变稳船制造技术

本发明专利技术提供一种变稳船，包括模拟船体，以及在模拟船体上设置的数值模拟系统、智能控制系统、动力系统和数据采集系统；数值模拟系统将目标船舶实时运动状态作为变稳船整体构架的输入数据，通过船舶运动动力预测模型分析出目标船舶在六自由度上的受力情况，运用船舶运动动力转换模型将目标船舶的整体受力转换为变稳船的六自由度等效受力情况，预测变稳船六自由度上的动力输出值；智能控制系统计算当前状态下动力系统的转速和方向角调整的最佳方案，根据数据采集系统采集的参数，对动力系统的输出参数进行反馈修正。本发明专利技术首次提出变稳船的概念，为船舶人工智能驾驶程序提供通用的验证平台。

【技术实现步骤摘要】
变稳船
本专利技术涉及特种船只，具体涉及一种变稳船。
技术介绍
智能船时代，船舶的驾驶将逐渐交由人工智能程序完成，如何判断人工智能程序具备操纵不同船舶的能力，成为一个核心难题。其中一个主要障碍在于，不同船舶的尺度、水动力学特性等都存在极大的区别。在某一船型上具备自主驾驶能力的人工智能程序，很难证明在其他船上一样有效，未来直接让不经验证的人工智能程序操作大型船只本身十分危险，需要一个通用的验证平台。在研制现代飞机的过程中，变稳飞机已经成为一种研制飞机的综合试验方法的主要手段。变稳飞机，全称变稳定性飞机，又叫空中飞行模拟器。它作为模拟空中飞行的专用载体，能够在不改变飞行条件的情况下，通过使用特殊的电传操纵系统，调整变稳飞行控制律的参数，使得飞机以及操纵系统的性能在较大参数范围内可变，甚至在必要时，也能改变座舱环境和飞行仪表，改变飞机的动态特性，从而在空中模拟其他飞机的操纵品质。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种变稳船，即变稳定性船只，能够模拟不同尺度、不同水动力特性的目标船航行状态，作为一种通用型验证平台。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种变稳船，其特征在于：它包括模拟船体，以及在模拟船体上设置的数值模拟系统、智能控制系统、动力系统和数据采集系统；其中，所述的动力系统用于模拟待模拟的目标船舶的推进与转向；所述的数据采集系统用于实时采集变稳船在航行过程中的推进参数和六自由度上的实时运动参数；所述的数值模拟系统，用于将待模拟的目标船舶实时运动状态作为变稳船整体构架的输入数据，通过船舶运动动力预测模型分析出目标船舶在六自由度上的受力情况，再运用船舶运动动力转换模型将目标船舶的整体受力转换为变稳船的六自由度等效受力情况，预测变稳船六自由度上的动力输出值；所述的智能控制系统，用于根据所述的变稳船六自由度上的动力输出值，计算当前状态下动力系统的转速和方向角调整的最佳方案，转换成相应的输出信号传递给动力系统；同时根据数据采集系统采集的变稳船在航行过程中的推进参数和六自由度上的实时运动参数，与目标船舶对应运动状态进行对比，对动力系统的输出参数进行修正；所述的六自由度包括横荡、纵荡、艏摇、横摇、纵摇和垂荡。按上述方案，所述的动力系统由4个全回转推进器构成，其中模拟船体的艏部的左右各设置一个全回转推进器，模拟船体的艉部的左右各设置一个全回转推进器；4个全回转推进器通过智能控制系统直接控制，全回转推进器的输出参数包括全回转推进器的方向角以及螺旋桨的转速；通过控制螺旋桨的转速使全回转推进器产生大小不同的推力，通过控制全回转推进器的方向实现对螺旋桨推力的控制；4个全回转推进器产生不同大小和方向的推力，作用于模拟船体提供前进的动力和转向的操纵力，使变稳船的受力状态与目标船一致。按上述方案，所述的数据采集系统由惯性测量模块IMU、定位系统、转速传感器和角度传感器组成；通过惯性测量模块测量变稳船运动时在六个自由度上的任意时刻速度与加速度，从而得到变稳船舶实时的运动状态；通过定位系统测量变稳船实时的航迹和航向角；通过转速传感器测量全回转推进器的螺旋桨转速；通过角度传感器测量全回转推进器的方向角。按上述方案，所述的数值模拟系统主要通过船舶运动动力预测模型和船舶运动动力转换模型两部分组成；其中，通过船舶运动动力预测模型对目标船舶的运动参数进行分析，从而得到目标船舶航行中的水动力特性；通过船舶运动动力转换模型将目标船的受力特性转换为变稳船的等效受力特性；再次利用船舶运动动力预测模型得到动力系统中各装置的输出参数；船舶运动动力预测模型和船舶运动动力转换模型主要通过应用船舶操纵性相关的经验回归公式和计算流体力学方法得到的结果建立。按上述方案，所述的船舶运动动力预测模型是指已知目标船航行时的运动参数和水动力导数值，采用船舶操纵性相关的经验回归公式和计算流体力学方法，计算预测出变稳船所受外力的大小和方向；并且由变稳船所受外力大小和方向计算预测出变稳船的运动参数。按上述方案，所述的船舶运动动力转换模型根据缩尺比和相似原则将目标船舶的受力情况等效到变稳船上，得到变稳船的每个全回转推进器的转速和角度值，实现变稳船和目标船舶运动和动力特性的一致性。按上述方案，所述的智能控制系统包括反馈系统、决策系统和执行系统；其中，决策系统对数值模拟系统的输出参数进行进一步的分析和处理，得到当前状态下动力系统4个全回转推进器的转速和方向角调整最佳方案；执行系统将4个全回转推进器的转速和方向角调整最佳方案转换为相应的输出信号，控制全回转推进器的方向和螺旋桨的转速；反馈系统接收数据采集系统实时采集的变稳船的运动参数，并反馈给决策系统，决策系统实时检测反馈的变稳船的运动参数，与目标船舶的原始信号进行对比，并进行PID参数调节，改变动力系统的输出参数，使得变稳船在六个自由度的速度和加速度均与目标船舶保持一致。本专利技术的有益效果为：首次提出变稳船的概念，为船舶人工智能驾驶程序提供通用的验证平台，验证人工智能驾驶程序在不同目标船上的控制效果；提出船舶运动动力预测模型和船舶运动动力转换模型，实现目标船与变稳船的受力状态的等效转换功能。附图说明图1为本专利技术一实施例的整体构架图。图2为本专利技术一实施例的系统构架图。图3为本专利技术一实施例的反馈调节机制框图。图4为本专利技术一实施例的整体运行结构图。具体实施方式下面结合具体实例和附图对本专利技术做进一步说明。如图1至图4所示，本专利技术提供一种变稳船，包括模拟船体，以及在模拟船体上设置的数值模拟系统、智能控制系统、动力系统和数据采集系统。所述的动力系统用于模拟待模拟的目标船舶的推进与转向。所述的动力系统由4个全回转推进器构成，每个全回转推进器可以单独控制其螺旋桨转速和方向角，四个全回转推进器最终可以产生一个任意方向上的合推力。其中模拟船体的艏部的左右各设置一个全回转推进器，模拟船体的艉部的左右各设置一个全回转推进器；4个全回转推进器通过智能控制系统直接控制，全回转推进器的输出参数包括全回转推进器的方向角以及螺旋桨的转速；通过控制螺旋桨的转速使全回转推进器产生大小不同的推力，通过控制全回转推进器的方向实现对螺旋桨推力的控制；4个全回转推进器产生不同大小和方向的推力，作用于模拟船体提供前进的动力和转向的操纵力，使变稳船的受力状态与目标船一致。所述的数据采集系统用于实时采集变稳船在航行过程中的推进参数和六自由度上的实时运动参数。六自由度包括横荡、纵荡、艏摇、横摇、纵摇和垂荡。所述的数据采集系统由惯性测量模块IMU、定位系统（例如GPS、北斗）、转速传感器和角度传感器组成；通过惯性测量模块测量变稳船运动时在六个自由度上的任意时刻速度与加速度，从而得到变稳船舶实时的运动状态；通过定位系统测量变稳船实时的航迹和航向角；通过转速传感器测量全回转推进器的螺旋桨转速；通过角度传感器测量全回转推进器的方向角。所述的数值模拟系统，用于将待模拟的目标船舶实时运动状态作为变稳船整体构架的输入数据，通过船舶运动动力预测模型分析出目标船舶在六自由度上的受力情况，再运用船舶运动动力转换模型将目标船舶的整体受力转换为变稳船的六自由度等效受力情况，预测变稳船六自由度上的动力输出值。所述的数值模拟系统主要通过船舶运动动力预测模型和船舶运动动力转换模型两部分组成；其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变稳船，其特征在于：它包括模拟船体，以及在模拟船体上设置的数值模拟系统、智能控制系统、动力系统和数据采集系统；其中，所述的动力系统用于模拟待模拟的目标船舶的推进与转向；所述的数据采集系统用于实时采集变稳船在航行过程中的推进参数和六自由度上的实时运动参数；所述的数值模拟系统，用于将待模拟的目标船舶实时运动状态作为变稳船整体构架的输入数据，通过船舶运动动力预测模型分析出目标船舶在六自由度上的受力情况，再运用船舶运动动力转换模型将目标船舶的整体受力转换为变稳船的六自由度等效受力情况，预测变稳船六自由度上的动力输出值；所述的智能控制系统，用于根据所述的变稳船六自由度上的动力输出值，计算当前状态下动力系统的转速和方向角调整的最佳方案，转换成相应的输出信号传递给动力系统；同时根据数据采集系统采集的变稳船在航行过程中的推进参数和六自由度上的实时运动参数，与目标船舶对应运动状态进行对比，对动力系统的输出参数进行修正；所述的六自由度包括横荡、纵荡、艏摇、横摇、纵摇和垂荡。

【技术特征摘要】
1.一种变稳船，其特征在于：它包括模拟船体，以及在模拟船体上设置的数值模拟系统、智能控制系统、动力系统和数据采集系统；其中，所述的动力系统用于模拟待模拟的目标船舶的推进与转向；所述的数据采集系统用于实时采集变稳船在航行过程中的推进参数和六自由度上的实时运动参数；所述的数值模拟系统，用于将待模拟的目标船舶实时运动状态作为变稳船整体构架的输入数据，通过船舶运动动力预测模型分析出目标船舶在六自由度上的受力情况，再运用船舶运动动力转换模型将目标船舶的整体受力转换为变稳船的六自由度等效受力情况，预测变稳船六自由度上的动力输出值；所述的智能控制系统，用于根据所述的变稳船六自由度上的动力输出值，计算当前状态下动力系统的转速和方向角调整的最佳方案，转换成相应的输出信号传递给动力系统；同时根据数据采集系统采集的变稳船在航行过程中的推进参数和六自由度上的实时运动参数，与目标船舶对应运动状态进行对比，对动力系统的输出参数进行修正；所述的六自由度包括横荡、纵荡、艏摇、横摇、纵摇和垂荡。2.根据权利要求1所述的变稳船，其特征在于：所述的动力系统由4个全回转推进器构成，其中模拟船体的艏部的左右各设置一个全回转推进器，模拟船体的艉部的左右各设置一个全回转推进器；4个全回转推进器通过智能控制系统直接控制，全回转推进器的输出参数包括全回转推进器的方向角以及螺旋桨的转速；通过控制螺旋桨的转速使全回转推进器产生大小不同的推力，通过控制全回转推进器的方向实现对螺旋桨推力的控制；4个全回转推进器产生不同大小和方向的推力，作用于模拟船体提供前进的动力和转向的操纵力，使变稳船的受力状态与目标船一致。3.根据权利要求2所述的变稳船，其特征在于：所述的数据采集系统由惯性测量模块IMU、定位系统、转速传感器和角度传感器组成；通过惯性测量模块测量变稳船运动时在六个自由度上的任意时刻速度与加速度，从而得到变稳船舶实时的运动状态；通过定位系统测量变稳船实...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘佳仑，马枫，严新平，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42