用于自主水下航行器自动驾驶仪计算机测试的实时仿真装置

摘要

本发明公开用于自主水下航行器自动驾驶仪计算机测试的实时仿真装置，包括：导航与控制仿真计算机、自动驾驶仪的控制计算机、视景仿真计算机、多普勒测速仪模拟器、罗经模拟器、深度传感器模拟器和舵机模拟器；所述多普勒测速仪模拟器和罗经模拟器通过RS232接口，所述深度传感器模拟器通过A/D接口以及所述舵机模拟器通过D/A接口将将所述导航与控制仿真计算机和自动驾驶仪的控制计算机相互连接，所述导航与控制仿真计算机将启动信号通过数字1接口发送，自动驾驶仪的控制计算机将停车信号通过数字0接口发送导航与控制仿真计算机，由视景仿真计算机进行可视化显示。利用该实时仿真装置，可以在实验室内对自主水下航行器自动驾驶仪计算机进行系统测试。

说明书

技术领域

本发明涉及用于自主水下航行器自动驾驶仪计算机测试的实时仿真装置，属于水下航行器控制系统实时仿真领域。

背景技术

在新型自主水下航行器自动驾驶仪的研制过程中，如果直接采用湖、海试验进行开发，存在周期长、耗资大等缺点。通常的作法是先进行半实物实时仿真，设计控制律，然后进行实航验证。这样就可以大大节省研制经费，降低试验风险，有效提高项目开发的速度。所以，构建相应的实时仿真系统是研制自主水下航行器中的一个非常重要的环节。

发明内容

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出用于自主水下航行器自动驾驶仪计算机测试的实时仿真装置。

本发明的技术特征在于

用于自主水下航行器自动驾驶仪计算机测试的实时仿真装置，包括：

导航与控制仿真计算机、自动驾驶仪的控制计算机、视景仿真计算机、多普勒测速仪模拟器、罗经模拟器、深度传感器模拟器和舵机模拟器；

所述多普勒测速仪模拟器和罗经模拟器通过RS232接口，所述深度传感器模拟器通过A/D接口以及所述舵机模拟器通过D/A接口将将所述导航与控制仿真计算机和自动驾驶仪的控制计算机相互连接，

所述导航与控制仿真计算机将启动信号通过数字1接口发送，自动驾驶仪的控制计算机将停车信号通过数字0接口发送导航与控制仿真计算机；

所述导航与控制仿真计算机最后通过以太网将自主水下航行器的姿态、速度、角速度以及经纬度和深度发送给视景仿真计算机，由视景仿真计算机进行可视化显示。

在本发明的一个优选实施例中，所述的多普勒测速仪模拟器将得到的自主水下航行器的前向速度、侧向速度和垂向速度，转换为多普勒速度仪的数据格式输出给自动驾驶仪的控制计算机的多普勒速度仪数据接收串口，每帧数据格式为BS,±TTTTT,±LLLLL,±NNNNN,S，其中：

±TTTTT＝侧向速度值(mm/s)

±LLLLL＝前向速度值(mm/s)

±NNNNN＝垂向速度值(mm/s)

S＝速度数据有效标志，A＝有效，V＝无效；

上述数据更新频率为每秒1次。

在本发明的一个优选实施例中，所述的罗经模拟器将得到的自主水下航行器的航向角、俯仰角和横滚角按照罗经的通讯协议输出给自动驾驶仪计算机的罗经数据接收串口；转换协议规定为：罗经模拟器向自动驾驶仪计算机发送航向、俯仰和横滚角度以及工作状态信号，每帧数据共15字节。

在本发明的一个优选实施例中，所述的深度传感器模拟器将得到的自主水下航行器的航行深度，按照深度传感器的输出电压与深度的关系转换为电压值，输出给自动驾驶仪计算机的深度传感器数据采样端口，静态转换关系为v＝y/12+1，其中，v为输出深度传感器模拟器输出的电压，y为实时仿真计算机的航行深度。

在本发明的一个优选实施例中，所述的舵机模拟器将自动驾驶仪的控制计算机输出的舵机指令电压信号，转换为实际舵角信号，动态传递函数模型为其中，δ_d为自动驾驶仪计算机输出的舵角指令，δ为舵机模拟器输出的实际舵角，T为舵机的时间常数，取为0.05sec。

本发明提出的用于自主水下航行器自动驾驶仪计算机测试的实时仿真装置，有益效果为：

利用该实时仿真装置，可以在实验室内对自主水下航行器自动驾驶仪计算机进行系统测试，测试内容涵盖数据采集、控制解算和舵机驱动等，降低测试成本，缩短研制周期，是开展自主水下航行器自动驾驶仪技术研究的有效手段。

附图说明

图1是实时仿真系统的原理框图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

图1所示远程水雷分布式半实物仿真系统主体框架，具体实现为：

PC104工控机完成自主水下航行器导航、导引和控制的全部功能，将解算得到的自主水下航行器的航向角、俯仰角和横滚角按照罗经的通讯协议通过RS232串口发出至控制计算机，从而完成罗经的模拟；

将解算到的自主水下航行器的姿态、速度、角速度以及经纬度和深度通过RS232串口发送给；

将解算出来的航行深度进行比例转换，并通过A/D发送至控制计算机，同时接收并D/A转换送来的数据，从而完成深度传感器的模拟；并通过以太网将自主水下航行器的姿态、速度、角速度以及经纬度和深度发送给视景仿真计算机，由视景仿真计算机进行可视化显示。

系统所需的传感器仿真器实现流程为：

罗经数据处理主要是模拟罗经，周期性输出固定长度的字符串的数据。罗经数据包括航向角ψ、俯仰角θ、横滚角φ字符串数据，长度为15个字节。

其中，

第1字节：通讯标志：“*”；

第2字节：工作状态：“@”为待机状态，“！”为航向姿态组件工作状态，“？”为航向姿态组件故障；

第3字节：航向角百位；

第4字节：航向角十位；

第5字节：航向角个位；

第6字节：航向角小数位；

第7字节：俯仰角符号位“+或-”。

第8字节：俯仰角十位。

第9字节：俯仰角个位。

第10字节：俯仰角小数位。

第11字节：横滚角符号位“+或-”。

第12字节：横滚角十位。

第13字节：俯仰角个位。

第14字节：横滚角小数位。

第15字节：结束标志“^”；

所述航向角定义为北偏东为正，俯仰角抬头为正，横滚角从雷尾看右滚为正；数据更新频率为每秒10次。

罗经的数据接收是通过中断来接收字符串，每隔0.1s中断接收一次罗经数据，当完整的一帧数据接收完毕，将新数据的存储地址送到与该任务对应消息队列中，等待罗经数据处理任务的解析处理。

多普勒测速仪主要用于测量自主水下航行器相对于大地的速度在载体系3个轴方向上的分量V_X、V_Y、V_Z及自主水下航行器相对于海底的高度H。多普勒测速仪的数据接收采用中断方式，当接收到完整一帧多普勒数据，将新数据的存储地址发送到与该任务对应的消息队列中，等待处理。查询消息队列，是否有新的多普勒数据。如果没有，则继续查询。如果有新的数据到来，按照通信协议解析数据中的多普勒对海底和对水层的速度信息。

罗经模拟器向自动驾驶仪计算机发送航向、俯仰和横滚角度以及工作状态信号，每帧数据共15字节。其中：

±TTTTT＝侧向速度值(mm/s)

±LLLLL＝前向速度值(mm/s)

±NNNNN＝垂向速度值(mm/s)

S＝速度数据有效标志，A＝有效，V＝无效；

上述数据更新频率为每秒1次。

深度传感器是用以测量航行的深度z。深度数据采样通过周期性的读取相应数据采集卡AD端口，获得当前深度传感器的输出电压。电压数据的采集转换是通过周期性中断触发的，按照深度传感器的输出电压与深度的关系转换为电压值，输出给自动驾驶仪计算机的深度传感器数据采样端口，静态转换关系为v＝y/12+1，其中，v为输出深度传感器模拟器输出的电压，y为实时仿真计算机的航行深度。

采集到新的数据后，将新数据的存储地址发送到与该任务对应的消息队列中，等待处理。首先查询消息队列，是否有新的数据收到。如果长时间没有新数据收到，则认为数据采集卡有故障，更新数据采集卡的状态标志。如果有新的数据收到，则根据深度与深度传感器电压的数学关系进行转换，获取当前深度的信息，并认为任务深度传感器工作正常，更新软件中数据采集卡的状态标志。

舵机模拟器将自动驾驶仪计算机输出的舵机指令电压信号，转换为实际舵角信号，动态传递函数模型为其中，δ_d为自动驾驶仪计算机输出的舵角指令，δ为舵机模拟器输出的实际舵角，T为舵机的时间常数，取为0.05sec。