CN109911110A - 变稳船 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种变稳船，包括模拟船体，以及在模拟船体上设置的数值模拟***、智能控制***、动力***和数据采集***；数值模拟***将目标船舶实时运动状态作为变稳船整体构架的输入数据，通过船舶运动动力预测模型分析出目标船舶在六自由度上的受力情况，运用船舶运动动力转换模型将目标船舶的整体受力转换为变稳船的六自由度等效受力情况，预测变稳船六自由度上的动力输出值；智能控制***计算当前状态下动力***的转速和方向角调整的最佳方案，根据数据采集***采集的参数，对动力***的输出参数进行反馈修正。本发明首次提出变稳船的概念，为船舶人工智能驾驶程序提供通用的验证平台。
Description
技术领域
本发明涉及特种船只，具体涉及一种变稳船。
背景技术
智能船时代，船舶的驾驶将逐渐交由人工智能程序完成，如何判断人工智能程序具备操纵不同船舶的能力，成为一个核心难题。其中一个主要障碍在于，不同船舶的尺度、水动力学特性等都存在极大的区别。在某一船型上具备自主驾驶能力的人工智能程序，很难证明在其他船上一样有效，未来直接让不经验证的人工智能程序操作大型船只本身十分危险，需要一个通用的验证平台。
在研制现代飞机的过程中，变稳飞机已经成为一种研制飞机的综合试验方法的主要手段。变稳飞机，全称变稳定性飞机，又叫空中飞行模拟器。它作为模拟空中飞行的专用载体，能够在不改变飞行条件的情况下，通过使用特殊的电传操纵***，调整变稳飞行控制律的参数，使得飞机以及操纵***的性能在较大参数范围内可变，甚至在必要时，也能改变座舱环境和飞行仪表，改变飞机的动态特性，从而在空中模拟其他飞机的操纵品质。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种变稳船，即变稳定性船只，能够模拟不同尺度、不同水动力特性的目标船航行状态，作为一种通用型验证平台。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种变稳船，其特征在于：它包括模拟船体，以及在模拟船体上设置的数值模拟***、智能控制***、动力***和数据采集***；其中，
所述的动力***用于模拟待模拟的目标船舶的推进与转向；
所述的数据采集***用于实时采集变稳船在航行过程中的推进参数和六自由度上的实时运动参数；
所述的数值模拟***，用于将待模拟的目标船舶实时运动状态作为变稳船整体构架的输入数据，通过船舶运动动力预测模型分析出目标船舶在六自由度上的受力情况，再运用船舶运动动力转换模型将目标船舶的整体受力转换为变稳船的六自由度等效受力情况，预测变稳船六自由度上的动力输出值；
所述的智能控制***，用于根据所述的变稳船六自由度上的动力输出值，计算当前状态下动力***的转速和方向角调整的最佳方案，转换成相应的输出信号传递给动力***；同时根据数据采集***采集的变稳船在航行过程中的推进参数和六自由度上的实时运动参数，与目标船舶对应运动状态进行对比，对动力***的输出参数进行修正；
所述的六自由度包括横荡、纵荡、艏摇、横摇、纵摇和垂荡。
按上述方案，所述的动力***由4个全回转推进器构成，其中模拟船体的艏部的左右各设置一个全回转推进器，模拟船体的艉部的左右各设置一个全回转推进器；4个全回转推进器通过智能控制***直接控制，全回转推进器的输出参数包括全回转推进器的方向角以及螺旋桨的转速；通过控制螺旋桨的转速使全回转推进器产生大小不同的推力，通过控制全回转推进器的方向实现对螺旋桨推力的控制；4个全回转推进器产生不同大小和方向的推力，作用于模拟船体提供前进的动力和转向的操纵力，使变稳船的受力状态与目标船一致。
按上述方案，所述的数据采集***由惯性测量模块IMU、定位***、转速传感器和角度传感器组成；通过惯性测量模块测量变稳船运动时在六个自由度上的任意时刻速度与加速度，从而得到变稳船舶实时的运动状态；通过定位***测量变稳船实时的航迹和航向角；通过转速传感器测量全回转推进器的螺旋桨转速；通过角度传感器测量全回转推进器的方向角。
按上述方案，所述的数值模拟***主要通过船舶运动动力预测模型和船舶运动动力转换模型两部分组成；其中，通过船舶运动动力预测模型对目标船舶的运动参数进行分析，从而得到目标船舶航行中的水动力特性；通过船舶运动动力转换模型将目标船的受力特性转换为变稳船的等效受力特性；再次利用船舶运动动力预测模型得到动力***中各装置的输出参数；
船舶运动动力预测模型和船舶运动动力转换模型主要通过应用船舶操纵性相关的经验回归公式和计算流体力学方法得到的结果建立。
按上述方案，所述的船舶运动动力预测模型是指已知目标船航行时的运动参数和水动力导数值，采用船舶操纵性相关的经验回归公式和计算流体力学方法，计算预测出变稳船所受外力的大小和方向；并且由变稳船所受外力大小和方向计算预测出变稳船的运动参数。
按上述方案，所述的船舶运动动力转换模型根据缩尺比和相似原则将目标船舶的受力情况等效到变稳船上，得到变稳船的每个全回转推进器的转速和角度值，实现变稳船和目标船舶运动和动力特性的一致性。
按上述方案，所述的智能控制***包括反馈***、决策***和执行***；其中，决策***对数值模拟***的输出参数进行进一步的分析和处理，得到当前状态下动力***4个全回转推进器的转速和方向角调整最佳方案；执行***将4个全回转推进器的转速和方向角调整最佳方案转换为相应的输出信号，控制全回转推进器的方向和螺旋桨的转速；反馈***接收数据采集***实时采集的变稳船的运动参数，并反馈给决策***，决策***实时检测反馈的变稳船的运动参数，与目标船舶的原始信号进行对比，并进行PID参数调节，改变动力***的输出参数，使得变稳船在六个自由度的速度和加速度均与目标船舶保持一致。
本发明的有益效果为：首次提出变稳船的概念，为船舶人工智能驾驶程序提供通用的验证平台，验证人工智能驾驶程序在不同目标船上的控制效果；提出船舶运动动力预测模型和船舶运动动力转换模型，实现目标船与变稳船的受力状态的等效转换功能。
附图说明
图1为本发明一实施例的整体构架图。
图2为本发明一实施例的***构架图。
图3为本发明一实施例的反馈调节机制框图。
图4为本发明一实施例的整体运行结构图。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
如图1至图4所示，本发明提供一种变稳船，包括模拟船体，以及在模拟船体上设置的数值模拟***、智能控制***、动力***和数据采集***。
所述的动力***用于模拟待模拟的目标船舶的推进与转向。所述的动力***由4个全回转推进器构成，每个全回转推进器可以单独控制其螺旋桨转速和方向角，四个全回转推进器最终可以产生一个任意方向上的合推力。其中模拟船体的艏部的左右各设置一个全回转推进器，模拟船体的艉部的左右各设置一个全回转推进器；4个全回转推进器通过智能控制***直接控制，全回转推进器的输出参数包括全回转推进器的方向角以及螺旋桨的转速；通过控制螺旋桨的转速使全回转推进器产生大小不同的推力，通过控制全回转推进器的方向实现对螺旋桨推力的控制；4个全回转推进器产生不同大小和方向的推力，作用于模拟船体提供前进的动力和转向的操纵力，使变稳船的受力状态与目标船一致。
所述的数据采集***用于实时采集变稳船在航行过程中的推进参数和六自由度上的实时运动参数。六自由度包括横荡、纵荡、艏摇、横摇、纵摇和垂荡。所述的数据采集***由惯性测量模块IMU、定位***（例如GPS、北斗）、转速传感器和角度传感器组成；通过惯性测量模块测量变稳船运动时在六个自由度上的任意时刻速度与加速度，从而得到变稳船舶实时的运动状态；通过定位***测量变稳船实时的航迹和航向角；通过转速传感器测量全回转推进器的螺旋桨转速；通过角度传感器测量全回转推进器的方向角。
所述的数值模拟***，用于将待模拟的目标船舶实时运动状态作为变稳船整体构架的输入数据，通过船舶运动动力预测模型分析出目标船舶在六自由度上的受力情况，再运用船舶运动动力转换模型将目标船舶的整体受力转换为变稳船的六自由度等效受力情况，预测变稳船六自由度上的动力输出值。
所述的数值模拟***主要通过船舶运动动力预测模型和船舶运动动力转换模型两部分组成；其中，通过船舶运动动力预测模型对目标船舶的运动参数进行分析，从而得到目标船舶航行中的水动力特性；通过船舶运动动力转换模型将目标船的受力特性转换为变稳船的等效受力特性；再次利用船舶运动动力预测模型得到动力***中各装置的输出参数。
船舶运动动力预测模型和船舶运动动力转换模型主要通过应用船舶操纵性相关的经验回归公式和计算流体力学方法得到的结果建立。
进一步的，所述的船舶运动动力预测模型是指已知目标船航行时的运动参数（航线、航速、航向角、航向角速度）和水动力导数值，采用船舶操纵性相关的经验回归公式和计算流体力学方法，计算预测出变稳船所受外力的大小和方向；并且由变稳船所受外力大小和方向计算预测出变稳船的运动参数。
再进一步的，所述的船舶运动动力转换模型根据缩尺比和相似原则将目标船舶的受力情况等效到变稳船上，得到变稳船的每个全回转推进器的转速和角度值，实现变稳船和目标船舶动和动力特性的一致性。
所述的智能控制***，用于根据所述的变稳船六自由度上的动力输出值，计算当前状态下动力***的转速和方向角调整的最佳方案，转换成相应的输出信号传递给动力***；同时根据数据采集***采集的变稳船在航行过程中的推进参数和六自由度上的实时运动参数，与目标船舶对应运动状态进行对比，对动力***的输出参数进行修正。
进一步细化的，所述的智能控制***包括反馈***、决策***和执行***；其中，决策***对数值模拟***的输出参数进行进一步的分析和处理，得到当前状态下动力***4个全回转推进器的转速和方向角调整最佳方案；执行***将4个全回转推进器的转速和方向角调整最佳方案转换为相应的输出信号，控制全回转推进器的方向和螺旋桨的转速；反馈***接收数据采集***实时采集的变稳船的运动参数，并反馈给决策***，决策***实时检测反馈的变稳船的运动参数，与目标船舶的原始信号进行对比，并进行PID参数调节，改变动力***的输出参数，使得变稳船在六个自由度的速度和加速度均与目标船舶保持一致。
本发明参考飞机的研发过程，开发出一种具有变稳定性的特种船只，即变稳船。它可以通过软硬件的快速配置，模拟出不同吨位、不同动力、不同流线船只的操控特性，让人工智能程序提前在此类变稳船上验证自主驾驶能力，从而控制风险，提高开发安全性与效率。具体原理为：通过实船的数据采集***，将目标船实时的运动状态进行记录，作为变稳船整体构架的输入数据，将采集的数据通过数值模拟***中的船舶运动动力预测模型分析出目标船船体在六自由度上的受力情况；再运用船舶运动动力转换模型将目标船的整体受力转换为变稳船的六自由度等效受力情况。根据变稳船的受力状态运用船舶运动动力预测模型得到变稳船六自由度上的动力输出值，智能控制***中的决策***根据六自由度上的动力输出值计算出当前状态下动力***四个全回转推进器转速和方向角调整的最佳方案，交由智能控制***中的执行***转换成相应的输出信号并传递给动力***，使变稳船与目标船在六个自由度上产生等效的速度和加速度。同时，智能控制***还将变稳船数据采集***采集的实时六自由度的运动状态与目标船对应运动状态进行对比，对动力***的输出参数进行修正，保证变稳船在六个自由度上产生速度和加速度的精确性。
本发明提供一种具有变稳定性的特种船只，即变稳船，通过分析不同目标船舶水动力特性及其运动特性等，进行软硬件的快速配置，实时调整变稳船船舶动力装置的输出参数，以期达到模拟出不同吨位、不同动力、不同流线船只的实际操控特性的目的，让人工智能程序提前在此类变稳船上模拟目标船航行，验证其自主驾驶能力，从而更好的验证人工智能驾驶程序在不同船舶上的操纵能力。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种变稳船，其特征在于：它包括模拟船体，以及在模拟船体上设置的数值模拟***、智能控制***、动力***和数据采集***；其中，
所述的动力***用于模拟待模拟的目标船舶的推进与转向；
所述的数据采集***用于实时采集变稳船在航行过程中的推进参数和六自由度上的实时运动参数；
所述的数值模拟***，用于将待模拟的目标船舶实时运动状态作为变稳船整体构架的输入数据，通过船舶运动动力预测模型分析出目标船舶在六自由度上的受力情况，再运用船舶运动动力转换模型将目标船舶的整体受力转换为变稳船的六自由度等效受力情况，预测变稳船六自由度上的动力输出值；
所述的智能控制***，用于根据所述的变稳船六自由度上的动力输出值，计算当前状态下动力***的转速和方向角调整的最佳方案，转换成相应的输出信号传递给动力***；同时根据数据采集***采集的变稳船在航行过程中的推进参数和六自由度上的实时运动参数，与目标船舶对应运动状态进行对比，对动力***的输出参数进行修正；
所述的六自由度包括横荡、纵荡、艏摇、横摇、纵摇和垂荡。
2.根据权利要求1所述的变稳船，其特征在于：所述的动力***由4个全回转推进器构成，其中模拟船体的艏部的左右各设置一个全回转推进器，模拟船体的艉部的左右各设置一个全回转推进器；4个全回转推进器通过智能控制***直接控制，全回转推进器的输出参数包括全回转推进器的方向角以及螺旋桨的转速；通过控制螺旋桨的转速使全回转推进器产生大小不同的推力，通过控制全回转推进器的方向实现对螺旋桨推力的控制；4个全回转推进器产生不同大小和方向的推力，作用于模拟船体提供前进的动力和转向的操纵力，使变稳船的受力状态与目标船一致。
3.根据权利要求2所述的变稳船，其特征在于：所述的数据采集***由惯性测量模块IMU、定位***、转速传感器和角度传感器组成；通过惯性测量模块测量变稳船运动时在六个自由度上的任意时刻速度与加速度，从而得到变稳船舶实时的运动状态；通过定位***测量变稳船实时的航迹和航向角；通过转速传感器测量全回转推进器的螺旋桨转速；通过角度传感器测量全回转推进器的方向角。
4.根据权利要求1所述的变稳船，其特征在于：所述的数值模拟***主要通过船舶运动动力预测模型和船舶运动动力转换模型两部分组成；其中，通过船舶运动动力预测模型对目标船舶的运动参数进行分析，从而得到目标船舶航行中的水动力特性；通过船舶运动动力转换模型将目标船的受力特性转换为变稳船的等效受力特性；再次利用船舶运动动力预测模型得到动力***中各装置的输出参数；
船舶运动动力预测模型和船舶运动动力转换模型主要通过应用船舶操纵性相关的经验回归公式和计算流体力学方法得到的结果建立。
5.根据权利要求4所述的变稳船，其特征在于：所述的船舶运动动力预测模型是指已知目标船航行时的运动参数和水动力导数值，采用船舶操纵性相关的经验回归公式和计算流体力学方法，计算预测出变稳船所受外力的大小和方向；并且由变稳船所受外力大小和方向计算预测出变稳船的运动参数。
6.根据权利要求4所述的变稳船，其特征在于：所述的船舶运动动力转换模型根据缩尺比和相似原则将目标船舶的受力情况等效到变稳船上，得到变稳船的每个全回转推进器的转速和角度值，实现变稳船和目标船舶运动和动力特性的一致性。
7.根据权利要求2所述的变稳船，其特征在于：所述的智能控制***包括反馈***、决策***和执行***；其中，决策***对数值模拟***的输出参数进行进一步的分析和处理，得到当前状态下动力***4个全回转推进器的转速和方向角调整最佳方案；执行***将4个全回转推进器的转速和方向角调整最佳方案转换为相应的输出信号，控制全回转推进器的方向和螺旋桨的转速；反馈***接收数据采集***实时采集的变稳船的运动参数，并反馈给决策***，决策***实时检测反馈的变稳船的运动参数，与目标船舶的原始信号进行对比，并进行PID参数调节，改变动力***的输出参数，使得变稳船在六个自由度的速度和加速度均与目标船舶保持一致。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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