[发明专利]无人潜器运动模拟装置及模拟方法

权利要求书

1.一种无人潜器运动模拟装置，包括显示器、服务器和操控面板，其特征是：所述显示器包括两台显示器，第一显示器用于显示无人潜器的二维运动状态及操作界面，第二显示器用于显示无人潜器的三维运动状态，第二显示器位于第一显示器上方，两台显示器成100°-110°夹角，两台显示器通过视频线与服务器相连，操控面板通过隔离信号板与服务器连接，操控面板包括键盘、按钮、单色指示灯和双色指示灯，采用键盘与按钮相结合的方式输入操纵指令和设置信息，采用单双色指示灯显示故障状态信息，服务器通过固定支架固定在柜体中，第一显示器和操控面板固定在柜体上，服务器通过网络接口与网络连接。

2.根据权利要求1所述的无人潜器运动模拟装置，其特征是：所述信号隔离板包括继电器、隔离电源和数字隔离芯片ADUM1401，数字隔离芯片与服务器的DIO卡互联，按钮与数字隔离芯片ADUM1401链接，数字隔离芯片ADUM1401经继电器连接单双色指示灯。

3.根据权利要求1或2所述的无人潜器运动模拟装置，其特征是：两台显示器的夹角为106°。

4.一种基于权利要求1所述的无人潜器运动模拟装置的无人潜器运动模拟方法，其特征是：

步骤1，开始，完成初始化操作；

步骤2，环境信息加载；

步骤3，获取执行器指令信息，所述执行器指令信息包括推进器转速、执行舵角和水舱进、排水操作信息；

步骤4，设置故障，所述故障主要包括：推进器故障、卡舵故障、水舱泵阀故障和破舱故障；

步骤5，运动解算，求解当前无人潜器的运动状态信息和位姿信息；

步骤6，观察模拟运行效果并保存无人潜器的运动状态信息和位姿信息；

步骤7，运动模拟完毕，结束。

5.根据权利要求4所述的无人潜器运动模拟方法，其特征是：所述环境信息包括流速和流向，通过操控面板键盘输入；所述获取执行器指令是直接从操控面板键盘输入或者通过网络与服务器连接获得；所述设置故障是通过操控面板的按钮开关进行设置或者通过内置软件实现故障设置，两者独立操作，但信息同步更新。

6.根据权利要求5所述的无人潜器运动模拟方法，其特征是：所述运动解算具体包括：

S01，求解基本受力F₀；

S02，求解水舱进、排水操作受力F_W；

S03，求解故障受力F_D；

S04，综合处理，求解无人潜器运动信息和姿态信息；

其中：

步骤S01中，基本受力F₀求解方式如下：

F₀＝F_H+F_G+F_B+F_R+F_T

F_H，F_G，F_B，F_R，F_T分别为艇体水动力/矩，重力/矩，浮力/矩，舵力/矩，推力/矩；一般情况下，重力/矩和浮力/矩用静力/矩来表示，即F_s＝F_G+F_B，静力/矩表示为式：

Xs=-(m-ρ▿)gsinθYs=(m-ρ▿)gsinφcosθZs=(m-ρ▿)gcosφcosθKs=(yGm-yBρ▿)gcosφcosθ-(zGm-zBρ▿)gsinθMs=-(xGm-xBρ▿)gcosφcosθ-(zGm-zBρ▿)gsinθNs=(xGm-xBρ▿)gcosφcosθ-(zGm-zBρ▿)gsinθ;]]>

在步骤S02中，水舱进、排水操作受力F_W求解过程如下：

▿VW(t)=C×(t-t0)t≥t0]]>

当水舱进水状态时C>0；当水舱排水状态时C<0；由静力/矩表示式得到水舱操作产生的力/矩F_W；

在步骤S03中，故障受力F_D根据故障的类型分为：

(1)推进器故障发生时，电机转速为0，则推进器不产生推力，即F_T＝0；

(2)卡舵故障发送时，舵保持故障前的舵角，且在故障期间保持不变，表示为:

F_R(t)＝F_R(t₀) t≥t₀

(3)破舱故障发生时，即在相应的舱室位置以下式的速率进水：

Qin(t)=μinS2g(h-10p+10)]]>

式中：

Q_in—进水速率，m³/s

μ_in—进水滞流系数，取0.6

S—破洞面积，m²

h—无人潜器深度，m

p—破损舱室气压，p_a

此时的故障力/矩F_D表示为破舱进水量产生的重力和重心的改变作用于无人潜器，由静力/矩表示式得到故障力/矩F_D。

在步骤S04中，综合处理过程如下：

通过下式计算得到无人潜器的受力情况：

F＝F₀+F_D+F_W

m[(u·-vr+wq)-xG(q2+r2)+yG(pq-r·)+zG(pr+q·)]=Xm[(v·-wq+ur)-yG(r2+p2)+zG(qr-p·)+xG(qp+r·)]=Ym[(w·-uq+vq)-zG(p2+q2)+xG(rp-q·)+yG(rq+p·)]=ZIxxp·+(Izz-Iyy)qr+m[yG(w·+pv+qu)-zG(v·+ru-pw)]=KIyyq·+(Ixx-Izz)rp+m[zG(u·+qw+rv)-xG(w·+pv-qu)]=MIzzr·+(Iyy-Ixx)pq+m[xG(v·+ru+pw)-yG(u·+qw-rv)]=N]]>

式中

m—无人潜器的质量；

x_G,y_G,z_G—无人潜器的重心坐标；

I_x,I_y,I_z—无人潜器质量m对OX，OY，OZ轴的转动惯量；

u、v、w、p、q、r—六个自由度的速度或角速度；

把式F＝F₀+F_D+F_W带入式

m[(u·-vr+wq)-xG(q2+r2)+yG(pq-r·)+zG(pr+q·)]=Xm[(v·-wq+ur)-yG(r2+p2)+zG(qr-p·)+xG(qp+r·)]=Ym[(w·-uq+vq)-zG(p2+q2)+xG(rp-q·)+yG(rq+p·)]=ZIxxp·+(Izz-Iyy)qr+m[yG(w·+pv+qu)-zG(v·+ru-pw)]=KIyyq·+(Ixx-Izz)rp+m[zG(u·+qw+rv)-xG(w·+pv-qu)]=MIzzr·+(Iyy-Ixx)pq+m[xG(v·+ru+pw)-yG(u·+qw-rv)]=N]]>中，求得相应的

加速度信息，进行积分得到速度或角速度信息，结合初始位置信息，对速度或角速度信息积分，得到当前位置信息和姿态信息。