一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台及方法技术

本发明专利技术涉及大型设备仿真领域，特涉及一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台及方法。本发明专利技术包括仿真试验控制台和潜艇操纵运动仿真软件，潜艇操纵运动仿真软件包括仿真算法软件和显示软件，仿真算法软件由水面运动模块，水下运动模块和悬停运动模块等组成。本发明专利技术可以根据试验方案进行不同初始状态、机动形式和操纵方式下的潜艇操纵运动仿真试验，也可实现多人的联合操纵和演练，训练团队之间的协同配合。

A simulation test platform and method for submarine steering and balance control

【技术实现步骤摘要】
一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台及方法
本专利技术涉及大型设备仿真领域，特涉及一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台及方法。
技术介绍
现代潜艇是集各种高技术于一身的海上作战平台，装备了各种先进的探测、通信、导航、武器、水声对抗等设备，并通过先进的作战指挥系统将这些设备联接成一体。潜艇的高技术、大规模、操纵复杂等特点对受训人员的实际操作水平提出了很高的要求，潜艇部队的日常训练已成为各国海军所关注和研究的重要问题，而常规的海上训练经费高、周期长、风险大，特别是对于潜艇极限工况和应急工况下的操纵，无法进行实际训练。随着计算机技术、系统仿真技术和虚拟现实技术的不断发展及其向军事领域的渗透，传统的训练观念和训练方式正面临着革命性的变化。为了减少训练费用、降低训练风险、提高训练效率，同时减轻训练对环境造成的影响，世界各国的海军都致力于潜艇操纵运动仿真试验平台的研制。潜艇操纵运动仿真试验平台以潜艇动力学仿真模型为依据，结合受训人员的实际操作过程，利用计算机技术、自动化技术、模拟仿真技术等模拟潜艇车、舵、水、气等操纵装置的使用，在不同海区和海况下，对受训人员进行潜艇均衡、潜浮、水下航行等操纵的模拟训练。潜艇操纵运动仿真试验平台通常由运算控制计算机、虚拟操艇控制台等部分组成，运算控制计算机具有潜艇六自由度运动实时解算、模拟操舵以及与外界通讯的功能；虚拟操艇控制台用于模拟集中控制操舵仪和潜浮监控台，具有故障设置功能和其他一些辅助功能。利用潜艇操纵运动仿真试验平台可以模拟极限工况和应急工况下的潜艇操纵，如大纵倾、大攻角、舱室进水、舵卡、抛弃压载、短路快吹等，利用潜艇操纵运动仿真试验平台的这一功能对受训人员进行应急操纵训练，对于提高受训人员的应急操纵能力和潜艇战斗力具有十分重要的意义。潜艇操纵运动仿真试验平台还可以用于潜艇操纵领域的理论研究和产品设计等。如进行潜艇操纵控制规律的研究，或者研究潜艇如何按预定的航迹选择最佳机动。此外，还可以通过改变艇型或操纵面的形状、尺寸和位置来改变相应的水动力系数，通过仿真试验平台分析它们对潜艇操纵性的影响，从而为潜艇操纵面的设计提供最佳的方案。
技术实现思路
针对现有技术的不同，本专利技术提供了一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台及方法。本专利技术可以根据试验方案进行不同初始状态、机动形式和操纵方式下的潜艇操纵运动仿真试验，也可实现多人的联合操纵和演练，训练团队之间的协同配合。本专利技术的技术方案是：一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台，包括仿真试验控制台和潜艇操纵运动仿真软件，潜艇操纵运动仿真软件包括仿真算法软件和显示软件，其特征在于：仿真试验控制台包括两自由度围壳舵操舵手轮，输入首舵角δb、方向舵角δr；尾升降舵操纵旋钮，输入尾舵角δs；航向操纵方式转换开关，确定方向舵角δr由操纵者控制或由计算机自动生成；深度操纵方式转换开关，确定首舵角δb和尾舵角δs由操纵者控制或由计算机自动生成；均衡操纵方式转换开关，确定均衡调节静载力△P和静载力矩△MP由操纵者控制或由计算机自动生成；推进电机遥控键盘，输入推进电机转速，即螺旋桨推力XP；自动操舵和均衡输入键盘，输入指令深度或指令均衡调节量；仿真算法软件水面运动模块，水下运动模块和悬停运动模块；显示软件包括：仿真试验软件水舱水量显示、试验任务信息显示、潜艇运动状态显示、潜艇初始运动状态设置、潜艇仿真状态设置、试验任务过程控制、试验任务模式选择、风浪设置、潜艇操控综合显控和潜艇均衡综合显控。根据如上所述的一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台，其特征在于：操舵手轮、操纵旋钮、航向操纵方式转换开关、深度操纵方式转换开关、均衡操纵方式转换开关、推进电机遥控键盘、自动操舵和均衡输入键盘集成在一个面板上。根据如上所述的一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台，其特征在于：还包括触摸液晶屏，触摸液晶屏根据潜艇操纵运动仿真试验的需求，编制操控软件。本专利技术还公开了一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验方法，包括水面运动模块，水下运动模块和悬停运动模块，潜艇吃水深度小于5m时采用水面运动模块；潜艇吃水深度大于等于5m且航速大于等于0.1m/s时，采用水下运动模块；潜艇吃水深度大于等于5m且航速小于0.1m/s时，采用悬停运动模块；其特征在于：水面运动模块采用无因次水动力系数作为潜艇六自由度空间运动方程的参数，根据输入的方向舵角和车令信号，采用四阶定步长龙格库塔算法测定仿真潜艇的首向角，漂角，横倾角，转首角速度；在水下运动模块时，共采用小攻角(攻角小于等于12°)及大攻角(攻角大于12°)两套无因次水动力系数作为潜艇六自由度空间运动方程的参数。初始取时小攻角时的无因次水动力系数，采用四阶龙格库塔算法迭代计算每一步的潜艇操纵运动参数，根据判断当前的攻角大小，并自动确定下一步迭代采用小攻角系数或大攻角系数；仿真潜艇不同航速、舵角操纵以及静载力和力矩作用下潜艇的升速率，逆速以及阶跃操舵、梯形操舵、z形机动过程中特征参数的变化；悬停运动模块采用潜艇水下悬停运动数学模型，模拟潜艇在水下的无航速定深操纵。根据如上所述的一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验方法，其特征在于：悬停运动模块的模拟方法包括以下步骤：估算时近似取消声瓦的压缩量与潜深成正比：式中，△C为极限压缩情况下引起的浮力差，H为潜艇深度；计算海水密度引起的浮力变化量之和：Z3＝Z31+Z32，其中引起浮力变化量为式中，为水下全排水量；ρ1、ρ2分别为原海区、新海区的海水密度；Z32为深度变化使密度产生变化引起浮力变化量；按零升力及其力矩公式计算浮力的变化量；式中，Z0、M0分别为自然减速时减小的零升力、零升力矩；V为实施停车时的航速；然后根据公式求不同均衡量值Z4及M4作用下潜艇运动参数的变化情况，公中，m为水下全排水量对应的潜艇质量；ρ为海水密度；L为潜艇长度；h为稳定中心高。相关水动力系数的定义参考文献[1][2]。根据如上所述的一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验方法，其特征在于：还包括潜艇由水下运动转为水上航行状态时的运动模块，根据伯努利计算法和潜艇六自由度空间运动方程模拟潜艇所受静载力和静载力的作用点的变化。本专利技术的有益效果是：一是集操控、仿真于一体，既可用于操纵性试验也可以用于模拟训练。二是具有水面运动模块，水下运动模块和悬停运动模块等多个模块，能够针对不同模块进行参数的模拟，实用性强。三是可以用于潜艇操纵领域的理论研究和产品设计，缩短研发时间，可尽早模拟潜艇的操作性能。四是通过参数的变化，便于模拟不同类型的潜艇在各种情况下的参数，为潜艇操纵面的设计提供最佳的方案。附图说明图1为潜艇实时运动仿真算法流程。图2为本专利技术所述仿真试验控制台结构图。图3为本专利技术所述潜艇操纵运动仿真软件界面。图4为建立数学模型的坐标系。附图标记说明：操舵手轮1.1、操纵旋钮1.2、航向操纵方式转换开关1.3、深度操纵方式转换开关1.4、均衡操纵方式转换开关1.5、推进电机遥控键盘1.6、自动操舵和均衡输入键盘1.7、触摸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台，包括仿真试验控制台和潜艇操纵运动仿真软件，潜艇操纵运动仿真软件包括仿真算法软件和显示软件，其特征在于：仿真试验控制台包括两自由度围壳舵操舵手轮，输入首舵角δ

【技术特征摘要】
1.一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台，包括仿真试验控制台和潜艇操纵运动仿真软件，潜艇操纵运动仿真软件包括仿真算法软件和显示软件，其特征在于：仿真试验控制台包括两自由度围壳舵操舵手轮，输入首舵角δb、方向舵角δr；尾升降舵操纵旋钮，输入尾舵角δs；航向操纵方式转换开关，确定方向舵角δr由操纵者控制或由计算机自动生成；深度操纵方式转换开关，确定首舵角δb和尾舵角δs由操纵者控制或由计算机自动生成；均衡操纵方式转换开关，确定均衡调节静载力△P和静载力矩△MP由操纵者控制或由计算机自动生成；推进电机遥控键盘，输入推进电机转速，即螺旋桨推力XP；自动操舵和均衡输入键盘，输入指令深度或指令均衡调节量；仿真算法软件水面运动模块，水下运动模块和悬停运动模块；显示软件包括：仿真试验软件水舱水量显示、试验任务信息显示、潜艇运动状态显示、潜艇初始运动状态设置、潜艇仿真状态设置、试验任务过程控制、试验任务模式选择、风浪设置、潜艇操控综合显控和潜艇均衡综合显控。


2.根据权利要求1所述的一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台，其特征在于：操舵手轮、操纵旋钮、航向操纵方式转换开关、深度操纵方式转换开关、均衡操纵方式转换开关、推进电机遥控键盘、自动操舵和均衡输入键盘集成在一个面板上。


3.根据权利要求1所述的一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验平台，其特征在于：还包括触摸液晶屏，触摸液晶屏根据潜艇操纵运动仿真试验的需求，编制操控软件。


4.一种潜艇操舵和均衡控制仿真试验方法，包括水面运动模块，水下运动模块和悬停运动模块，潜艇吃水深度小于5m时采用水面运动模块；潜艇吃水深度大于等于5m且航速大于等于0.1m/s时，采用水下运动模块；潜艇吃水深度大于等于5m且航速小于0.1m/s时，采用悬停运动模块；其特征在于：
水面运动模块采用无因次水动力系数作为潜艇六自由度空...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕帮俊，黄斌，彭利坤，何曦光，陈佳，宋飞，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42