模块化的船舶运动控制调试系统及船舶运动控制调试方法

摘要

本发明提供了一种模块化的船舶运动控制调试系统及船舶运动控制调试方法。所述船舶运动控制调试系统包括运动控制单元、运动模拟单元和调试界面；可满足常速和低速船舶运动控制的二次开发和调试需求，可对比分析控制参数变化时的运动变化趋势，引导调试方向，提高调试效率。本申请采用模块化设计，使其可配置不同的船舶运动类型和控制类型，适用于对不同船舶进行运动控制的二次开发。调试界面可以向运动控制单元下达期望位姿，也可以设定其控制参数，同时还可以绘图显示，使调试信息形象化，方便洞察参数变化引起的运动趋势和影响规律，指导调试思路，避免调试过程中的无效试凑，降低调试过程中的枯燥感和混乱感，提高调试体验和效率。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶运动控制领域，具体为适用于实验室仿真的一种模块化的船舶运动控制调试系统及船舶运动控制调试方法。

背景技术

船舶在大海中航行或者作业时，由于其运动特性具有强非线性，且海洋环境复杂多变，因此在对其进行运动控制时，需要针对不同的船舶和运动类型，建立对应的船舶运动数学模型，设计对应的运动控制方法。由于船舶进行水平面运动时，其三个自由度上的运动相互耦合。因此控制参数变化时的各自由度运动趋势不容易观察，调试规律不易获取，需要反复试凑调试，导致控制参数调试过程繁杂无序，调试效率较低。此外进行实船海上试验调试时，耗时长、费用高、机会少等，因此必须提前进行充分的仿真试验调试。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种模块化的船舶运动控制仿真调试系统及船舶运动控制调试方法，可满足常速和低速船舶运动控制的二次开发和调试需求，可对比分析控制参数变化时的运动变化趋势，引导调试方向，提高调试效率。

所述船舶运动控制调试系统包括运动控制单元、运动模拟单元和调试界面；

所述运动控制单元包括多个模块，用于模拟船舶的运动控制方式，所述船舶的运动控制方式包括常速船舶的欠驱动控制、低速船舶的动力定位控制或选择添加的可编辑式运动控制算法；

所述运动模拟单元包括多个模块，用于模拟具有各种主尺度和桨舵配置的船舶的运动状态；

所述调试界面用于通过绘图显示多次模拟船舶的运动状态变化曲线和相轨迹，通过对比多次模拟结果进行所述运动控制单元和/或所述运动模拟单元的各模块的参数调整。

进一步的，在进行仿真模拟之前，需要对所述运动控制单元和所述运动模拟单元的各模块的参数进行配置，在配置完成之后进行仿真模拟，并将配置参数保存入配置文件。

进一步的，所述运动控制单元包括测量模块、估计模块和控制模块；

所述测量模块用于模拟罗经来获取位置参考系统，对所述运动模拟单元传送来的船舶运动状态、推进器运行状态和海洋环境状态的数据进行分析和处理，然后传送给估计模块；

所述估计模块用于对所述测量模块传送过来的数据进行处理，以计算船舶的运动状态；所述估计模块包括可选择设置的真值模式和滤波模式；所述估计模块默认为真值模式，直接使用测量值计算船舶的运动状态；所述滤波模式包括可选择设置的中值滤波、Alpha-Beta滤波、EKF滤波、无源观测器，所述滤波模式用于通过滤波器及估计器对所述测量模块传送过来的数据进行滤波和估计，以获取平滑数据；

所述控制模块用于配置船舶的运动控制类型及其控制方法和参数；所述船舶的运动控制类型包括常速控制和低速控制；所述常速控制以舵角为控制变量，默认为PID控制，且可调整控制参数，可自定义添加或编辑控制方法；所述低速控制以三自由度的广义控制力为控制变量，默认为PID控制，可调整控制参数，可自定义添加或编辑控制方法；所述控制模块根据所述估计模块计算的船舶运动状态和所选的船舶的运动控制类型及其控制方法和参数，计算出控制指令，并传送给船舶运动模拟单元。

进一步的，所述运动控制单元还包括前馈模块；

所述前馈模块用于补偿环境干扰数据；所述前馈模块包括无前馈模式和风前馈模式，其默认为无前馈模式，可选择设置风前馈模式。

进一步的，所述船舶运动模拟单元包括指令模块、桨舵模块、环境模块、船体模块；

所述指令模块可选择设置的控制力指令模式和桨舵指令模式；所述控制力指令模式为从船舶运动控制单元接收三自由度广义控制力指令，并传送给桨舵模块；所述桨舵指令模式为从船舶运动控制单元接收各桨舵指令，并传送给桨舵模块；

所述桨舵模块包括可选择设置的抽象桨舵模块和模拟桨舵模块；所述抽象桨舵模块模拟广义控制力的动态特性，根据广义控制力指令更新广义控制力，并传送给船体模块；所述模拟桨舵模块模拟各桨舵动态特性，配置各桨舵的类型、尺度、位置，根据桨舵指令更新桨舵状态，并根据桨舵模型计算得出各桨舵合力作为广义控制力，传送给船体模块；

所述船体模块包括可选择设置的常速模块和低速模块，用于常速船舶的运动模拟或用于低速船舶的运动模拟，可选择或添加适用不同环境的船舶数学模型模块；在所述常速模块中通过输入船舶主尺度参数后生成模拟船舶常速运动数学模型；在所述选低速模块中输入船舶质量和阻尼参数后生成模拟船舶低速运动数学模型；所述船体模块接收桨舵控制力，并根据对应的船舶数学模型更新船舶运动状态。

进一步的，所述常速模块包括井上模型和桨舵模型；所述常速模块通过设置自由舵方式进行常速控制；

所述低速模块包括船体模型和控制力模型；所述低速模块通过设置自动方向和自动定位方式进行低速控制。

进一步的，所述船舶运动模拟单元还包括环境模块；

所述环境模块包括可选择设置的风模型、浪模型、流模型；在所述风模型中，可设置平均风的绝对风速、绝对风向、风压系数、阵风参数、随机风参数；在所述浪模型中，可设置有义浪高、绝对浪向、波浪谱；在所述流模型中，可设置绝对流速、绝对流向、流力表；所述环境模块根据选选择的参数配置和船舶运动状态，计算出作用于船体的环境干扰力，并传送给船体模块；

所述船体模块接收桨舵控制力和环境干扰力，根据对应船舶数学模型更新船舶运动状态。

进一步的，所述调试界面包括配置区、绘图区和仿真倍速控制区；

所述配置区用于对仿真时间、控制单元、模拟单元进行配置；

所述绘图区用于展示艏向、纵向、横向的运动状态和相平面图；

所述仿真倍速控制区用于控制仿真模拟过程中的倍速。

进一步的，所述配置区还设有刷新按钮，其默认值设置为不刷新，用以展示多次模拟船舶的运动状态变化曲线和相轨迹，方便对比分析；当点击刷新后，所述绘图区内的数据清零。

本申请还提供一种船舶运动控制调试方法，包括步骤：

根据前文所述的模块化的船舶运动控制调试系统配置一号船方案，载入常速船舶运动数学模型及其基于PID的自动舵控制方案，可直接运行；

基于一号船的配置方案，修改船舶配置对其他需要的船舶进行自动舵控制；

获取一号船方案的运动状态和相平面图，分析一号船方案的缺陷，对该船舶的自动舵功能的控制算法进行二次开发和参数调整；

根据前所述的模块化的船舶运动控制调试系统配置二号船方案，载入低速船舶运动数学模型及其基于PID的自动定向和/或自动定位的控制方案，可直接运行；

基于二号船的配置方案，修改船舶配置对其他需要的船舶进行自动定向和/或自动定位控制；

获取二号船方案的运动状态和相平面图，分析二号船方案的缺陷，对该船舶的自动定向和/或自动定位控制算法进行二次开发和参数调整；

对比一号船方案及其调整方案和二号船方案及其调整方案的运动状态和相平面图，扩展新的控制算法并通过仿真模拟找到最优解，保存自定义配置的最优解方案。

本发明提供了一种模块化的船舶运动控制仿真调试系统及船舶运动控制调试方法，可满足常速和低速船舶运动控制的二次开发和调试需求，可对比分析控制参数变化时的运动变化趋势，引导调试方向，提高调试效率。本申请采用模块化设计，使其可配置不同的船舶运动类型和控制类型，适用于对不同船舶进行运动控制的二次开发。调试界面可以向运动控制单元下达期望位姿，也可以设定其控制参数，同时还可以绘图显示，使调试信息形象化，方便洞察参数变化引起的运动趋势和影响规律，指导调试思路，避免调试过程中的无效试凑，降低调试过程中的枯燥感和混乱感，提高调试体验和效率。

附图说明

图1是本发明的模块化的船舶运动控制调试系统的技术路线图；

图2是本发明的模块化的船舶运动控制调试系统的部分框架结构图；

图3是本发明的调试界面的示意图；

图4是本发明采用的坐标参考系统的示意图；

图5是本发明的模块化的船舶运动控制调试系统的框架结构图；

图6是本发明的模块化的船舶运动控制调试系统的动控制单元、运动模拟单元和调试界面之间的数据信号连接关系示意图；

图7是本发明的船舶运动控制调试方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

实施例1

在实施例1中提供一种模块化的船舶运动控制仿真调试系统，可满足常速和低速船舶运动控制的二次开发和调试需求，可对比分析控制参数变化时的运动变化趋势，引导调试方向，提高调试效率。该调试系统主要具有以下功能：

(1)船舶运动类型的选择。本调试系统提供常速船舶和低速船舶两个类型的运动控制，使用者可以根据需要进行选择。

(2)船舶运动数学模型的选择。根据船舶运动类型的不同，使用者可以选择不同类型的船舶运动数学模型。常速船舶运动数学模型，适用于常速运动控制如自动舵，包括纵向模型、井上模型、主推模型、舵模型等；低速船舶运动数学模型，适用于低速运动控制如自动定向和自动定位等，包括船体解析模型、控制力模型等。此外还可以根据需要选择海洋环境的干扰模型，包括风模型、浪模型和流模型。

(3)控制功能的选择。本系统提供基本的控制功能，如常速船舶的自动舵、低速船舶的自动定向和自动定位。此外还可以基于此系统对其他功能进行二次开发。

(4)控制算法的选择。本系统提供PID控制算法，适用于自动舵、自动定向和自动定位。如需要其他控制算法，可基于PID算法格式进行自定义添加。

(5)调试过程易于重复进行。本系统提供调试界面，通过界面可灵活配置控制系统。配置完成后，对某一控制参数进行调试时，只需改变界面上的控制参数，然后运行即可，调试过程易于重复进行。仿真初始条件不变，易于对比分析控制效果。

(6)调试信息方便对比分析。调试界面支持多次仿真显示在同一绘图里，以利于观察控制参数的变化引起的船舶运动变化，引导调试者发现调试规律。调试界面还支持显示相轨迹图，相轨迹可以清楚地反映系统的状态变化，更直观的显示船舶运动的变化规律，方便参数调试。调试界面支持手动刷新绘图区，清空已显示数据。

根据功能描述，本发明的技术方案包括功能设计和模块化设计：

功能设计。该调试系统包括仿真的船舶运动控制单元、仿真的船舶运动模拟单元和调试界面。船舶运动控制单元的功能包括：确定控制类型，选择控制功能及其控制算法，接收控制算法参数；根据测量信息和期望位姿，计算控制指令。船舶运动模拟单元的功能包括：确定运动类型，选择船体模型、桨舵模型和环境模型，接收控制指令，根据数学模型更新船舶运动状态、桨舵信息和环境信息。调试界面的功能包括：配置船舶运动控制单元；配置船舶运动模拟单元；配置仿真条件；绘图显示多次仿真结果和调试信息，供调试者对比分析和决策。各功能的技术路线如图1所示。

模块化设计。本发明的特征是模块化，模块化设计的技术路线如图2所示。不管是常速船舶的运动模拟，还是低速船舶的运动模拟，其运动模拟的共同特征是，可将运动模拟单元划分为三个部分，执行机构、被控对象和环境干扰。基于这些共同特征，对各部分进行模块化设计，以实现不同运动类型的船舶运动模拟，具体的模块化方法如下：

(1)执行机构包括桨舵模块和控制力模块，可通过配置单选。

(2)被控对象包括井上模型模块和解析模型模块，可通过配置单选。

(3)环境干扰包括风模块、浪模块、流模块，可通过配置多选。

根据船舶运动的类型不同，船舶运动控制也分为两类：常速船舶运动控制和低速船舶运动控制。对于常速船舶运动控制，控制功能包括自动舵、自动航迹等，其中自动舵功能是基本功能。对于低速船舶运动控制，控制功能包括自定定向、自动定位、低速路径跟踪、低速轨迹跟踪等，其中自动定向和自动定位是基本功能。本实施例实现基本功能，对于其他功能，可基于本调试系统进行二次开发。以上控制功能的共同特征是，其控制单元包括三个部分，测量系统、滤波/估计和控制算法，各部分可进行模块化设计，即可实现以上控制功能。根据此特征，对船舶的运动控制单元进行模块化设计，具体内容如下：

(1)测量系统包括真值模式和模拟模式；如果选择真值模式，则测量系统直接获取船舶的运动状态；如果选择模拟模式，则模拟所配置位置参考系统、罗经等传感器对船舶运动状态进行测量获取。

(2)滤波/估计包括多种模块，可根据需要单选，默认无需滤波和估计。

(3)控制算法包括多种模块，默认为PID算法模块，也可根据需要自主添加其他控制算法模块。

本发明的有益效果是，与传统的控制参数调试工作相比，该调试系统不需要进行代码修改和调整，只需要在调试界面上配置相应的参数就可以观测调试效果，大大提升了调试工作的效率，满足不同船舶的运动控制设计和调试需求。本发明提供两种可使用的配置方案，可通过如图3所示的调试界面直接读取使用，或者基于此两种配置在调试界面进行简单的配置即可实现多种用法：

(1)读取配置方案“一号船”，即可载入其常速船舶运动数学模型及其基于PID的自动舵控制方案，可直接运行；

(2)基于一号船的配置方案，可对其他需要的船舶进行自动舵控制，只需修改船舶配置即可进行控制参数调试；

(3)基于一号船的配置方案，可对该船舶的自动舵功能的控制算法进行二次开发和参数调试；

(4)读取配置方案“二号船”，即可载入其低速船舶运动数学模型及其基于PID的自动定向和/或自动定位的控制方案，可直接运行；

(5)基于二号船的配置方案，可对其需要的船舶进行自动定向和/或自动定位控制，只需修改船舶配置即可进行控制参数调试；

(6)基于二号船的配置方案，可对该船舶的自动定位功能进行新控制算法的二次开发和参数调试；

(7)调试界面可扩展新的控制算法，配置方便，可保存自定义配置方案。

实施例2

本发明实施例2中提供一种模块化的船舶运动控制仿真调试系统，主要包括三个部分：船舶运动模拟单元、船舶运动控制单元和调试界面。下面将结合本发明的附图，对本发明各部分的技术方案进行清楚、完整地描述。

(一)船舶运动模拟单元。

船舶运动模拟单元的功能是模拟船舶的运动特性，为常速和低速船舶的运动控制调试提供实船的仿真模拟。本模块涉及的技术内容如图1所示，主要包括：

(1)船舶常速运动数学模型，主要为贵岛模型；

(2)船舶低速运动数学模型，主要为解析模型；

(3)桨模型，主要为调速螺旋桨模型，通常为主推；

(4)舵模型，通常位于主推后面；

(5)控制力模型，通常适用于低速操纵；

(6)环境干扰模型，通常包括风、浪、流对船体的影响。

描述船舶运动时涉及的坐标参考系统有两种：一种是固定坐标系NED，属于惯性坐标系；一种是随船坐标系，属于附体坐标系。坐标参考系统示意图如附图4所示。以O′X′Y′Z′表示固定于地球表面的惯性坐标系统，并规定：O′X′轴指向正北，O′Y′轴指向正东，O′Z′轴指向地心。以OXYZ表示固定于船舶上某点的附体坐标系统，并规定：OX轴指向船首，OY轴指向右舷，OZ轴垂直指向龙骨。描述船舶运动时需要用到其运动学方程和动力学方程。运动学方程表示船舶运动在两种坐标系下的相互转换关系；动力学方程描述船舶受到的各种影响力，及其如何随之变化的规律。

假设船舶航行在无限深广水域，且自由液面为静水面，视船体为刚体。船舶处于航向保持、航迹保持或中等强度以下的操纵状态时，主要考虑其在水平面内的三自由度运动特性。我们在讨论船舶运动时，主要是考虑船舶重心G的运动规律，因此在建立船舶运动数学模型时，将船舶随船坐标系的原点O取在船舶重心处，根据坐标系和变量定义，船舶三自由度水平面操纵的运动学方程表示为

式中：

x，船体重心处的北向位置坐标；

y，船体重心处的东向位置坐标；

ψ，船舶艏向；

u，船体纵向线速度；

v，船体横向线速度；

r，船体绕重心回转角速度。

应用牛顿刚体力学的动量定理和动量矩定理对船舶的动态进行分析，可以得到船舶的动力学方程

动力学方程以流体惯性力、粘性力、桨舵力和环境干扰力来驱动船舶的运动状态变化，式中：

m，船体质量；

m

m

I

J

X，表示船体受到的纵向力；

Y，表示船体受到的横向力；

N，表示船体受到的回转力矩；

下标H，表示裸船体粘性流体力；

下标P，表示船体受到的推进器推力；

下标R，表示船体受到的舵力；

下标E，表示船体受到的海洋环境干扰力；

x

船舶流体惯性力作用的结果相当于物体的质量和惯性矩增加了某一数值，称为附加质量和附加惯性矩。从实用计算的角度来看，船舶的附加质量和附加惯性矩通常采用周昭明对日本著名的元良图谱进行的多元回归分析获取的近似估算公式

式中：

L，垂线间长；

B，船宽；

d，吃水；

C

计算船体粘性类流体动力时需要考虑船舶的操纵速度。通常，速度高于5节的船舶操纵属于常速域船舶运动类型，采用贵岛模型。贵岛模型的裸船体模型结构为

式中：

X′

X′

Y′

Y′

速度低于3节的船舶操作属于低速域船舶运动类型，采用低速的解析模型。船舶低速数学模型的裸船体模型结构如下

式中：

m为船体质量；

I

m

X

螺旋桨推力计算方法一般是用敞水螺旋桨的实验结果，再考虑船体对螺旋桨的影响以及螺旋桨对船体的影响，再计入舵对螺旋桨的干扰。推力计算公式为

式中：

X

ρ为流体密度，kg/m

n为螺旋桨转速，rpm；

D

k

t

作用于舵上的流体动力模型为

X

Y

N

X

δ为舵角；

F

t

风对船体的作用力计算模型为

式中：

V

ρ

A

A

α

C

不规则波的波浪漂移力估算公式为

式中：

ρ，表示海水密度；

L，表示船长；

g，表示重力加速度；

λ，表示波长

χ，表示相对浪向；

m，表示规则波成分的数目；

ω

Δω

S

流作用于船舶上的流体动力模型大多采用定常和均匀的假设，这种假设只适用于海洋上的操纵模拟，不适用于港湾、航道、近海、浅水等处。根据杨盐生的研究，均匀流对船舶操纵影响只是运动学上的。

均匀流对船舶的流体动力模型为

式中：

下标H表示粘性水动力；

下标PR表示桨舵引起的流体动力。

(二)船舶运动控制单元。

控制单元通过读取配置文件，获得控制器等相关参数；然后根据用户设定得期望位置、速度、加速度等信息，以及传感器测得的船舶位置、艏向及风速风向等信息作为控制单元的输入；为了保证控制指令光滑平稳，可以对各种信息进行滤波和估计处理，然后根据需要确定是否实现风前馈控制；并根据调试信息调整控制参数，计算控制指令。

船舶运动控制单元可实现常速船舶的自动舵、低速船舶的自动定向和自动定位功能。对于常速船舶，其自动舵功能的运行步骤如下：

(1)配置当前功能；

(2)初始化；

(3)测量当前艏向；

(4)接收期望艏向；

(5)根据当前艏向和期望艏向，通过控制算法，计算出舵角指令；

(6)转入步骤(3)，循环运行，直至运行结束。

对于低速船舶，其自动定向功能的运行步骤如下：

(1)配置当前功能；

(2)初始化；

(3)测量当前艏向；

(4)接收期望艏向；

(5)根据当前艏向和期望艏向，通过控制算法，计算出控制力指令；

(6)转入步骤(3)，循环运行，直至运行结束。

对于低速船舶，如果有必要，自动定向的同时，还可以进行自动定位。自动定位功能的运行步骤如下：

(1)配置当前功能；

(2)初始化；

(3)测量当前北东位置，并转化为纵向和横向位置；

(4)接收期望北东位置，并转化为纵向和横向位置；

(5)根据当前纵横位置和期望纵横位置，通过控制算法，计算出控制力指令；

(6)转入步骤(3)，循环运行，直至运行结束。

根据自动舵、自动定向和自动定位等控制功能的运行步骤，可以看出，整个控制单元的核心在于控制算法，算法以函数呈现，函数功能包括：

(1)接收接口参数，包括当前状态和期望状态；

(2)读取控制参数；

(3)运行控制主体。

控制主体中执行各控制算法的控制律。

比例(P)积分(I)微分(D)控制，简称PID控制，是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高，被广泛应用船舶运动控制领域。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定期望值r(t)与当前实际输出值c(t)构成偏差：e(t)＝r(t)-c(t)。将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对船舶的运动进行控制。其控制主体中执行的控制规律为：

其他控制算法，如LQR、MPC等，可以方便地进行自定义添加。

(三)调试界面。

界面具有三种功能：(1)控制仿真过程，可调节仿真时长和仿真倍速；(2)可配置船舶运动控制单元、运动模拟单元，实现各种船舶的控制功能；(3)提供调试接口和调试信息，其中调试信息包括运动状态变化曲线和相轨迹，如图3所示。

界面的实现过程应该方便扩展，在界面上添加其他数学模型或者控制算法不会影响到现有功能。基于此思想进行界面设计时，将界面设计分为以下模块：GUI模块、设置模块、配置模块、绘图模块、数据模块、通信模块。各模块功能如下：

GUI模块，用于调试者与仿真过程进行交互，基于MATLAB Design App实现，方便快捷；

设置模块，包括仿真时长和仿真倍速的设置；

配置模块，用于船舶运动控制单元和运动模拟单元的配置、读取、保存等，适用于多种船舶、多种控制功能，方便各种船舶和各种控制功能的自定义扩展添加；

绘图模块，形象地显示运行信息和调试信息，方便调试者观察，引导调试方向；

数据模块，用于传递和存储各种数据。

实施例3

在实施例3中提供一种模块化的船舶运动控制仿真调试系统，所述船舶运动控制调试系统包括运动控制单元、运动模拟单元和调试界面；所述运动控制单元基于模块化设计，既适用于常速船舶的欠驱动控制，也适用于低速船舶的动力定位(DP)控制，还可以选择和添加不同的控制算法；所述运动模拟单元基于模块化设计，以适用于各种主尺度和桨舵配置的船舶运动控制；所述调试界面可以设置参数和控制方式，同时绘图显示船舶运动状态和相关的信息，利于调试过程。

在仿真之前需要对该单元各模块进行配置，包括测量模块、估计模块、前馈模块、控制模块；配置完成之后才可以运行仿真，可将配置参数保存入配置文件，可读取已存储的配置文件；各模块特征如下：

测量模块：模拟罗经、位置参考系统、风传感器、桨舵装置的反馈等，对船舶运动模拟单元传送来的船舶运动状态、推进器运行状态和海洋环境状态，进行测量和相应的处理，然后传送给估计模块；

估计模块：对测量模块传送过来的数据进行滤波和估计，以获取平滑数据和不可测量数据；默认为真值模式，直接使用测量值，不进行滤波器或者估计器的设计；其他模式可选择中值滤波、Alpha-Beta滤波、EKF滤波、无源观测器；

前馈模块：可以补偿可测的快速变化的环境干扰；其默认为无前馈模式，可选择风前馈模式；

控制模块：可配置船舶的运动控制类型及其控制方法和参数；控制类型包括常速控制和低速控制；常速控制以舵角为控制变量，默认为PID控制，可调试控制参数，可自定义添加其他需要调试的控制方法；低速控制以三自由度的广义控制力为控制变量，默认为PID控制，可调试控制参数，可自定义添加其他需要调试的控制方法；根据估计模块计算的船舶运动状态和所选的控制方法，控制模块计算出控制指令，并传送给船舶运动模拟单元。

在仿真之前需要对该单元各模块进行配置，包括指令模块、桨舵模块、环境模块、船体模块；配置完成才可运行仿真，可将配置参数保存入配置文件，可读取已存储的配置文件；各模块特征如下：

指令模块可选择控制力指令模式或者桨舵指令模式；控制力指令模式，从船舶运动控制单元接收三自由度广义控制力指令，并传送给桨舵模块；桨舵指令模式，从船舶运动控制单元接收各桨舵指令，并传送给桨舵模块；

桨舵模块包括抽象桨舵模块和模拟桨舵模块，可单选；抽象桨舵模块模拟广义控制力的动态特性，可根据广义控制力指令更新广义控制力，并传送给船体模块；模拟桨舵模块模拟各桨舵动态特性，可以配置各桨舵的类型、尺度、位置，可根据桨舵指令更新桨舵状态，并根据桨舵模型计算得出各桨舵合力，即广义控制力，传送给船体模块；

环境模块可配置海洋环境，选择是否加入风、浪、流的影响，可多选；勾选风，可继续设置平均风的绝对风速、绝对风向、风压系数、阵风参数、随机风参数；勾选浪，可继续设置有义浪高、绝对浪向、波浪谱；勾选流，可继续设置绝对流速、绝对流向、流力表；环境模块根据以上配置和船舶运动状态，计算出作用于船体的环境干扰力，并传送给船体模块；

船体模块可以配置船舶的运动类型，既适用于常速船舶的运动模拟，也适用于低速船舶的运动模拟，还可以选择和添加不同的船舶数学模型模块，适用于开阔深海海域的船舶运动模拟；勾选常速模块后，输入船舶主尺度参数进行配置得到模拟对应船舶常速运动数学模型；勾选低速模块后，输入船舶质量和阻尼参数进行配置得到模拟对应船舶低速运动数学模型；船体模块接收桨舵控制力和环境干扰力，根据对应船舶数学模型更新船舶运动状态。

所述调试界面包括配置区、绘图区和仿真倍速控制区；配置区对仿真时间、控制单元、模拟单元进行配置；绘图区可以展示艏向、纵向、横向的运动状态和相平面图，设有刷新按钮，默认不刷新，可以展示多次调试效果，方便对比分析。

实施例4

在实施例4中提供一种模块化的船舶运动控制仿真调试系统，如图5所示，所述模块化的船舶运动控制调试系统包括运动控制单元1、运动模拟单元2和调试界面3。如图6所示，为所述模块化的船舶运动控制调试系统的动控制单元1、运动模拟单元2和调试界面3之间的数据信号连接关系。

所述运动控制单元1包括多个模块，用于模拟船舶的运动控制方式，所述船舶的运动控制方式包括常速船舶的欠驱动控制、低速船舶的动力定位控制或选择添加的可编辑式运动控制算法。

所述运动模拟单元2包括多个模块，用于模拟具有各种主尺度和桨舵配置的船舶的运动状态。

所述调试界面3用于通过绘图显示多次模拟船舶的运动状态变化曲线和相轨迹，通过对比多次模拟结果进行所述运动控制单元和/或所述运动模拟单元的各模块的参数调整。

进一步的，在进行仿真模拟之前，需要对所述运动控制单元1和所述运动模拟单元3的各模块的参数进行配置，在配置完成之后进行仿真模拟，并将配置参数保存入配置文件。

如图5所示，所述运动控制单元1包括测量模块11、估计模块12、前馈模块13和控制模块14。

所述测量模块11用于模拟罗经来获取位置参考系统，对所述运动模拟单元传送来的船舶运动状态、推进器运行状态和海洋环境状态的数据进行分析和处理，然后传送给估计模块。

所述估计模块12用于对所述测量模块传送过来的数据进行处理，以计算船舶的运动状态；所述估计模块包括可选择设置的真值模式和滤波模式；所述估计模块默认为真值模式，直接使用测量值计算船舶的运动状态；所述滤波模式包括可选择设置的中值滤波、Alpha-Beta滤波、EKF滤波、无源观测器，所述滤波模式用于通过滤波器及估计器对所述测量模块传送过来的数据进行滤波和估计，以获取平滑数据。

所述前馈模块13用于补偿环境干扰数据；所述前馈模块13包括无前馈模式和风前馈模式，其默认为无前馈模式，可选择设置风前馈模式。

所述控制模块14用于配置船舶的运动控制类型及其控制方法和参数；所述船舶的运动控制类型包括常速控制和低速控制；所述常速控制以舵角为控制变量，默认为PID控制，且可调整控制参数，可自定义添加或编辑控制方法；所述低速控制以三自由度的广义控制力为控制变量，默认为PID控制，可调整控制参数，可自定义添加或编辑控制方法；所述控制模块根据所述估计模块计算的船舶运动状态和所选的船舶的运动控制类型及其控制方法和参数，计算出控制指令，并传送给船舶运动模拟单元。

如图5所示，所述船舶运动模拟单元2包括指令模块21、桨舵模块22、船体模块24。

所述指令模块21可选择设置的控制力指令模式和桨舵指令模式；所述控制力指令模式为从船舶运动控制单元接收三自由度广义控制力指令，并传送给桨舵模块；所述桨舵指令模式为从船舶运动控制单元接收各桨舵指令，并传送给桨舵模块。

所述桨舵模块22包括可选择设置的抽象桨舵模块和模拟桨舵模块；所述抽象桨舵模块模拟广义控制力的动态特性，根据广义控制力指令更新广义控制力，并传送给船体模块；所述模拟桨舵模块模拟各桨舵动态特性，配置各桨舵的类型、尺度、位置，根据桨舵指令更新桨舵状态，并根据桨舵模型计算得出各桨舵合力作为广义控制力，传送给船体模块。

所述船体模块24包括可选择设置的常速模块241和低速模块242，用于常速船舶的运动模拟或用于低速船舶的运动模拟，可选择或添加适用不同环境的船舶数学模型模块；在所述常速模块中通过输入船舶主尺度参数后生成模拟船舶常速运动数学模型；在所述选低速模块中输入船舶质量和阻尼参数后生成模拟船舶低速运动数学模型；所述船体模块接收桨舵控制力，并根据对应的船舶数学模型更新船舶运动状态。

如图5所示，所述常速模块241包括井上模型2411和桨舵模型2412；所述常速模块24通过设置自由舵方式进行常速控制；所述低速模块242包括船体模型2421和控制力模型2422；所述低速模块通过设置自动方向和自动定位方式进行低速控制。

如图5所示，所述船舶运动模拟单元还包括环境模块23；所述环境模块23包括可选择设置的风模型231、浪模型232、流模型233；在所述风模型231中，可设置平均风的绝对风速、绝对风向、风压系数、阵风参数、随机风参数；在所述浪模型232中，可设置有义浪高、绝对浪向、波浪谱；在所述流模型233中，可设置绝对流速、绝对流向、流力表；所述环境模块23根据选选择的参数配置和船舶运动状态，计算出作用于船体的环境干扰力，并传送给船体模块24；所述船体模块24接收桨舵控制力和环境干扰力，根据对应船舶数学模型更新船舶运动状态。

如图5所示，所述调试界面3包括配置区31、绘图区32和仿真倍速控制区33。

所述配置区31用于对仿真时间、控制单元、模拟单元进行配置；所述绘图区32用于展示艏向、纵向、横向的运动状态和相平面图；所述仿真倍速控制区33用于控制仿真模拟过程中的倍速。

进一步的，所述配置区31还设有刷新按钮，其默认值设置为不刷新，用以展示多次模拟船舶的运动状态变化曲线和相轨迹，方便对比分析；当点击刷新后，所述绘图区内的数据清零。

如图7所示，本申请还提供一种船舶运动控制调试方法，包括步骤：

S1、根据前文所述的模块化的船舶运动控制调试系统配置一号船方案，载入常速船舶运动数学模型及其基于PID的自动舵控制方案，可直接运行；

S2、基于一号船的配置方案，修改船舶配置对其他需要的船舶进行自动舵控制；

S3、获取一号船方案的运动状态和相平面图，分析一号船方案的缺陷，对该船舶的自动舵功能的控制算法进行二次开发和参数调整；

S4、根据前所述的模块化的船舶运动控制调试系统配置二号船方案，载入低速船舶运动数学模型及其基于PID的自动定向和/或自动定位的控制方案，可直接运行；

S5、基于二号船的配置方案，修改船舶配置对其他需要的船舶进行自动定向和/或自动定位控制；

S6、获取二号船方案的运动状态和相平面图，分析二号船方案的缺陷，对该船舶的自动定向和/或自动定位控制算法进行二次开发和参数调整；以及

S7、对比一号船方案及其调整方案和二号船方案及其调整方案的运动状态和相平面图，扩展新的控制算法并通过仿真模拟找到最优解，保存自定义配置的最优解方案。

本发明提供了一种模块化的船舶运动控制仿真调试系统及船舶运动控制调试方法，可满足常速和低速船舶运动控制的二次开发和调试需求，可对比分析控制参数变化时的运动变化趋势，引导调试方向，提高调试效率。本申请采用模块化设计，使其可配置不同的船舶运动类型和控制类型，适用于对不同船舶进行运动控制的二次开发。调试界面可以向运动控制单元下达期望位姿，也可以设定其控制参数，同时还可以绘图显示，使调试信息形象化，方便洞察参数变化引起的运动趋势和影响规律，指导调试思路，避免调试过程中的无效试凑，降低调试过程中的枯燥感和混乱感，提高调试体验和效率。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。