[发明专利]AUV运动控制系统硬件在环测试仿真系统及其工作方法

权利要求书

1.AUV运动控制系统硬件在环测试仿真系统，其特征在于：包括PC机(5)和OP4500实时仿真机(3)；所述的PC机(5)通过以太网(4)与OP4500实时仿真机(3)双向连接，实现实时通讯；所述的OP4500实时仿真机(3)通过I/O接口(2)与待测试的AUV运动控制系统(1)双向连接，对待测试的AUV运动控制系统(1)进行实时测试；所述的PC机(5)上运行人机界面(12)和海底虚拟场景模块(11)，所述的OP4500实时仿真机(3)上运行AUV运动仿真单元；

所述的人机界面(12)是AUV运动控制系统测试的监控界面，用Labview软件设计实现；所述的海底虚拟场景模块(11)用来模拟海底工作环境，所述的海底工作环境包括AUV、海底地形和海底管线，海底虚拟场景模块(11)通过3DS MAX、MultiCreate和Open Scene Graph即OSG场景管理软件实现；所述的AUV运动仿真单元包括AUV运动模块(6)、推进系统模块(10)、传感器模块(8)、海底限制水域模块(9)和洋流模块(7)，由MATLAB/Simulink在PC机(5)上设计实现，并编译成C代码，通过安装在PC机(5)上的OP4500实时仿真机(3)仿真管理软件下载到OP4500实时仿真机(3)上，使得AUV运动仿真单元在OP4500实时仿真机(3)上的Linux操作系统下实时仿真运行；

所述的人机界面(12)实现以下功能：各种控制指令的设定；AUV特征参数、限制海域边界函数和洋流参数的设置、修改与显示；AUV的运动状态、各推进器状态、限制海域的显示、测试结果的存档；所述的控制指令包括实验开始指令、实验暂停指令和实验结束指令；所述的AUV特征参数包括AUV的长度、直径、质量、水动力参数、主发动机功率和舵叶面积；所述的洋流参数包括洋流的速度以及洋流相对于北向的角度；所述的海底虚拟场景模块(11)应用3DS MAX软件建立AUV整体模型，用MultiCreate构建海底工作环境，并将它们导入到OSG中显示出来，再用OSG中的扩展海洋模块osgOcean，建立海底工作环境场景，利用Matlab/Simulink仿真产生的AUV位姿信息驱动AUV整体模型，实现AUV在海底虚拟场景的动态三维可视化显示；所述的AUV运动模块(6)包括AUV运动数学模型，计算AUV运动状态信息；所述的推进系统模块(10)包括推进系统的各推进器数学模型及其力转换数学模型，实时计算AUV的推进器工作状态信息；所述的传感器模块(8)包括虚拟多普勒计程仪、光纤陀螺罗盘、超短基线、深度传感器，实时模拟各传感器测量的AUV实时位姿及运动速度信息；所述的海底限制水域模块(9)包括海底复杂水域和狭窄水道的边界函数，实时模拟限制海域；所述的洋流模块(7)包括洋流作用于AUV上的等效干扰力和力矩数学模型，实时计算AUV所遭受的洋流干扰力和力矩；待测试的AUV运动控制系统(1)通过I/O接口(2)接收来自人机界面(12)的测试开始指令信号，开始运行并产生控制信号，通过I/O接口(2)发送给OP4500实时仿真机(3)；OP4500实时仿真机(3)通过I/O接口(2)接收来自待测试的AUV运动控制系统(1)的控制信号，进行实时仿真，并将实时仿真结果即模拟的多普勒计程仪、光纤陀螺罗盘、超短基线、深度传感器实时信号、推进器实时状态信号和限制海域边界函数信号通过以太网(4)送回PC机(5)，并通过I/O接口(2)发送给待测试的AUV运动控制系统(1)；PC机(5)再将各传感器实时信号和限制海域的边界函数信号发送给人机界面(12)，并将AUV三维动态地显示在海底虚拟场景中。

2.AUV运动控制系统硬件在环测试仿真系统的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、开启AUV运动控制系统硬件在环测试仿真系统；

B、通过人机界面(12)设置AUV特征参数、洋流参数和限制海域边界函数；所述的AUV特征参数包括AUV的长度、直径、质量、水动力参数、主发动机功率和舵叶面积；所述的洋流参数包括洋流的速度以及洋流相对于北向的角度；

C、根据待测试的AUV运动控制系统(1)是否通过I/O接口(2)接收到了人机界面(12)的实验开始指令信号判断是否开启测试，如待测试的AUV运动控制系统(1)没有接收到信号，转步骤C；否则，执行步骤D；

D、海底限制水域模块(9)接收来自人机界面(12)限制水域模拟指令信号，并将其发送给海底虚拟场景模块(11)；

E、洋流模块(7)接收洋流参数，仿真运行，将运行结果即洋流作用于AUV上等效干扰力和力矩信号发送给AUV运动模块(6)；

F、待测试的AUV运动控制系统(1)通过I/O接口(2)向推进系统模块(10)发送各推进器的期望转速、方向角、舵角信号；推进系统模块(10)接收来自拟测试航迹跟踪控制器的期望转速、方向角信号，仿真运行，并将运行结果即推进器的实际转速、方向角、舵角信号发送给人机界面(12)，且将各推进器的实际转速、方向角、舵角信号转化为作用于AUV的等效力和力矩信号发送给AUV运动模块(6)；

G、AUV运动模块(6)接收来自推进系统模块(10)和洋流模块(7)的运行结果，仿真运行，并将运行结果即AUV运动状态信号发送给传感器模块(8)，所述的运动状态信号包括位姿信号和速度信号；

H、传感器模块(8)接收来自AUV运动模块(6)的运行结果，仿真运行，并将运行结果即各传感器测量结果的模拟信号，发送给海底虚拟场景模块(11)、人机界面(12)和待测试的AUV运动控制系统(1)；

I、海底虚拟场景模块(11)接收来自海底限制水域模块(9)的限制海域边界函数信号，将虚拟的海底限制水域在海底虚拟场景模块(11)中显示出来；

J、人机界面(12)接收来自传感器模块(8)、推进系统模块(10)的运行结果，显示AUV特征参数、洋流参数、推进器状态、AUV实际运动曲线，并将测试结果存档；

K、判断是否继续测试，若是，转步骤L；若否，结束实验，关闭AUV运动控制系统硬件在环测试仿真系统；

L、判断是否改变AUV特征参数、洋流参数或限制海域边界函数，若是，转步骤B；若否，转步骤C。