一种全海深载人潜水器控制系统仿真平台

1.本发明属于潜水器仿真系统领域，具体说是一种全海深载人潜水器控制系统仿真平台。


背景技术：

2.载人潜水器在我国深海开发、考察及勘探发挥了重要作用，目前，我国已经完成7000米级“蛟龙号”、4500米级“深海勇士号”及11000米级“奋斗者号”载人潜水器的研制，其中奋斗者号载人潜水器更是实现了全海深下潜，下潜深度覆盖全球海域。
3.载人潜水器在研制过程中，由于总体系统复杂，涉及到众多子系统之间相互配合，包括控制系统、声学系统、观通系统、液压系统等，各系统之间存在大量信号交互接口，包括网络信号，串口信号，供电信号、驱动信号等，所以在潜水器设计阶段，需要个子系统之间进行充分的沟通和协调，明确各子系统之间的接口定义，制定通信协议，各子系统根据设计要求进行详细设计。
4.控制系统作为潜水器的控制核心，负责潜水器的导航定位、设备控制、运动操纵及信息显示等功能，实时与其他子系统进行信息交互。在导航方面，控制系统采集潜水器各传感器信号，通过导航算法进行潜水器位置航迹推算。在执行驱动方面，控制系统为舱内与舱外各执行机构提供驱动信号。在信息显示方面，通过信息显控单元对潜水器运行状态信息进行综合显示。在潜水器操纵方面，通过航行操纵单元对潜水器进行操纵控制以及实现自动控制等功能，所以控制系统需要与其他子系统进行实时的、大量的信息交互，并承担着复杂的逻辑控制功能，所以在设计过程中，除按照设计要求进行精确设计外，需进行充分的联合调试，其中包括硬件电路的稳定性、可靠性以及软件控制算法及逻辑的正确性。
5.但是潜水器在系统总装时，各个子系统均同步进行安装及调试，由于系统复杂庞大，联调过程繁琐，所以全部依靠总装联调进行控制系统测试，必然会增加调试时间，降低总体调试效率。针对作为核心单元的控制系统，若能缩短研发周期，总装联调前先行进行系统功能验证，则能够为潜水器总系统研发节省大量时间，提高研发效率，同时也能够增强总系统的安全性。


技术实现要素：

6.本发明目的是提供一种全海深载人潜水器控制系统仿真平台，提高控制系统研制效率，增强控制系统的可靠性以及潜水器整体系统的安全性，设计一套全海深载人潜水器控制系统仿真平台，以真实的控制系统为基础，构建半物理仿真平台，使得控制系统在脱离实际潜水器的情况下，通过模拟仿真系统行控制系统功能验证，仿真平台模拟潜水器总体系统，在总装联调前，先行进行控制系统功能测试，在总装联调的过程中，仿真平台与潜水器实际系统进行同步调试，控制系统在仿真平台完成功能测试后，再移植到潜水器本体，提高研发与联调效率，增强潜水器系统的可靠性与安全性，同时便于后期潜水器新功能扩展的前期验证，以克服上述问题。
7.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种全海深载人潜水器控制系统仿真平台，包括：实体单元、虚拟仿真单元以及三维视景单元；
8.实体单元，用于发送操作信号至虚拟仿真单元，同时接收虚拟仿真单元产生的模拟仿真信号，以实现模拟仿真信号解析后的虚拟参数应用于实体单元中；
9.虚拟仿真单元，用于接收并处理实体单元发送的操作信号，对接收到操作信号进行仿真，并对操作信号仿真后得到的仿真运动状态数据进行显示，以对实体单元对应功能进行验证；并将仿真运动状态数据发送至三维视景单元，还用于产生模拟仿真信号输出至实体单元；
10.三维视景单元，用于接收虚拟仿真单元发送的仿真运动状态数据，并实时进行解析，结合建立的潜水器三维模型以及设置的场景模型，实现潜水器在不同场景下的动态模拟。
11.所述操作信号，包括：数字量信号、模拟量信号、串口信号以及网络信号。
12.所述模拟仿真信号，包括：仿真后的数字量信号、模拟量信号、串口信号以及网络信号。
13.所述实体单元，包括：主控计算机、操作面板、操纵部件、设备箱、信号箱以及计算机罐；
14.所述主控计算机、操作面板、操纵部件、设备箱以及信号箱均设于潜水器舱体内；
15.所述主控计算机与设备箱连接，用于控制设备箱接收模拟仿真信号或发送操作信号；
16.所述操作面板通过设备箱与虚拟仿真单元连接，用于在主控计算机控制下，将产生的数字量信号与模拟量信号，经设备箱输出虚拟仿真单元；
17.所述操纵部件通过信号箱与虚拟仿真单元连接，用于在主控计算机控制下，将产生的串口信号或网络信号，经信号箱输出虚拟仿真单元；
18.所述计算机罐设于潜水器舱体外，用于产生实体单元的舱外设备的数字信号和模拟信号输出至虚拟仿真单元；
19.所述操纵部件还与三维视景单元连接，以通过操纵部件对三维视景单元的模拟潜水器实现运动操纵，实现科普演示海洋模拟环境。
20.所述虚拟仿真单元，包括：网络交换模块、仿真计算机、舱内仿真单元以及舱外仿真单元；
21.所述舱内仿真单元和舱外仿真单元均通过网络交换模块与仿真计算机连接；所述仿真计算机通过网络交换模块与三维视景单元连接；
22.所述舱内仿真单元通过仿真接口分别与实体单元的设备箱和信号箱连接；
23.所述舱外仿真单元通过仿真接口与计算机罐连接。
24.所述舱内仿真单元，包括：载人舱仿真模块、载人舱信号处理模块、串口/网络仿真模块；
25.所述仿真计算机依次通过网络交换模块、载人舱仿真模块、载人舱信号处理模块、仿真接口与设备箱连接，用于仿真计算机通过网络交换模块，控制载人舱仿真模块输出仿真后的数字量信号或模拟量信号，经载人舱信号处理模块进行隔离、放大处理后，输出至实体单元；同时实体单元的数字量或模拟量信号通过信号处理模块的隔离、放大处理后，由载
人舱仿真模块转换为网络信号传输至仿真计算机；
26.所述仿真计算机依次通过网络交换模块、串口/网络仿真模块、仿真接口与信号箱连接，用于在仿真计算机控制下，向实体单元输出仿真后的网络信号或串口信号，同时通过该模块接收实体单元的网络或串口信号，并转换为网络信号后传输至仿真控制计算机。
27.所述舱外仿真单元，包括：相互连接的计算机罐仿真模块和计算机罐信号处理器；
28.所述计算机罐仿真模块通过网络交换模块与仿真计算机连接，用于仿真计算机通过网络交换模块，控制计算机罐仿真模块输出仿真后的数字量信号或模拟量信号至计算机罐信号处理器；
29.所述计算机罐信号处理器通过仿真接口与计算机罐连接，用于对计算机罐仿真模块输出数字量或模拟量仿真信号进行隔离、放大处理后，输出至实体单元；同时，接收实体单元的数字量或模拟量信号进行隔离、放大处理后，并转换为网络信号发送至计算机罐仿真模块。
30.所述虚拟仿真单元还包括电子负载；
31.所述电子负载的输入端与设备箱和计算机罐连接，输出端通过串口与仿真计算机互通，用于接收实体单元的实体设备的数字量信号或模拟量信号，仿真计算机设置电子负载产生的功率，测试实体单元是否能够承受相应功率对应的电流强度，以实现模拟潜水器真实设备的实际负载功能。
32.一种全海深载人潜水器控制及仿真方法，包括以下步骤：
33.1)首先将实体单元进行组装，组装成潜水器控制系统，并与虚拟仿真单元进行连接；
34.2)虚拟仿真单元的仿真计算机将产生模拟仿真信号对应通过舱内仿真单元或舱外仿真单元输出至实体单元相对应的部件；实体单元接收虚拟仿真单元产生的模拟仿真信号，以实现虚拟参数应用于实体单元中；
35.实体单元接收到虚拟仿真单元产生的模拟仿真信号后对模拟仿真信号进行解析，将模拟仿真信号中的虚拟参数应用于实体单元中后，实时显示当前潜水器的运动状态；
36.潜航员针对目前潜水器的运动状态进行操作，控制实体单元中操作面板和操纵部件产生操作信号通过至舱内仿真单元或舱外仿真单元发送至仿真计算机，并实时显示仿真运动状态数据；同时，仿真计算机根据仿真运动状态数据进行潜水器控制系统功能测试；
37.3)仿真计算机将仿真运动状态数据发送至三维视景单元，三维视景单元对仿真运动状态数据进行实时解析，结合潜水器三维模型以及设置的场景模型，实现潜水器在不同场景下的动态模拟。
38.所述仿真计算机根据仿真运动状态数据进行潜水器控制系统功能测试，具体为：
39.针对实体单元输出数字量信号，通过操作面板开关进行控制，开关动作后，在仿真计算机上显示数字量信号输出状态指示，与设定的阈值比对，验证数字量信号输出控制是否正常；
40.针对输入至实体单元数字量信号，仿真计算机仿真后产生的模拟仿真信号，输出至实体单元，在实体单元的主控计算机中观察数字量输入信号采集是否正常，以验证数字量信号输入控制是否正常；
41.针对实体单元模拟量输出信号，通过操纵操纵部件，在仿真计算机中操纵部件对
应的实体设备控制电压是否正常，同时观察实体单元所接收的虚拟仿真单元模拟反馈模拟仿真信号，以模拟推进器电流与转速，并验证模拟量信号输出控制是否正常；在操纵潜水器的同时，观察三维视景单元中模拟潜水器的运动与操纵是否一致，以验证三维模拟运动是否正常；
42.针对输入至实体单元模拟量信号，通过仿真计算机模拟输出实体单元的模拟量信号，在实体单元的主控计算机中观察接收模拟量信号的实体设备的作业是否正常，验证模拟量信号输入控制是否正常；
43.针对串口信号，仿真计算机根据采集通信协议，自动计算并实时向实体单元发送模拟串口数据，同时根据需求，在仿真计算机中进行串口通信参数设置；
44.针对网络信号，仿真计算机根据网络通信协议，模拟其他系统网络信号，实时与实体单元进行通信，并判断网络通信状态及数据是否正常；同时根据需求，在仿真计算机中进行网络通信参数设置。
45.本发明具有以下有益效果及优点：
46.1、本发明成本低，可靠性高。本发明的虚拟仿真单元所采用的控制器件均为通用型号，仿真板卡为自主设计，成本低廉，并且可靠性高，可以保证系统持续稳定工作。
47.2、本发明功能全面。本发明的仿真控制电路针对实体单元的每一路接口信号均进行功能性及通断性检测，保证控制系统功能检测的全面性，同时结合电子负载，在仿真平台上对控制系统的真正负载能力进行测试。
48.3、本发明扩展性强。本发明的仿真平台，可作为潜水器功能优化的前期功能验证平台，保证潜水器本体的安全性。同时可随时搭载真实传感器代替虚拟传感器进行通信测试。此外，该平台还可作为下潜及维护保障人员的培训平台。
49.4、本发明中的实体单元最终通过仿真平台进行充分验证后，即可移植到潜水器本体，开展实艇总装联调，联调过程中，仿真平台与实艇进行同步联调，提高效率，能够结合真实传感器进行控制系统仿真验证。
附图说明
50.图1为本发明全海深载人潜水器控制系统仿真平台结构框图；
51.图2为本发明数字与模拟信号处理示意图；
52.图3为本发明虚拟仿真单元子模块划分图；
53.图4为本发明三维视景单元功能模块图。
具体实施方式
54.下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
55.如图1所示，为全海深载人潜水器控制系统仿真平台的结构框图，包括了实体单元、虚拟仿真单元与三维视景单元三个部分；
56.其中，实体单元为潜水器本体实际运行的控制系统，用于发送操作信号至虚拟仿真单元，同时接收虚拟仿真单元产生的模拟仿真信号，以实现模拟仿真信号解析后的虚拟参数应用于实体单元中；
57.实体单元，包括载人舱内与载人舱外两个部分。载人舱内包括了控制系统设备箱、
信号箱、操纵部件、操作面板、主控计算机；
58.主控计算机、操作面板、操纵部件、设备箱以及信号箱均设于潜水器舱体内；
59.主控计算机与设备箱连接，用于控制设备箱接收模拟仿真信号或发送操作信号；操作面板通过设备箱与虚拟仿真单元连接，用于在主控计算机控制下，将产生的数字量信号与模拟量信号，经设备箱输出虚拟仿真单元；操纵部件通过信号箱与虚拟仿真单元连接，用于在主控计算机控制下，将产生的串口信号或网络信号，经信号箱输出虚拟仿真单元；操纵部件还与三维视景单元连接，以通过操纵部件对三维视景单元的模拟潜水器实现运动操纵，实现科普演示海洋模拟环境。
60.载人舱外包括计算机罐、示位器及云台，其中示位器与云台为独立单元部件，故未包括在仿真平台内。控制系统采用模块化的设计方式，每个模块按实现按照功能进行设计，通过统一接口，与潜水器本体可进行快捷连接与断开，更便于在潜水器本体与仿真平台间进行快速互换；计算机罐，用于产生实体单元的舱外设备的数字信号和模拟信号输出至虚拟仿真单元；
61.虚拟仿真单元包括了供电网络交换模块、仿真计算机、舱内仿真单元、舱外仿真单元以及负载测试几个部分。其中供电部分为了能够与潜水器实艇供电方式一致，设计了三个独立供电模块，分别模拟潜水器的隔离电，非隔离电与应急电，隔离电用于载人舱内供电，非隔离电用于载人舱外，控制系统根据负载控制需求分别对三种供电进行综合处理。在仿真平台中，实体单元供电方式与潜水器一致。对于仿真电路，由非隔离电进行供电，与潜水器实际系统保持一致。
62.由于实体单元包括了载人舱内与载人舱外两个部分，所以仿真电路根据实体电路特点进行设计，包括载人舱内仿真电路与载人舱外仿真电路，
63.舱内仿真单元和舱外仿真单元均通过网络交换模块与仿真计算机连接；所述仿真计算机通过网络交换模块与三维视景单元连接；舱内仿真单元通过仿真接口分别与实体单元的设备箱和信号箱连接；舱外仿真单元通过仿真接口与计算机罐连接。
64.虚拟仿真单元还包括电子负载；
65.所述电子负载的输入端与设备箱和计算机罐连接，输出端通过串口与仿真计算机互通，用于接收实体单元的实体设备的数字量信号或模拟量信号，仿真计算机设置电子负载产生的功率，测试实体单元是否能够承受相应功率对应的电流强度，以实现模拟潜水器真实设备的实际负载功能。
66.如图2所示，为本发明数字与模拟信号处理示意图；
67.舱内仿真单元，包括：舱内仿真模块、信号处理模块、串口/网络仿真模块；
68.仿真计算机依次通过网络交换模块、载人舱仿真模块、载人舱信号处理模块、仿真接口与设备箱连接，用于仿真计算机通过网络交换模块，控制载人舱仿真模块输出仿真后的数字量信号或模拟量信号，经载人舱信号处理模块进行隔离、放大处理后，输出至实体单元；同时实体单元的数字量或模拟量信号通过信号处理模块的隔离、放大处理后，由载人舱仿真模块转换为网络信号传输至仿真计算机；
69.仿真计算机依次通过网络交换模块、串口/网络仿真模块、仿真接口与信号箱连接，用于在仿真计算机控制下，向实体单元输出仿真后的网络信号或串口信号，同时通过该模块接收实体单元的网络或串口信号，并转换为网络信号后传输至仿真控制计算机。此时
可完成实体单元输入输出信号线路及功能正确性的验证，但对于输出信号的实际带载能力需要通过负载进行测试，负载模拟由仿真控制计算机控制电子负载产生，模拟实体单元每路输出信号实际所需承担的负载功率，用以测试实体单元输出的实际带载能力。
70.如图1所示，舱外仿真单元，包括：相互连接的计算机罐仿真模块和计算机罐信号处理器；
71.计算机罐仿真模块通过网络交换模块与仿真计算机连接，用于仿真计算机通过网络交换模块，控制计算机罐仿真模块输出仿真后的数字量信号或模拟量信号至计算机罐信号处理器；
72.计算机罐信号处理器通过仿真接口与计算机罐连接，用于对计算机罐仿真模块输出数字量或模拟量仿真信号进行隔离、放大处理后，输出至实体单元；同时，接收实体单元的数字量或模拟量信号进行隔离、放大处理后，并转换为网络信号发送至计算机罐仿真模块。
73.如图3所示，为本发明虚拟仿真单元子模块划分图；
74.仿真计算机作为虚拟仿真单元核心控制软件，主要负责实体单元输出信号接收与处理、输入信号产生控制以及仿真状态显示。根据载体控制模块传递来的操作控制信息，通过执行机制模拟、数学模型运算等一系列处理，最终得到当前时刻载人潜水器运动状态信息和潜水器上各设备与执行机构的状态信息。包括仿真管理模块、动力学模块、虚拟执行机构模块、虚拟传感器模块及通信模块等，仿真模块需要将得到的这些信息以对应的传感器数据的形式输出到载体控制模块。对于一些难以通过机理建模或数学运算得到的信息，可以通过相应的人机交互界面手动进行设置，以满足系统调试和功能验证的需要，从而保证了对控制系统各部分功能进行全面的仿真验证。
75.仿真软件界面包括了数字量输入控制、数字量输出显示、模拟量输入控制、模拟量输出显示及通信参数设置等界面。数字量输入控制界面，可控制仿真模块产生实体单元的数字量漏水检测等输入信号。模拟量输入控制界面，可调节实体单元的补偿器信号检测、模拟量漏水检测等模拟量输入的幅值。数字量输出显示界面，可指示实体单元的设备及传感器上电等数字量输出信号状态。模拟量输出显示界面，以动态控件形式显示潜水器推进器控制电压等模拟量输出值。通信参数设置界面，主要针对串口及网络通信数据仿真，通过该界面可调节通信协议参数以仿真验证串口与网络通信数据解析的正确性。
76.上述在产生信号过程中，其中，操作信号，包括：数字量信号、模拟量信号、串口信号以及网络信号。
77.模拟仿真信号，包括：仿真后的数字量信号、模拟量信号、串口信号以及网络信号。
78.如图4所示，为本发明三维视景单元功能模块图；
79.三维视景单元由三维视景服务器与三维视景软件组成，利用三维建模手段建立仿真模型和虚拟环境，利用计算机图形图像技术，构造仿真对象的三维模型或再现真实的环境，用以直观呈现仿真过程中载人潜水器在虚拟海洋环境中的运动情况，以保证仿真验证和操作训练过程中的直观性、真实感和临场感，与虚拟仿真单元通网络进行实时通信。三维视景软件主要由三维模型构建、三维视景仿真、距离信息模拟及数据存储与回放等几个模块组成。
80.海底环境模拟，以真实的马里亚纳海沟环境为基础进行仿真还原，同时构建了海
底冷泉等真实环境，后期根据实际需要可随时增加海底环境三维模型。潜水器本体三维模拟以真实潜水器结构模型为基础，主要模拟潜水器三维模型位置和姿态不断更新的过程，该过程主要包括水面备航、无动力下潜、悬停、巡航、无动力上浮、返回水面等，同时从虚拟环境软件得到潜水器的运动速度、角速度、推进器转速等信息，以供视景仿真过程中设置载人潜水器三维模型运动特效作为参考。
81.仿真平台除了具有控制系统性能仿真验证外，还具备潜水器真实下潜过程回放与科普演示功能。实艇潜水器在整个下潜过程中，控制系统随时记录下潜过程数据，通过下潜过程数据及数据分析软件可分析潜水器下潜过程中每一时刻的状态，数据分析软件主要以数据曲线及报告的方式对潜水器下潜过程进行后期分析处理，仿真平台过程回放功能，可实现潜水器下潜过程三维动态还原，将潜水器下潜数据导入至仿真软件，运行后，三维视景单元根据潜水器下潜真实数据动态模拟真实的下潜及作业过程，直观观察潜水器的作业流程，便于潜水器故障分析及作业流程回放。
82.科普演示功能是指仿真平台在脱离实际单元与虚拟仿真单元的情况下进行潜水器运动操纵控制。三维视景软件界面可选择科学仿真模式与虚拟驾驶模式，在科学仿真模下，仿真平台进行控制系统实体单元功能仿真验证，在虚拟驾驶模式下，三维视景单元直接接收操纵部件的运动控制信号，潜水器三维模型可根据操纵人员的操纵指令实现多自由度的模拟运动，实现仿真平台在无实体单元的情况下进行科普展示的功能。
83.本发明采用的控制及模拟仿真方法包括以下步骤：
84.1)仿真平台总供电为220vac，采用4部相互隔离电源模块为实体单元和虚拟仿真单元供电，模拟潜水器的真实供电逻辑。仿真平台开机前，首先将实体单元进行安装，与虚拟仿真单元进行连接；
85.2)平台上电后，进入运行状态，虚拟仿真单元的仿真计算机将产生模拟仿真信号对应通过舱内仿真单元或舱外仿真单元输出至实体单元相对应的部件；实体单元接收虚拟仿真单元产生的模拟仿真信号，以实现虚拟参数应用于实体单元中；
86.实体单元接收到虚拟仿真单元产生的模拟仿真信号后对模拟仿真信号进行解析，将模拟仿真信号中的虚拟参数应用于实体单元中后，实时显示当前潜水器的运动状态；
87.潜航员针对目前潜水器的运动状态进行操作，控制实体单元中操作面板和操纵部件产生操作信号通过至舱内仿真单元或舱外仿真单元发送至仿真计算机，并实时显示仿真运动状态数据；同时，仿真计算机根据仿真运动状态数据进行潜水器控制系统功能测试；
88.3)仿真计算机将仿真运动状态数据发送至三维视景单元，三维视景单元对仿真运动状态数据进行实时解析，结合潜水器三维模型以及设置的场景模型，实现潜水器在不同场景下的动态模拟。
89.针对实体单元数字量输出信号，通过操作面板和触控面板开关进行控制，开关动作后，在仿真软件界面具有数字量输出正确状态指示，验证数字量信号输出控制是否正常。
90.针对实体单元数字量输入信号，通过操作仿真软件界面的数字量输入控制控件，模拟仿真控制模块输出实体单元的数字量输入信号，在实体单元的综合显控界面观察数字量输入信号采集是否正常，验证数字量信号输入控制是否正常。
91.针对实体单元模拟量输出信号，通过操纵航行控制操纵部件，在仿真软件界面观察推进器控制电压是否正常，同时观察实体单元综合显控界面所接收的虚拟反馈推进器电
流与转速是否正常，验证模拟量信号输出控制是否正常。在操纵潜水器的同时，观察三维视景软件中模拟潜水器的运动与操纵是否一致，以验证三维模拟运动是否正常。
92.针对实体单元模拟量输入信号，通过操作仿真软件界面的模拟量输入控制控件，模拟仿真控制模块输出实体单元的模拟量输入信号，在实体单元的综合显控界面观察补偿器、漏水检测等信号采集是否正常，验证模拟量信号输入控制是否正常。
93.针对串口通信信号，仿真软件结合仿真串口模块，根据控制系统与其他分系统间的串口通信协议以及传感器数据采集通信协议，自动计算并实时向实体单元发送模拟串口数据，同时可根据需求，在仿真软件界面进行串口通信参数设置。
94.针对网络通信信号，仿真软件结合仿真网络模块，根据网络通信协议，模拟其他分系统网络通信信号，实时与实体单元进行通信，通过综合显控界面与仿真软件界面，观察网络通信状态及数据是否正常，同时可根据需求，在虚拟仿真软件界面进行网络通信参数设置。
95.针对逻辑控制及算法验证，可通过不断调整环境控制参数，模拟真实的作业环境，观察潜水器的运动状态，分析其运行数据，最终确定潜水器运动控制的控制参数，待下一步进行实艇验证。
96.综上所述，全海深载人潜水器控制系统仿真平台，既可以实现载人潜水器实艇控制系统功能验证功能，提高潜水器总装联调效率，增强系统安全性，作为后期功能优化升级的前期验证平台，又可以实现科普演示功能，是集工程应用与科普展示于一体的综合性控制系统仿真平台。
97.以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。