【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于数字孪生，具体涉及一种基于数字孪生的大型船舶航行运动学模型构建方法。
技术介绍
1、船舶是集合机械、电气、流体、控制、信息等多学科的复杂系统，对于大型舰船，其航行运转需要船内各个系统的配合，且大型船舶舱内信息相对封闭，舱外环境复杂多变，航行时难以监控，目前整体系统调度缺乏数字化统一管控。
2、现阶段基于物理模型的船舶运动决策主要在固定的模式下进行，例如旋回和z行操纵，由于缺乏实船数据，鲜有在自由操舵和主机控制命令下的预测研究。同时，在现有预测中的环境通常基于恒定假设或单一影响。例如恒定的风、海流和海浪，未能体现真实的海洋情况和各种环境因素的耦合影响。另一方面，船舶在海上航行时，由于受风浪的影响，操舵造成的横摇角和旋回掉头所需水域也比较大，操舵不当造成船舶倾覆和碰撞的事故时有发生。
3、随着船舶智能化的不断推进，对船舶航行状态的实时监控与预测的需求愈发迫切。由于海洋环境复杂多变，船舶的状态监控与决策需要多学科的知识融合，数字孪生技术正是实现这一功能的有力工具。但是现有的数字孪生技术在船舶上的应用主要集中在设备模型建模及可视化监测等方面。比如公开号为cn116309732a的专利技术专利公开了一种基于数字孪生的船舶运动可视化方法，其从多个数据源获取现实中的船舶信息，通过卡尔曼滤波对数字孪生船舶的运动状态进行更新，并动态调整孪生船舶运动状态更新频率，保证在运动状态更新时孪生船舶运动状态的平稳过渡。其重点在于保障数字孪生的视觉效果，便于可视化监测，但是无法实时对船舶运动决策提供有效辅助，且不能对船舶
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提出了一种基于数字孪生的大型船舶航行运动学模型构建方法，用于解决现有技术无法实时对船舶运动决策提供有效辅助的问题。
2、本专利技术提出了一种基于数字孪生的大型船舶航行运动学模型构建方法，所述方法包括：
3、建立船舶数字孪生模型，分析异构要素影响作用条件下的船舶摇摆能谱；
4、通过谱分析方法，分析自然频率下和遭遇频率下的船舶摇摆能谱；
5、将异构要素影响作用条件下的船舶摇摆能谱叠加到遭遇频率下的船舶摇摆能谱上，得到规则波对船舶摇摆影响的运动方程；
6、叠加多个规则波对船舶摇摆影响的运动方程，计算不规则波下的船舶摇摆能谱函数；
7、将船舶摇摆运动坐标转换到大地坐标系下，求解船舶航行运动方程，实时调整船舶的位置和姿态，基于数字孪生模型进行运动仿真。
8、在以上技术方案的基础上，优选的，所述异构要素影响作用条件包括航向、航速、浪速和外界作用力对船舶扰动频率的影响。
9、在以上技术方案的基础上，优选的，所述遭遇频率下的船舶摇摆能谱为：
10、
11、
12、
13、
14、其中，sr′(we)为遭遇频率下纵摇角的船舶摇摆能谱密度函数，sθ′(we)为遭遇频率下横摇角的船舶摇摆能谱密度函数，sz(we)为遭遇频率下首摇角的船舶摇摆能谱密度函数，s(w0)为自然频率下的船舶摇摆能谱，s(we)为遭遇频率下的船舶摇摆能谱密度函数，r′a为纵摇角，θ′a横摇角，za首摇角，ξa为摇摆角，w0为自然频率，we为遭遇频率，v为摇摆的线速度，μ为浪向角。
15、在以上技术方案的基础上，优选的，所述叠加多个规则波对船舶摇摆影响的运动方程之前还包括：
16、基于海浪谱经验公式，分析单元规则波对船体造成的摇摆，采用如下公式对单元波幅值和船舶船行因子进行计算：
17、ξn＝an cos(wnt+εn)
18、yn＝yyξ(wn)cos(ωnt+εn)
19、其中，an为单元规则波幅值，wn为单元规则波的频率，εn单元规则波的相位角，在0-2π间随机变化，ξn为单元规则波幅函数；yn为单元规则波的影响下的船舶摇摆的波幅函数，yyξ(wn)为船舶航行因子。
20、在以上技术方案的基础上，优选的，所述计算不规则波下的船舶摇摆能谱函数的公式为：
21、
22、其中，syξ(w)为不规则波下的船舶摇摆能谱函数，w是波浪频率，δw为某一段波浪频率的微分，yn为不规则波波幅函数的函数值。
23、在以上技术方案的基础上，优选的，所述将船舶摇摆运动坐标转换到大地坐标系下，调整船舶的位置和姿态具体包括：
24、根据不规则波下的船舶摇摆能谱函数跟踪船舶的摇摆角度；
25、将船舶的摇摆角度由动坐标转换到随船坐标系下，再由随船坐标系下转换到大地坐标系下；
26、计算船舶摇摆的形心坐标，根据形心坐标和重心计算得到船舶的回复力矩和所受到的波浪入射力；
27、采用龙格库塔方法在时域内求解横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡、垂荡运动微分方程；
28、分别判断实时的横摇、纵摇、首摇，横荡、纵荡或垂荡运动幅度设否大于对应的设定阈值，若是，调整船舶运动位置和姿态以降低船舶摇摆幅度。
29、在以上技术方案的基础上，优选的，所述回复力矩的计算公式为：
30、f＝ρvg*x
31、其中，ρ为海水密度，g为重力加速度，v为船舶排水体积，x为形心的横坐标；
32、波浪入射力的计算公式为：
33、
34、其中，(x,y,z)为船舶与水接触面的中心坐标，s为船舶与水接触面积，a为波幅，w为波浪频率，t为时间，k为波数，h为水深，ψ为航向角。
35、在以上技术方案的基础上，优选的，所述基于数字孪生模型进行运动仿真具体包括：
36、基于船舶实时航行数据更新船舶航行的数字孪生模型，并基于船舶的位置和姿态调整操作进行实时的船舶运动仿真和三维可视化展示。
37、本专利技术相对于现有技术具有以下有益效果：
38、1)本专利技术基于数字孪生技术，在虚拟的船舶数字孪生模型中，考虑船舶实际航行环境中风、浪等外界干扰因素，分析计算不规则波下的船舶摇摆能谱函数，建立船舶航行运动的数学模型，并将船舶在波浪中的摇荡运动与船舶操纵运动结合起来，实时调整船舶的位置和姿态，从而降低船舶摇摆幅度，在进行数字仿真的同时对船舶运动决策提供有效辅助。
39、2)本专利技术通过分析单元规则波对船体造成的摇摆，建立不规则波下的船舶摇摆能谱函数，结合回复力与波浪入射力求解横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡、垂荡运动微分方程，可以提高船舶运动状态监测的准确度。
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1.一种基于数字孪生的大型船舶航行运动学模型构建方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的大型船舶航行运动学模型构建方法，其特征在于，所述异构要素影响作用条件包括航向、航速、浪速和外界作用力对船舶扰动频率的影响。
3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的大型船舶航行运动学模型构建方法，其特征在于，所述遭遇频率下的船舶摇摆能谱为：
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的大型船舶航行运动学模型构建方法，其特征在于，所述叠加多个规则波对船舶摇摆影响的运动方程之前还包括：
5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的大型船舶航行运动学模型构建方法，其特征在于，所述计算不规则波下的船舶摇摆能谱函数的公式为：
6.根据权利要求5所述的基于数字孪生的大型船舶航行运动学模型构建方法，其特征在于，所述将船舶摇摆运动坐标转换到大地坐标系下，求解船舶航行运动方程，实时调整船舶的位置和姿态具体包括：
7.根据权利要求6所述的基于数字孪生的大型船舶航行运动学模型构建方法，其特征在于，所述回复力矩F的计算公式为：<...
【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的大型船舶航行运动学模型构建方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的大型船舶航行运动学模型构建方法，其特征在于，所述异构要素影响作用条件包括航向、航速、浪速和外界作用力对船舶扰动频率的影响。
3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的大型船舶航行运动学模型构建方法，其特征在于，所述遭遇频率下的船舶摇摆能谱为：
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的大型船舶航行运动学模型构建方法，其特征在于，所述叠加多个规则波对船舶摇摆影响的运动方程之前还包括：
5.根据权利要求4所...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡洋，徐峰，王欣，郑冕，刘卓，雷宜安，杨芳，魏沁祺，李松，杨继坤，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：
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