设计的基础，采用三自由度运动的M...

【专利技术属性】
技术研发人员：李铁山，沈海青，李荣辉，郭晨，沈智鹏，彭周华，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21