航海模擬器中船舶運動數(shù)學(xué)模型的建模

航海模擬器中船舶運動數(shù)學(xué)模型的建模

1航天部標和模量船模的編輯測試作為船舶維修的重要手段，該海瑞模擬器在廣泛應(yīng)用于船舶維修和培訓(xùn)中，在分析和港口規(guī)劃的制定和設(shè)計等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。無論是教學(xué)培訓(xùn)還是通航安全模擬論證都要求用于模擬的船舶運動數(shù)學(xué)模型具有精確性和真實性。因此,建立和編輯高精度的船舶運動數(shù)學(xué)模型是航海模擬器的核心技術(shù)。在航海模擬器研制領(lǐng)域,離線編輯和測試船舶運動數(shù)學(xué)已被國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注,并投入大量的人力和物力進行開發(fā)研制。丹麥航海研究所(ForceTechnology)開發(fā)的編輯測試平臺(ShipYard)的編輯功能很強大,但測試的功能還有一定的缺欠。該平臺的船模編輯功能是直接或間接利用該研究所水池試驗測得的數(shù)據(jù)結(jié)果得到待建船模的水動力導(dǎo)數(shù)。該平臺的測試功能僅能夠進行IMO(InternationalMaritimeOrganization)標準的基本測試,應(yīng)用程序經(jīng)常出現(xiàn)異?；蛩罊C。國內(nèi)大連海事大學(xué)開發(fā)的編輯測試平臺已用于航海模擬器中,方便廣大航海模擬器用戶的使用。本文采用日本分離建模的思想建立了船舶六自由度運動數(shù)學(xué)模型并進行數(shù)值解算,同時采用離散編輯和測試平臺進行編輯、離線測試所建的船舶模型。2船舶運動數(shù)學(xué)模型的基本原理2.1坐標系統(tǒng)的建立為研究船舶在海洋上的六自由度任意運動,一般采用2種坐標系:固定坐標系O1-x1y1z1和運動坐標系O-xyz,如圖1所示。2.2運動方程的形式本文在上述2種坐標系下,建立了船舶六自由度運動的數(shù)學(xué)模型。假設(shè)船舶為剛體,推導(dǎo)船舶的空間運動方程,即:3個平移方程、3個轉(zhuǎn)動方程。如果剛體的原點在重心位置上,xG=yG=zG=0,則有?????????m(u˙?vr+wq)=X∑m(v˙?wp+ur)=Y∑m(w˙?uq+vp)=Z∑?????????Ixxp˙+(Izz?Iyy)qr=K∑Iyyq˙+(Ixx?Izz)pr=M∑Izzr˙+(Iyy?Ixx)pq=N∑{m(u˙-vr+wq)=X∑m(v˙-wp+ur)=Y∑m(w˙-uq+vp)=Ζ∑{Ιxxp˙+(Ιzz-Ιyy)qr=Κ∑Ιyyq˙+(Ιxx-Ιzz)pr=Μ∑Ιzzr˙+(Ιyy-Ιxx)pq=Ν∑式中:m表示船舶的質(zhì)量;Ixx,Iyy,Izz表示船舶繞x,y,z軸的轉(zhuǎn)動慣量;u,v,w,p,q,r表示船舶沿x,y,z軸平動的速度以及繞x,y,z軸轉(zhuǎn)動的角速度;X∑,Y∑,Z∑,K∑,M∑,N∑表示受到的合外力。同時,船舶運動的輔助方程可寫成如下的形式:???x˙1y˙1z˙1???=???cosψcosθsinψcosθ?sinθ?sinψcosφ+cosψsinθsinφcosψcosφ+sinψsinθsinφcosθsinφsinψsinφ+cosψsinθcosφ?cosψsinφ+sinψsinθcosφcosθcosφ??????uvw???[x˙1y˙1z˙1]=[cosψcosθ-sinψcosφ+cosψsinθsinφsinψsinφ+cosψsinθcosφsinψcosθcosψcosφ+sinψsinθsinφ-cosψsinφ+sinψsinθcosφ-sinθcosθsinφcosθcosφ][uvw]????φ˙θ˙ψ˙????=???100sinφtanθcosφsinφ/cosθcosφtanθ?sinφcosφ/cosθ??????pqr???[φ˙θ˙ψ˙]=[1sinφtanθcosφtanθ0cosφ-sinφ0sinφ/cosθcosφ/cosθ][pqr]式中:x1,y1,z1表示船舶的縱向、橫向和垂向的位移;φ,θ,ψ表示船舶繞x,y,z軸轉(zhuǎn)動的角位移(歐拉角)。給定系統(tǒng)的采樣時刻,利用龍格-庫塔積分方法求解上述微分方程的數(shù)值解,得到船舶運動的位移和歐拉角以及相應(yīng)的速度和角速度,提供給航海模擬器系統(tǒng)中其他模塊。3船舶數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)庫船舶運動數(shù)學(xué)模型編輯和測試平臺,通過修改相關(guān)參數(shù),可編輯不同船型的船舶數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)庫。本文開發(fā)的平臺有3個主要模塊,可進行船舶運動數(shù)學(xué)模型的編輯、船模的實時測試(RealTest)及離線測試(OfflineTest),以滿足仿真訓(xùn)練和工程論證對船舶數(shù)學(xué)模型的需要。3.1船模編輯算法船模的編輯功能主要用來將船模的主尺度編輯到船模數(shù)據(jù)庫中,形成數(shù)據(jù)庫文件供船舶運動數(shù)學(xué)模型調(diào)用。選擇“EditShip”菜單項,可對船舶模型進行編輯,以滿足仿真和工程論證的需要。首先,基于模型庫中的船模查找與待建船模的類型、噸位、形狀等相近的船模進行編輯,即,以航海模擬器船模數(shù)據(jù)庫中模型作為母型,然后進行以母型為基礎(chǔ)的編輯。編輯的主尺度等參數(shù)如圖2所示。應(yīng)用VC++6.0開發(fā)工具語言,進行主尺度對話框的編輯、保存、另存、取消等功能。保存即將主尺度參數(shù)按一定的格式存貯在數(shù)據(jù)庫中,原有的數(shù)據(jù)被替換;另存即是將主尺度參數(shù)另存1個數(shù)據(jù)庫文件,原有的文件保留。3.2解算模塊當(dāng)利用計算機仿真界面中的軟面板操縱控制設(shè)備、車、舵,將硬件操縱信息提供給解算模塊,實時解算上述微分方程組。設(shè)置的采樣時刻為實時在線模擬,那么此時進行的是船舶模型的實時測試,測試者能夠?qū)崟r監(jiān)視船模運動的位置和姿態(tài)以及速度等信息。3.2.1試驗方案設(shè)置首先,選擇已經(jīng)編輯好的船舶模型數(shù)據(jù)庫文件;然后,打開軟件控制面板,如圖3所示。實時測試功能模塊可以將船模初始速度設(shè)置為零,也可通過設(shè)置初始速度不為零;如圖4所示。如果為了節(jié)約仿真的時間,還可以加快模型的解算速度,即設(shè)置應(yīng)用程序的時鐘,系統(tǒng)的默認采樣時間間隔是0.5s,如圖5所示。測試功能可以測試在不同環(huán)境設(shè)置下的仿真試驗,環(huán)境設(shè)置對話框如圖6所示。設(shè)置完程序的初始條件后,需要明確接下來要進行哪種試驗,即選擇試驗類型,可供選擇的試驗有:旋回試驗、Z型試驗、倒車沖程試驗和停車沖程試驗,如圖7所示。選擇試驗記錄數(shù)據(jù)的時間間隔,如果模擬時間很長,數(shù)據(jù)量很大,占用的硬盤空間比較多,可以選擇記錄時間間隔的大小,如3s,如果時間間隔太大,不能體現(xiàn)出運動的細小變化,因此,不宜太大,在采樣時間間隔與5s之間即可滿足實時測試試驗的結(jié)果要求,系統(tǒng)默認時間是3s,如圖8所示。完成上述各步設(shè)置之后,點擊“start”菜單,實時測試程序開始。接下來的測試過程及要求與實船測試一致。當(dāng)測試結(jié)束時,將自動在屏幕上顯示出測試結(jié)果,同時還可將典型數(shù)據(jù)結(jié)果保存在文本文件中。如果有實船數(shù)據(jù),可與實船數(shù)據(jù)進行對比,找到產(chǎn)生誤差的原因,進一步修改測試,直到結(jié)果與實船數(shù)據(jù)接近為止;如果沒有實船數(shù)據(jù),可與IMO有關(guān)海船或內(nèi)河船舶操縱性衡準進行對比,直到達到一定的精度為止。3.2.2測試結(jié)果的控制與實時在線測試不同,離線測試只給出理想狀態(tài)下的測試結(jié)果,應(yīng)用程序中不能設(shè)置環(huán)境因素以及初始速度等參數(shù),在程序內(nèi)部已經(jīng)設(shè)定設(shè)計航速下滿舵左、右旋回測試的基本條件,以及Z型試驗、停車沖程和倒車沖程試驗的基本設(shè)置,程序的運行不受使用者控制,循環(huán)結(jié)束后,給出測試結(jié)果。這種測試方式具有測試不受人為因素干擾、完全是計算機程序內(nèi)部設(shè)定的理想結(jié)果的優(yōu)點,但不能進行海況等環(huán)境信息的設(shè)置,因此給出的離線測試結(jié)果過于理想化。4使用海軍模擬器4.1雙槳雙槳雙槳雙槳雙槳雙槳雙槳雙槳雙模式本文開發(fā)的測試平臺測試編輯功能和測試功能適合航海模擬器中的單槳單舵、雙槳雙舵的排水型船舶。對于可調(diào)螺距螺旋槳船舶和噴水推進高速船的編輯和測試請參見文獻。4.2使用描述的例子4.2.1主尺度參數(shù)的選取主要將船舶的主尺度、船舶的阻力以及船舶的主機等信息編輯并保存到船模數(shù)據(jù)庫中。船舶的主尺度是建造船模的基本因素,因此必須是準確的,而且是同一艘船的主尺度參數(shù),否則建立的數(shù)學(xué)模型與實際有很大的差異。由于本編輯平臺基于航海模擬器中已有的船模作為母型船,因此,對于非專業(yè)人士而言只限于編輯與數(shù)據(jù)庫中相近的類似船?；虼?這是從航海模擬器的性能可靠性角度考慮的。如果不是基于原有船模數(shù)據(jù)庫修改生成的數(shù)據(jù)庫,在數(shù)據(jù)庫中出現(xiàn)增加或減少字符等差錯,那么可能致使航海模擬器整個系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓或不明錯誤,故在此做了限定。4.2.2在線實時海試試驗結(jié)果在線測試的基本原則是設(shè)置的環(huán)境信息盡量接近海試當(dāng)天的環(huán)境信息,并嚴格按照海試試驗的程序進行,即正確執(zhí)行操作步驟并記錄數(shù)據(jù)。圖9是在線實時全速左滿舵旋回測試后的結(jié)果顯示及船舶軌跡圖。對于Z型試驗和倒車試驗等此處不詳細敘述。4.2.3聯(lián)合測試功能