潜艇操纵动力学仿真单元的设计与实现

摘要

航行训练模拟器测试平台能够集中对航行训练模拟器的各种分设备进行测试,统一协调控制多个模拟器分设备的运行,确保航行训练模拟器能够准确地模拟潜艇正常操作。潜艇操纵动力学仿真单元是航行训练模拟器测试平台的重要组成部分,它以潜艇仿真模型为依据,能够实现潜艇水下车、舵、均衡操纵性仿真,完成潜艇六自由度方程的解算和信息输出,具备模拟导航仪器输出功能。潜艇模型的建立和解算是潜艇操纵动力学仿真单元的关键问题。本文以航行训练模拟器测试平台中的潜艇操纵动力学仿真单元为研究对象,对其进行设计与实现,并对潜艇动力学模型的建立及解算技术进行了深入地研究,论文主要工作和成果有:
　　 通过对潜艇操纵性技术与系统仿真技术的研究,结合工程实际,合理地提出了潜艇操纵动力学仿真单元的系统方案。建立了系统的体系结构、与航行训练模拟器测试平台其他设备交互的信息流结构、系统模型结构、系统软件结构,并以VC++和Matlab混合编程方式实现了其中的各个功能模块。
　　 系统地提出了潜艇模型解算的方法。首先根据常微分方程的一般形式,将潜艇空间操纵运动标准模型转换为便于解算的形式,然后将常微分方程标准解算方法用于模型解算的试验,发现标准算法进行解算存在很大的问题。分析问题产生的原因,提出将实时仿真算法用于潜艇模型的解算。通过阅读大量文献和对实时仿真算法的研究,最终选择采用通过模拟退火寻优法得出的实时五级四阶龙格库塔算法对本文潜艇模型进行解算。然后从Z形舵运动、水平面回转运动和梯形舵运动三种实验中提取操纵性指标,对本文的仿真算法进行了测试,验证了该算法数值仿真结果基本能够符合潜艇运动规律,能够满足系统的要求。同时为了便于今后对各种不同解算方法进行校核,本文还设计并实现了基于以上三个操纵性试验的潜艇运动模型算法校核工具。
　　 最后本文在对基本软件测试方法研究的基础上,综合各种测试方法并结合本系统的特点,提出本系统的测试方法,按照单元测试、集成测试、系统测试这三个步骤,结合白盒测试、黑盒测试和性能测试能方法,分别对潜艇操纵动力学仿真单元各个功能模块进行测试,验证了潜艇操纵动力学仿真单元能够满足系统要求。