船舶运动半物理仿真系统

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2024年5月31日发(作者：)

Vol. 15 No. 3

系　　统　　仿　　真　　学　　报

March 2003

JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION

• 457 •

船舶运动半物理仿真系统

孟 浩，赵国良，王 岚

（哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001）

摘 要：从加快船舶运动控制器样机的研制周期、降低成本、提高效率出发，提出了一种新颖的

船舶运动半物理仿真系统。介绍了系统的组成、结构和各模块的功能及特点。叙述了系统的实现方

法和相关性能指标。利用所研制的船舶运动半物理仿真系统，可方便地在实验室内对船舶航向、航

迹、减摇和避碰等船舶控制系统进行半物理仿真研究，为船舶运动控制器系统样机的研制提供了方

便。试验表明所研制的船舶运动半物理仿真系统满足了规定的性能指标，达到了预期的目的。

关键词：船舶运动控制器；半物理仿真；船舶运动模拟器；仿真转台；仿真车

文章编号：1004-731X (2003) 03-0457-03 中图分类号：TP391.9

文献标识码：A

The Hybrid Simulation System for Ship’s Motion

MENG Hao, ZHAO Guo-liang, WANG Lan

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract: In order to develop controllers of ship’s motion quickly, as well as to reduce the cost and to improve the

efficiency of developments, a new type of hybrid simulation system for ship’s motion is proposed in the paper. The

configurations, functions and features of the system are introduced. The implementation methods and the specifications of

the system are presented. By use of the proposed hybrid simulation system for ship’s motion, controllers for ship’s motion,

such as ship’s autopilots (heading / track-keeping), fin stabilizers and collision-avoiding systems, can be investigated

easily. The experiments have shown that the performance of the proposed hybrid simulation system for ship’s motion is

good; the expected goal of the system is reached.

Keywords: controller of ship’s motion; hybrid simulation; simulator of ship’s motion; turntable; moving platform

引 言

1

在船舶运动控制器产品的开发研制过程中，为研制出

各种产品（如航向自动舵、航迹自动舵、避碰系统、减摇

鳍等），一般均需要对样机在各种海况和航行条件下进行

反复多次的实船试验，验证控制器的有效性和可行性，给

出控制性能的综合性评价。但是，实船试验需要花费大量

的人力、物力、财力和时间。为此，我们开发研制了船舶

运动半物理仿真系统。它由实物部分(船舶运动控制器和传

感器等)和仿真部分(船舶运动产生器和船舶运动模拟器等)

组成。它是用来在陆地上模拟船舶运动控制的一种系统，

构成了船舶运动控制的通用开发环境。在此环境下，可以

对样机和控制算法进行评价，检验样机和算法的性能，为

产品的实现提供合理的算法和参数，减少海上试验次数，

降低试验成本，缩短开发周期，保证了海上试验的安全。

因此，具有很强的理论研究意义和实际应用价值。

船舶运

动演示器

执行机构

船舶运动模拟器

仿

真

车

、

台

控

制

器

电子罗盘

船舶

运动

控制

器

船舶

运动

产生

器

船舶运动采集器

仿真台

无线通

信设备

仪器车

仿真车

超声波传感器

室外

室内

无线通

信设备

图１　　船舶运动半物理仿真系统结构图

1.1 船舶运动模拟器

船舶运动模拟器由全方位平面移动车、三轴转台及其

相应控制器组成，如图2所示。

全方位平面移动车（简称仿真车）能同时沿X、Y两

个方向作平移运动，用来模拟船舶的水平面运动, 它按照船

舶运动产生器输出的船舶水平运动速度指令运动。其上安

装超声波等位置传感器。

三轴转台（简称仿真台）是一台具有一般精度的轻型

三轴转台，用来模拟船舶的旋转运动，它按照船舶运动产

生器输出的船舶旋转角度指令运动，转台上安装电子罗盘

姿态传感器。

1

系统结构

船舶运动半物理仿真系统由以下设备组成：船舶运动

模拟器、执行机构、船舶运动控制器、船舶运动产生器、

船舶运动采集器、船舶运动演示器及相应配套设备，如图

1所示。

收稿日期：2002-05-13 修回日期：2002-09-15

基金项目：国家教委“211工程”项目

作者简介：孟 浩(1966-), 男, 黑龙江哈尔滨人, 副教授, 硕士, 研究方向

为船舶运动控制技术, 智能控制理论及应用和计算机控制技术。

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仿真台安装在仿真车

上，仿真台和仿真车的合成

运动（即三轴转台的台面）

代表了船舶的五自由度运

动——前进、横荡、艏摇、

横摇及纵摇。

船舶运动模拟器可以在

室外平坦的路面上运动，运

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接口向船舶运动采集器发出运动指令，由其指挥仿真车和

仿真台作相应的直线和旋转运动。

1.5 船舶运动采集器

船舶运动采集器由一套PC104工业控制计算机（包

括：CPU板、多串口板、A/D转换板、电子磁盘等）和无

图2 船舶运动模拟器

线电通讯设备组成。它作为系统数据采集及控制中心，通

过串行通讯接口与船舶运动控制器、船舶运动产生器、船

舶运动模拟器的控制器以及电子罗盘等传感器进行连接，

与船舶运动演示器利用无线通讯设备连接，实现数据采

集、传送等功能。

船舶运动采集器接收来自船舶运动产生器的指令信

号，控制船舶运动模拟器的运动，并将船舶运动的位置和

姿态等信息通过通信接口传送给船舶运动控制器和船舶运

动演示器。

动距离不受任何限制，尤其为船舶大范围直线运动的半物

理仿真试验提供了必要条件。

船舶运动模拟器的性能指标为：

l 运动方式：可沿X/Y两轴同时移动及绕X/Y/Z三轴

同时转动

l 沿X/Y双轴移动速度：0.5

~

12米/分

l 沿X/Y轴移动速度精度：0.05米/分

l 沿X/Y单向移动误差：2%

l 平面运动时仿真车的水平角变化不大于2度

l 转台转角范围： 外环轴：360度

中环轴：+30度 内环轴：+45度

l 转台转角精度：0.2度（三轴）

l 转台旋转速度范围：外环轴：10度/秒（双向）

中、内环轴：15度/秒（双向）

l 控制方式：X/Y轴移动为线速度指令，三轴转动为

转角指令

l 转台外形尺寸： 560*460*400(毫米)

l 仿真车外形尺寸：1000*560*460(毫米)

l 可载重量：不小于5公斤

1.6 船舶运动演示器

船舶运动演示器采用高性能图形工作站，利用无线通

信设备从船舶运动采集器接收船舶运动数据，用来远距离

演示船舶在不同海况下的运动状态等。

1.7 配套设备

在船舶运动模拟器（仿真车和仿真台）上分别安装有

相应的船舶运动传感器。超声波传感器安装在仿真车上，

用来测量运动轨迹。电子罗盘传感器安装在仿真转台上，

用于测量船舶的姿态角。此外还有仪器车，其上安置船舶

运动控制器、船舶运动产生

器、无线通信设备及UPS等(图

3)，由试验人员推动，使其跟

随船舶运动模拟器一起运动。

无线通信设备将数据由船舶运

动采集器送到实验室内的船舶

运动演示系统。

图3 仪器车　

l

供电方式：220V，50Hz

1.2 舶运动控制器

船舶运动控制器由一台PC微机及相应串行通讯接口

组成。从开发自适应舵、航迹舵、避碰系统、减摇鳍、动

力定位、舵鳍联合控制等船舶运动控制系统出发，本系统

建立一个船舶运动控制器的通用开发环境（见下节）。在

此基础上可方便地进行各种船舶运动控制算法的研究。

船舶运动控制器的输入信号来自船舶运动采集器。输

出信号通过执行机构或直接传给船舶运动产生器。

2 系统软件

考虑到本系统的通用性、灵活性，各个部分软件的设

计具有各自的特点。船舶运动产生器和船舶运动控制器均

设计为通用的开发环境，便于进行二次开发和在不同条件

下进行系统仿真实验。

1.3 执行机构

本系统还可配置多种类型的执行机构，如：液压系统、

螺旋浆侧推器等。执行机构由船舶运动控制器处得到控制

信号（如转舵角命令），其输出为实际控制信号（如实际

转舵角），传给船舶运动产生器。

2.1 船舶运动控制器通用开发环境

船舶运动控制器通用开发环境软件采用MATLAB语

言编程，利用了SIMULINK的动态实时仿真功能，为今后

在此基础上进行各种船舶运动控制算法的研究提供功能强

大的、方便的开发平台。而且采用动态数据交换DDE技术

与船舶运动采集器及船舶运动产生器进行数据交换，实现

了MATLAB环境下的在线仿真，保证数据传输的实时性

和可靠性。并为熟悉其它编程语言（Visual C++、Visual

Basic等）的开发者使用本系统进行船舶运动控制算法的研

1.4 船舶运动产生器

船舶运动产生器由一台PC微机及相应串行通讯接口组

成。船舶运动产生器将根据执行机构或船舶运动控制器输

出的实际控制信号，按照船舶运动的数学模型，再计入

风、浪、流等的影响，计算出船舶的运动信息，通过通讯

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March 2003 孟 浩, 等：船舶运动半物理仿真系统

究提供了灵活的数据接口。

船舶运动控制器的通用开发环境主要可以完成：控制

要求设置(选择航向自动舵、航迹自动舵、减摇鳍控制等)、

船舶模型及其参数设置(包括一阶K-T模型、二阶K-T模

型、非线性模型、状态方程模型等)、控制算法的选择(选择

各种PID控制算法、自适应控制算法、模糊控制算法、神

经网络控制算法等)、仿真类型的选择(可选择数字仿真、半

物理仿真)、控制器参数设置、显示曲线以及打印等功能。

本软件环境的突出特点就是其通用性。研究者只需根

据接口要求就可简单地把自己编制的控制算法添加上去，

无须考虑系统模型及系统通讯等功能的实现。

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面显示，而且能够逼真的显示各种海浪的状态。同时还可

在整体船舶模型画面中，以开窗口的形式显示船舶个别主

要装置如：自适应舵、航迹自动舵、减摇鳍、控制仪表盘

等运动变化的三维画面。

3 系统试验

为方便研究者在本系统上研究和开发船舶运动控制系

统，系统提供了两种仿真工作状态：离线数字仿真和在线

半物理仿真工作状态。

3.1 离线数字仿真

离线数字仿真只需在船舶运动控制器上完成。它充分

利用了MATLAB/SIMULINK的功能，仿真简单、方便、

形象、具体。可方便地建立船舶模型（连续和离散、线性

和非线性等模型）和干扰模型。可利用MATLAB工具箱

的已有的控制算法，以及自己开发的控制算法，对船舶运

动控制进行仿真。

2.2 船舶运动产生器软件

船舶运动产生器是船舶运动半物理仿真系统中仿真船

舶运动的计算装置。它与船舶运动模拟器（仿真车和仿真

台）一起代表了实际航行中的船舶。软件设计采用Visual

C++编程语言。

船舶运动产生器的设计具有通用性，适用于各种不同

类型船舶运动控制系统的仿真，系统内各项按“多项选

择”的人机交互界面方案设计。可选择船舶运动的动态方

程（如：同时包含五自由度运动—前进、横荡、航向、纵

摇及横摇的动态微分方程，一阶/二阶KT方程，二阶横摇

方程等），选择风、浪、流等环境及其参数设置，可同时

显示各种曲线（如：舵角/航向角，舵角/航向角/横荡，舵

角/航向角/鳍角/横摇角，舵角/鳍角/航向角/横荡/横摇角等

曲线），并可设定系统工作状态（开环/闭环工作状态）。

系统还提供了曲线回放的功能，可以使运行过程中曾经

显示过的曲线重新显示出来，以便于仿真后的研究和分析。

3.2 在线半物理仿真

在线半物理仿真需船舶运动半物理仿真系统各部分同

时协调工作。开环工作时，船舶运动模拟器平台的运动呈

现出无控制的自由运动状态。其自由运动的幅度随船舶运

动产生器产生的外界环境信息而变化。闭环工作时，船舶

运动模拟器平台应在船舶运动控制器控制下，并计入船舶

运动产生器产生的海况信息，按要求运动。在线半物理仿

真时，考虑了系统的通用性：船舶运动控制器利用了

SIMULINK的动态实时仿真功能，组态灵活；船舶运动产

生器也可对船舶运动模型、干扰模型及参数进行灵活的组

合。通过在船舶运动控制器上选择控制规律及有关参数，

在船舶运动产生器上选择船舶运动模型、干扰模型，可改变

船舶的运动状态，以实现船舶运动控制系统的半物理仿真。

总之，通过对船舶航向、航迹以及减摇控制的离线数

字仿真和在线半物理仿真试验，验证了该系统满足和达到

规定的性能指标。

2.3 船舶运动采集器软件

船舶运动采集器作为船舶运动控制系统数据采集、传

输和控制的中枢设备，软件设计要求具有实时性，为此在

DOS环境下采用BORLANDC C++ 编程语言。完成了超声

波传感器、电子罗盘数据的采集功能；实现了仿真车、仿

真台的控制；并为船舶运动控制器、船舶运动演示器提供船

舶运动的位置和姿态等信息；以及数据处理、协议转换等。

4

结论

船舶运动半物理仿真系统的研制成功，为在实验室内

对船舶运动控制系统进行在线半物理仿真，提供了新思

路、新方案。系统设计充分考虑了系统各个环节之间关

系，保证了系统的通用性、完善性和可靠性。特别是，本

系统最重要的特点是在仿真船舶水平面运动的距离上不受

限制，而国内对运动体（如航空、航天和航海等）的运动

控制系统半物理仿真尚局限于对运动体的姿态仿真上。

2.4 船舶运动演示器软件

船舶运动演示器用来在图形工作站上生动地、逼真地

演示船舶在海浪中的运动过程，实现船舶的三维模型的实

时驱动，创建直观的、逼真的仿真可视化环境。

演示器软件包运用Visual C++6.0编程语言，采用

OpenGL三维图形软件接口标准实现OpenGL环境下的模型

显示。模型显示的关键是需将3DS的数据格式用AUTO

CAD的高级建模技术，将其转换成DXF格式，以便在

OpenGL环境下能对其操作。

演示器根据无线接收的船舶运动和海况等信息，采用

双缓存技术，不仅能够实时驱动控制的船舶三维模型的画

参考文献：

[1]

[2]

[3]

胡耀华. 船舶运动控制仿真平台[J]. 大连海事大学学报, 2000,

26(2):25-28.

蒋丹东, 朱利民, 贾欣乐. 智能式航迹自动舵的海上试验研究[J].

中国造船, 1998, 142(3): 22-29.

Witt N A. Recent technological advances in the control and guidance

of ships [J]. J Navigation, 1994, 47(2): 236-258.

本文标签： 运动船舶系统控制器