一种航海模拟器用船舶六自由度运动数学模型的建立方法，本发明专利技术采用日本操纵性数学模型小组ＭＭＧ提出的“分离型”数学模型，即模型的建立以船体、螺旋桨、舵各自独立的水动力为基础，加上船－桨－舵相互之间的流体动力干扰，以及环境干扰等。通过操作与实船控制设备外形、功能一致的硬件操作设备（车钟、舵、拖轮、缆绳等）和设置环境信息（风、浪、流），将其产生的信号传输给船舶运动数学模型，并对微分方程进行求解，实时获得船舶六自由度运动的响应，实现航海模拟器中人在回路中的交互。之前航海模拟器中使用的船舶运动模型是基于ＭＭＧ思想的三自由度模型，不能完整地描述船舶六自由度运动的态势。本发明专利技术的成功开发填补了该领域的空白，可更好的为航海教学和培训、港航工程论证等科学研究服务。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术专利涉及一种用于航海模拟器的船舶运动数学模型，尤其涉及一种船舶六自由度运动数学模型。
技术介绍
船舶运动数学模型是船舶运动仿真与控制问题的核心。航海模拟系统是人-机交互的实时仿真系统。在航海模拟系统中，系统为每一个仿真对象——"本船"建立六自由度船舶运动数学模型，系统运行时，由模型解算程序根据每条船的特性数据、航行环境以及操船指令计算采样时刻本船的运动参数，然后将本船的运动参数提供给系统的其他模块，比如视景系统、驾驶台仪器仪表显示以及雷达显示模块等。 航海模拟器的行为真实感主要是由所采用的船舶运动数学模型来体现的。挪威船级社(DNV) 2000年颁布的标准仅对A级船桥模拟器提出自2002年2月1日起应采用六自由度船舶运动数学模型的要求。2007年DNV标准对B级船桥模拟器也提出了应采用六自由度运动模型的要求。也就是说，如果不开发自己的六自由度船舶运动数学模型，将被排除在高端船桥模拟器之外。2006年之前，国内研制的航海模拟器使用的船舶运动数学模型大多是三自由度匪G数学模型"—6]。即纵荡、横荡和摇艏。现阶段在我国研发航海模拟器用船舶六自由度运动数学模型还刚刚起步。申请人现已开发了适合航海模拟器用船舶在波浪中运动的六自由度数学模型，本数学模型分别包括了规则波中和不规则波中运动两部分，尤其针对固定螺距螺旋桨的大型商船。 参考文献 贾欣乐杨盐生，船舶运动数学模型-机理建模与辨识建模，大连大连海事大学出版社，1999 Ren JunSheng， YIN Yong， Zhang Xiufeng， STUDY ON MANEUVERING MODELOFKAMEWA-TYPE WATERJET SHIP FOR SHIPHANDLING SIMULATOR Marine and simulationtechnology(Marsim2006). 2006.06 Xiaofeng SUN Yong Y頂Xiufeng ZHANG STUDY ON MANEUVR頂G MATHEMATICALMODELFOR TRAWLER Marine and simulation technology(Marsim2006). 2006. 06 孙霄峰尹勇张秀凤，可调螺距螺旋桨船舶的运动数学模型，大连海事大学学报，2007， vol 33， No. 12， 124-128 Zhangxifueng(本专利申请人)，Jin Yicheng， YinYong， Voith Schneider PropellerModel and Used in the Tug Moving Simulation,Asia Simulation ConferenceThe Sixthlnternational Conference on System Simulation and ScientificComputing(Beijing)ICSC' 05,2005. 10 Zhang Xiufeng(本专禾U申请人)，YIN Yong， JIN Yicheng， THE MOVINGMATHEMATICALMODELS OF TUG WITH VOITH SCHNEIDERPROPELLER ,Marine and simulationtechnology(Marsim2006).2006.063 张秀凤(本专利申请人)，尹勇，金一丞，规则波中船舶六自由度数学模型，交 通运输工程学报，2007， vol 7No. 3,40-44. 李子富，船舶在大风浪中非线性摇荡运动建模与仿真，大连大连海事大 学，2004， 3.
技术实现思路
为了建立航海模拟器用船舶六自由度运动数学模型，本专利技术采用日本操纵性数学 模型小组匪G提出的"分离型"数学模型，即模型的建立以船体、螺旋桨、舵各自独立的水动 力为基础，加上船_桨_舵相互之间的流体动力干扰，以及环境干扰等。 本专利技术的技术方案为通过操作与实船控制设备外形、功能一致的硬件操作设备 (车钟、舵、拖轮、缆绳等)和设置环境信息(风、浪、流)，将其产生的信号传输给船舶运动 数学模型，并对微分方程进行求解，实时获得船舶六自由度运动的响应，实现航海模拟器中 人在回路中的交互，在大地坐标系和随船运动坐标系下，采用匪G分离建模的思想建立船 舶六自由度运动方程，将不规则波看成是有限个规则波叠加的线性理论，并将船体近似为 箱型船，计算得到不规则波中裸船体的波浪力(力矩)，将其作为船体受到的外力，叠加到船舶六自由度运动方程的右侧，然后采用四阶龙格_库塔数值积分的算法进行微分方程组 的求解，得到船舶在不规则波中六自由度运动的响应。 本专利技术的有益效果在于之前航海模拟器中使用的船舶运动模型是基于匪G思想 的三自由度模型，不能完整地描述船舶六自由度运动的态势，本专利技术的成功开发填补了该 领域的空白，可更好的为航海教学和培训、港航工程论证等科学研究服务。附图说明 图1为所建的大地坐标系和随船运动坐标系。 具体实施例方式1.船舶六自由度运动方程 采用国际上普遍采用的国际水池会(ITTC)与造船与轮机工程学会(SNAME)术语公报推荐的体系。按照右手坐标系原则，大地坐标系和随船运动坐标系如图l所示。 大地坐标系原点E可选在海面或海中某一点，E l轴保持水平，以北向为E l轴的正向。E《和En轴置于水平面内，E4垂直于E《n坐标平面，其正向指向地心。 随船运动坐标系的原点在0取在船舯重心高度处，船舶重心为G。 ox轴取在纵中剖面内，指向船首，平行于水平面，取oy轴与纵中剖面垂直，指向右舷，平行于水线面，oz轴在纵中剖面内，指向船底方向，与水平面垂直。 在上述坐标系下，根据动量定理和动量矩定理，采用日本匪G模型的形式，建立船 舶的运动数学模型，得到一般六自由度运动方程。 —XG(g2+,) + >yG(j^_,) + zG(jw + 4)] = X (1) w:]7 (2) 7W = Z (3) j 》-4力—4/+[—(; — 4)『+ A/户—^p《-. ;4 _ ;》- 4/+[-(4 - L )w + ; w - ^ - 4 0(4)-力](5)■—r 一」4+、oj由于原点取在船体中央重心高度处，并考虑到船体左右对称性，水平面原点在船舯，所以有xe # 0， ye = ze = O，则船舶动力学方程简化为 分离为w = y 附=Z4》+7j + (4c - 4 )w+證g (_ a -戸+g") = m4, + (Ay 乂 )w +肌g & + —戸)=TV(7)(8)(9)(10)(11)(12) X Y Z K M NXH+XP+XK+XWYH+YP+VYW ZH+ZP+ZK+ZW KH+KP+KK+KW MH+MP+MK+MW NH+NP+NK+NW上述方程(1) (12)右边的合力X、 Y、 Z、 K、 M、 N，根据分离建模的思想，可分别 :裸船体受到的力(力矩)、螺旋桨的推力(力矩)、舵的力(力矩)、风干扰力(力 矩)、流干扰力(力矩)、波浪力(力矩)以及船体-螺旋桨-舵相互之间的干扰力等如公 式(13) (18)所示。+)(+)( 1 "d 八wave Acurre本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种航海模拟器用船舶六自由度运动数学模型的建立方法，通过操作与实船控制设备外形、功能一致的硬件操作设备和设置环境信息，将其产生的信号传输给船舶运动数学模型，并对微分方程进行求解，实时获得船舶六自由度运动的响应，实现航海模拟器中人在回路中的交互，其特征在于：在大地坐标系和随船运动坐标系下，采用ＭＭＧ分离建模的思想建立船舶六自由度运动方程，将不规则波看成是有限个规则波叠加的线性理论，并将船体近似为箱型船，计算得到不规则波中裸船体的波浪力（力矩），将其作为船体受到的外力，叠加到船舶六自由度运动方程的右侧，然后采用四阶龙格－库塔数值积分的算法进行微分方程组的求解，得到船舶在不规则波中六自由度运动的响应。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张秀凤，金一丞，尹勇，任鸿翔，张显库，刘秀文，任俊生，孙霄峰，谷伟，张新宇，李志华，张百安，马烈，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]
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