專利名稱：船舶運動模擬裝置控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制系統(tǒng)，具體是一種船舶運動模擬裝置控制系統(tǒng)。屬于船舶工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
船舶運動模擬裝置的控制系統(tǒng)不僅可以用于各種游樂場所，而且更廣泛用于船舶操作方法訓(xùn)練和航海醫(yī)學(xué)的研究，使非專業(yè)的操作人員可以方便的控制船舶運動模擬裝置進行各種娛樂或訓(xùn)練或研究的活動。實船在海上航行時，不同噸位和不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計，不同海況下的運動狀況不同。一般情況下，船舶運動可分解為升沉、橫搖、縱搖、旋轉(zhuǎn)、縱漂和橫漂運動。例如，在6級海況下，2000噸位的船只，上下升沉(波浪的峰值)將達(dá)6～7米，橫搖達(dá)15°以上，縱搖達(dá)4°以上，并且速度和加速度的變化比較復(fù)雜。人們希望能夠控制船舶運動模擬裝置的運動來達(dá)到模擬船舶在海洋中六級以內(nèi)的各種海況下的運動，但是，由于船舶運動的復(fù)雜性和隨機性，船舶運動的上下落差大，速度和加速度變化大等特點，使得船舶運動模擬裝置的運動空間高達(dá)六米，模擬運動為多個運動單元的串聯(lián)和并聯(lián)的復(fù)合運動，運動的軌跡是不規(guī)則的海浪譜的復(fù)雜運動，因此，現(xiàn)有的控制系統(tǒng)不能夠直接運用到船舶運動模擬控制中來。
經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)?2155470.6，發(fā)明名稱多軸伺服運動控制裝置，該專利公開了一種多軸電機伺服運動控制裝置，主要用于機器人靈巧手控制，也可用于機器人、數(shù)控機床等技術(shù)領(lǐng)域。檢索中還發(fā)現(xiàn)，美國專利申請?zhí)枮?36250，專利申請名稱為Motion simulator operating system and method(船舶模擬器的操作系統(tǒng)和方法)，該專利給出了一種運動模擬的控制系統(tǒng)和相對應(yīng)的操作方法，先給定一系列運動模型，實驗人員隨時可通過功能菜單選擇自己需要的運動模型。但是，該方法主要用于近距離現(xiàn)場控制，不適用于遠(yuǎn)距離的遙控操作，更不能直接用到船舶運動模擬控制中來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對背景技術(shù)中的不足和缺陷，提供一種船舶運動模擬裝置控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)由操作人員在操作室內(nèi)通過計算機進行遠(yuǎn)程遙控操作控制，使人們可以方便的進行各種船舶運動的模擬和各種實驗數(shù)據(jù)的采集。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括計算機、工控機、顯示器、信號采集單元、液壓控制單元、攝像機、旋轉(zhuǎn)云臺和圖像采集卡，其連接關(guān)系為計算機通過數(shù)據(jù)傳輸線連接顯示器和工控機，計算機通過數(shù)據(jù)傳輸線連接到信號采集單元，工控機通過數(shù)據(jù)傳輸線連接到液壓控制單元，攝像機安裝在可360度旋轉(zhuǎn)的云臺上，攝像機獲得的圖像通過數(shù)據(jù)線依次與圖像采集卡、計算機連接，最終將圖像顯示到顯示器上，旋轉(zhuǎn)云臺連接到計算機上，通過計算機進行控制。
本裝置六自由復(fù)合運動由國軍標(biāo)頒布的標(biāo)準(zhǔn)海浪譜通過計算機編程進行控制，其運動頻率、周期、加速度是可調(diào)的。根據(jù)不同的測試對象和實驗內(nèi)容進行選擇，并可以在屏幕上進行顯示。
工控機上設(shè)有開始按鈕、停止按鈕、運動狀況顯示板和運動狀態(tài)選擇板，運動狀態(tài)選擇板上有一到六級海況和隨機運動、手動控制運動和正弦運動等九個選擇按鍵。當(dāng)選擇好任意一種運動狀況后，信號會被傳送到計算機中，計算機根據(jù)選擇的運動狀況給出一系列的模擬運動的信號，然后這一系列信號通過數(shù)據(jù)傳輸線發(fā)送到工控機的控制模塊，當(dāng)按下開始按鈕時，工控機就會根據(jù)這些信號控制液壓單元，驅(qū)動油缸進行相應(yīng)的模擬運動。
信號采集單元包括傳感器和數(shù)據(jù)采集器。傳感器包括位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、液壓傳感器等。液壓傳感器安裝在液壓控制閥門附近，溫度、濕度傳感器安裝在船舶運動模擬裝置的模擬試驗艙中，其余的傳感器安裝在液壓油缸上，傳感器采集到的信號通過數(shù)據(jù)線傳送到數(shù)據(jù)采集器中，然后傳送到計算機中并在顯示器上顯示結(jié)果。
攝像機安裝在可以360度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)云臺上，云臺固定在模擬試驗艙的艙頂上，云臺的旋轉(zhuǎn)運動可以通過計算機進行控制。使用專業(yè)的圖像采集卡使信號能夠清晰的傳輸?shù)奖O(jiān)控室。攝像頭獲得的圖像信號通過數(shù)據(jù)線傳送到圖像采集卡，然后傳送到計算機中，并可以隨時把圖像從計算機輸送到顯示器上。
液壓控制單元包括七個電磁式液壓控制閥門，應(yīng)用本發(fā)明的船舶運動模擬裝置設(shè)有液壓油缸、液壓油柜和輸油管，這七個液壓閥門分別設(shè)置在七條輸油管上，七條輸油管設(shè)置在船舶運動模擬裝置的液壓油柜上，這七條輸油管各自連接一個液壓油缸，液壓閥門的位置靠近液壓油柜的出油口處，分別控制七個大小液壓油缸的運動，并通過液壓、位移傳感器形成閉路反饋系統(tǒng)，使油源能夠及時的提供油缸適當(dāng)?shù)挠蛪海詫崿F(xiàn)預(yù)定的油缸的運動加速度。
為了方便非專業(yè)人員的操作，是一般的工作人員不需要專門的知識就可以方便的使用該控制系統(tǒng)，本發(fā)明編寫了可視化操作菜單。將采集到的信號和運動狀況以及試驗艙內(nèi)的實際圖像顯示在顯示器上，并可以通過菜單命令進行一系列運動控制和信息采集的遙控操作?？刂迫藛T可以通過簡單操作，開始和結(jié)束實驗，控制實驗的運動速度、溫度、濕度等各項實驗參數(shù)，并通過攝像機在屏幕上的顯示對實驗過程進行即時監(jiān)測和控制。
本發(fā)明具有實質(zhì)性特點和顯著進步，本發(fā)明能夠根據(jù)模擬的要求，使非專業(yè)人員可以通過計算機成功的控制船舶運動模擬裝置模仿船舶在海洋中的運動情況。通過顯示器可以方便地檢測運動情況和模擬裝置上的情況。通過這個操作系統(tǒng)，不僅可以使模擬裝置應(yīng)用于娛樂和訓(xùn)練等簡單的應(yīng)用場所，而且可以進行航海醫(yī)學(xué)實驗等比較復(fù)雜的控制，是人們可以方便的進行各種船舶運動的模擬和各種實驗數(shù)據(jù)的采集。


圖1是本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明的控制系統(tǒng)原理框圖具體實施方式

如圖1、圖2所示，本發(fā)明包括計算機1、工控機2、顯示器3、信號采集單元4、液壓控制單元5、攝像機6、旋轉(zhuǎn)云臺7和圖像采集卡8，其連接關(guān)系為計算機1通過數(shù)據(jù)傳輸線連接顯示器3和工控機2，計算機1通過數(shù)據(jù)傳輸線連接到信號采集單元4，工控機2通過數(shù)據(jù)傳輸線連接到液壓控制單元5，攝像機6設(shè)置在可旋轉(zhuǎn)360度的旋轉(zhuǎn)云臺7上，攝像機6通過數(shù)據(jù)線依次與圖像采集卡8、計算機1連接，旋轉(zhuǎn)云臺7連接到計算機1上。
工控機2上設(shè)有開始按鈕9、停止按鈕10、運動狀態(tài)顯示板11和運動狀態(tài)選擇板12。
信號采集單元4包括傳感器13和數(shù)據(jù)采集器14，傳感器13包括位移傳感器15、速度傳感器16、加速度傳感器17、溫度傳感器18、濕度傳感器19、液壓傳感器20，液壓傳感器20設(shè)置在液壓控制單元5附近，溫度傳感器18、濕度傳感器19設(shè)置在船舶運動模擬裝置的模擬試驗艙中，其余的傳感器設(shè)置在船舶運動模擬裝置的液壓油缸上，傳感器13通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集器14連接，然后傳送到計算機1中并在顯示器3上顯示結(jié)果。
液壓控制單元5包括七個電磁式液壓控制閥門21，這七個液壓閥門分別設(shè)置在船舶運動模擬裝置的七條輸油管上，這七條輸油管各自連接一個液壓油缸，液壓閥門的位置靠近液壓油柜的出油口處，這七個液壓閥門分別控制七個大小液壓油缸的運動，并通過液壓傳感器20、位移傳感器15形成閉路反饋系統(tǒng)。
本發(fā)明通過手動控制或者計算機自動控制兩種方式進行。操作人員打開計算機1、工控機2和顯示器3的電源，系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒后，顯示器3上會顯示人機交互的界面，此時，通過人機界面中的選擇項選定運動狀態(tài)，或通過工控機2上的運動狀態(tài)選擇板12來選擇。當(dāng)通過運動狀態(tài)選通過運動狀態(tài)選擇板12選定運動狀態(tài)后，工控機2便會發(fā)送相應(yīng)的信號給計算機1，計算機1根據(jù)該信號設(shè)計出運動模型的一系列運動軌跡和不同時刻的各個液壓油缸的運動加速度及對應(yīng)的油壓，并把這些運動信號傳送到工控機2上。當(dāng)按下開始按鈕9后，工控機2便根據(jù)這些預(yù)設(shè)的信息，在不同的時刻對液壓控制閥門21進行控制，即時調(diào)整油壓以完成相應(yīng)的運動。液壓傳感器20和位移傳感器15、速度傳感器16、加速度傳感器17等傳感器采集到各個時刻的運動檢測信號，并把這些運動檢測信號傳送到數(shù)據(jù)采集器14中，經(jīng)過處理后傳送到計算機1中，最終以數(shù)字的形式呈現(xiàn)在顯示器3上，以便于操作人員進行監(jiān)控。同時，這些運動檢測信號在計算機1中同預(yù)先設(shè)定的信號進行比較，完成閉環(huán)反饋，使工控機能夠及時對運動誤差進行運動補償，提高運動控制的精度。
操作人員可以通過系統(tǒng)的人機界面控制旋轉(zhuǎn)云臺7進行360度的旋轉(zhuǎn)運動，使攝像機6可以拍攝到整個試驗艙室內(nèi)的情況。圖像傳送到圖像采集卡8，進行處理后，發(fā)送到計算機1中，操作人員可以通過人機界面獲得這些圖像，對運動艙內(nèi)的情況進行即時檢測。
當(dāng)操作人員選定手動控制后，系統(tǒng)的人機界面會給出一系列的參數(shù)要求，操作人員可以通過計算機1輸入如海浪曲線、模擬的船型、模擬運動相對海浪的夾角等各種參數(shù)，計算機1會根據(jù)輸入的這些參數(shù)計算出相應(yīng)的運動曲線，然后進行與計算機1自動控制相同的操作即可。
權(quán)利要求
1.一種船舶運動模擬裝置控制系統(tǒng)，包括計算機(1)、工控機(2)、顯示器(3)、信號采集單元(4)、攝像機(6)、旋轉(zhuǎn)云臺(7)和圖像采集卡(8)，其特征在于還包括液壓控制單元(5)，計算機(1)通過數(shù)據(jù)傳輸線連接顯示器(3)和工控機(2)，計算機(1)通過數(shù)據(jù)傳輸線連接到信號采集單元(4)，工控機(2)通過數(shù)據(jù)傳輸線連接到液壓控制單元(5)，攝像機(6)設(shè)置在可旋轉(zhuǎn)360度的旋轉(zhuǎn)云臺(7)上，攝像機(6)通過數(shù)據(jù)線依次與圖像采集卡(8)、計算機(1)連接，旋轉(zhuǎn)云臺(7)連接到計算機(1)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶運動模擬裝置控制系統(tǒng)，其特征是，工控機(2)上設(shè)有開始按鈕(9)、停止按鈕(10)、運動狀態(tài)顯示板(11)和運動狀態(tài)選擇板(12)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶運動模擬裝置控制系統(tǒng)，其特征是，信號采集單元(4)包括傳感器(13)和數(shù)據(jù)采集器(14)，傳感器(13)包括位移傳感器(15)、速度傳感器(16)、加速度傳感器(17)、溫度傳感器(18)、濕度傳感器(19)、液壓傳感器(20)，液壓傳感器(20)設(shè)置在液壓控制單元(5)附近，溫度傳感器(18)、濕度傳感器(19)設(shè)置在船舶運動模擬裝置的模擬試驗艙中，其余的傳感器設(shè)置在船舶運動模擬裝置的液壓油缸上，傳感器(13)通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集器(14)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的船舶運動模擬裝置控制系統(tǒng)，其特征是，液壓控制單元(5)包括七個電磁式液壓控制閥門(21)，這七個液壓閥門(21)分別設(shè)置在船舶運動模擬裝置的七條輸油管上，這七條輸油管各自連接一個液壓油缸，液壓閥門(21)的位置靠近液壓油柜的出油口處，并通過液壓傳感器(20)、位移傳感器(15)形成閉路反饋系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶運動模擬裝置控制系統(tǒng)，其特征是，采用手動控制或者計算機自動控制方式。
全文摘要
一種船舶運動模擬裝置控制系統(tǒng)。屬于機電一體化技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括計算機、工控機、顯示器、信號采集單元、液壓控制單元、攝像機、旋轉(zhuǎn)云臺和圖像采集卡，計算機通過數(shù)據(jù)傳輸線連接顯示器和工控機，計算機通過數(shù)據(jù)傳輸線連接到信號采集單元，工控機通過數(shù)據(jù)傳輸線連接到液壓控制單元，攝像機設(shè)置在可旋轉(zhuǎn)360度的旋轉(zhuǎn)云臺上，攝像機通過數(shù)據(jù)線依次與圖像采集卡、計算機連接，旋轉(zhuǎn)云臺連接到計算機上。本發(fā)明能夠根據(jù)模擬的要求，使非專業(yè)人員可以通過計算機成功的控制船舶運動模擬裝置模仿船舶在海洋中的運動情況，通過顯示器可方便地檢測運動情況和模擬裝置上的情況，能應(yīng)用于娛樂和訓(xùn)練等簡單場所，且可進行航海醫(yī)學(xué)實驗等比較復(fù)雜的控制。
文檔編號G09B9/06GK1529294SQ2003101079
公開日2004年9月15日 申請日期2003年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月16日
發(fā)明者唐矯燕, 趙群飛, 賀繼林, 翁新華 申請人:上海交通大學(xué)