CN115758587A - 一种用于船浪耦合仿真运动的方法 - Google Patents

一种用于船浪耦合仿真运动的方法 Download PDF

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CN115758587A CN202211504119.3A CN202211504119A CN115758587A CN 115758587 A CN115758587 A CN 115758587A CN 202211504119 A CN202211504119 A CN 202211504119A CN 115758587 A CN115758587 A CN 115758587A
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motion
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axis
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万柳梅
任胜彬
刘宇
胡春洋
耿建宁
姚帅
杨树仁
张政
杜鹏
韩庆楠
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Abstract

本发明公开了一种用于船浪耦合仿真运动的方法，该方法通过建立船舶坐标系，并分解船舶横摇角，分别建立船舶四自由度和二自由度的船舶运动模型分别求解船舶横摇角，完成船浪耦合参数的求解并输出给视景。本发明通过将船舶横摇运动分解为海浪引起的横摇运动及其他力引起的横摇运动两部份，同时将船舶纵摇运动、升沉运动及由海浪引起的横摇运动通过获取五个点位的海浪高度值计算得到，在有效弥补大风浪条件下船舶运动失真的前提下，减轻系统计算负担，易于工程实现且本发明不降低小风浪条件下的船舶运动仿真精度。

Description

一种用于船浪耦合仿真运动的方法
技术领域
本发明属于船舶建造技术领域，尤其涉及到一种用于船浪耦合仿真运动的方法。
背景技术
船舶驾驶模拟器作为船员驾驶培训考核的平台，具有经济性、安全性、便利性的特点，在船舶驾驶训练考核中发挥的作用越来越大。随着三维视景仿真技术、视频图像融合技术、船舶运动仿真技术、雷达回波模拟技术等技术的快速发展，船舶驾驶模拟器从物理真实感、环境真实近年来，船舶驾驶模拟器中的船舶运动仿真精度越感及行为真实感都大大提高，使得驾驶员的操纵体验逐步向实船靠拢。
船舶运动仿真算法是船舶运动仿真与控制的核心，是体现船舶驾驶模拟器行为真实感的关键技术之一。通常采用分离模型或整体模型对船舶建立六自由度运动模型，使用经验公式对部分参数进行模拟，结合外部输入，计算船舶运动位移及姿态。再参考实船海试试验结果，修正部分参数，使得船舶运动的仿真结果与实船试验结果匹配。
以上方法对于船舶直航、回转运动的模拟计算较为有效，驾驶员的驾驶体验能与实船接近，如在小风浪条件下操纵车钟、舵轮控制船舶运动。但对于在大风浪条件下的船舶运动响应效果不佳，可能会出现的船尾或船头一侧被海浪淹没，另一侧却悬于空中的失真现象；主要原因在于船舶驾驶模拟器中的海浪生成算法与船舶六自由度运动模型算法相对独立，浪与船的运动未进行耦合，在大风浪条件下的船舶运动在视景中沉浸感不强。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种用于船浪耦合仿真运动的方法。
为了实现上述发明目的，本发明专利提供的技术方案如下：
一种用于船浪耦合仿真运动的方法，该方法具体包括如下步骤：
第一步，建立船舶运动坐标系，所述船舶运动坐标系包括船体坐标系xyz和固定坐标系XYZ；
第二步，通过建立的船体坐标系来确定船体姿态，通过固定坐标系来确定船体位置；
第三步，初始化船舶参数，建立船舶四自由度运动数学模型求解船舶的水平面运动与船舶横摇运动的参数以及船舶横摇角
Figure BDA0003968465650000021
第四步，建立船舶二自由度运动数学模型求解船舶的纵摇与升沉运动的参数以及船舶横摇角
Figure BDA0003968465650000022
第五步，将船舶横摇角
Figure BDA0003968465650000023
和
Figure BDA0003968465650000024
求和，完成船浪耦合下的船舶运动位移与姿态的参数求解，并将其作为下一时刻的船舶初始运动位移与姿态参数输出至给视景，重复第三步和第四步完成下一轮循环计算，完成船浪耦合仿真运动的耦合计算。
上述第一步中船体坐标系以船舶为坐标原点G，所述固定坐标系XYZ以海平面为基准设立坐标系；所述船体坐标系中的x轴方向的前进速度设置为u，所述船体坐标系中的y轴方向的横移速度设置为v，所述船体坐标系中的z轴方向的垂荡速度设置为w，绕x轴转动的横摇角速度设置为p，绕y轴转动的纵摇角速度设置为q，绕z轴转动的首摇角速度设置为r。
上述船舶在所述固定坐标系中的三维坐标为(X0，Y0，Z0)，所述船舶速度在所述固定坐标系XYZ三个坐标轴的速度分量分别用U、V和W表示并通过对船舶三维坐标进行求导获取，具体为X0＇＝U，Y0＇＝V，Z0＇＝W，船舶姿态为船舶转动时产生的三个欧拉角分别用
Figure BDA0003968465650000025
θ和ψ表示，其中
Figure BDA0003968465650000026
为船舶横摇角，θ为船舶纵摇角，ψ为船舶首摇角。
上述船体坐标系xyz中使用速度u、v和w和角速度向量p、q和r来描述船舶姿态，在固定坐标系中XYZ中使用位置向量导数X0＇、Y0＇和Z0＇以及欧拉角向量的导数
Figure BDA0003968465650000031
θ＇和ψ＇来描述船舶位置；所述速度u、v和w和角速度向量p、q和r与
Figure BDA0003968465650000032
θ＇和ψ＇求解关系具体为：
Figure BDA0003968465650000033
Figure BDA0003968465650000034
其中：
Figure BDA0003968465650000035
Figure BDA0003968465650000036
上述第三步中的初始化船舶参数具体包括船舶主尺度参数、螺旋桨参数、舵参数、风参数、流参数、浪参数、拖轮参数、锚链参数、缆绳参数和船舶运动初始位移与姿态参数。
上述第三步中的建立的船舶四自由度运动数学模型包括船舶的水平面运动与船舶横摇运动，通过建立的船舶四自由度运动数学模型求解船舶的水平面运动与船舶横摇运动的参数以及船舶横摇角
Figure BDA0003968465650000037
具体为：通过公式：
Figure BDA0003968465650000038
Figure BDA0003968465650000039
Figure BDA00039684656500000310
Figure BDA00039684656500000311
求解出u、v、r和p1，再通过四阶龙格库塔法基于求解出的u、v、r和p1求解出X0、Y0、
Figure BDA0003968465650000041
和ψ；
Figure BDA0003968465650000042
为除海浪外对船舶的横摇力矩之外的力矩；
其中，X、Y和N、K为作用于船体上的外力和力矩；u、v、r、p分别为船体坐标系中的x轴方向的前进速度、船体坐标系中的y轴方向的横移速度、绕z轴转动的首摇角速度和绕x轴转动的横摇角速度；m为船舶质量；mx和my分别为在x轴和y轴方向上的附加质量；Ixx和Izz分别为对于x轴和z轴的转动惯量；Jxx和Jzz分别为对于x轴和z轴的附加转动惯量。式中右边各项下标的含义为：H为裸船体；P为螺旋桨；R为舵；A为风；W1和W2分别为一阶波浪力和二阶波浪力；B为岸壁；L为缆绳；T为拖轮；C为锚链作用于船体上的外力和力矩；同时横倾力矩K不含波浪对船产生的横倾力矩，p1不包括波浪的影响。
上述第四步中的建立船舶二自由度运动数学模型包括船舶的纵摇与升沉运动，通过建立的船舶二自由度运动数学模型求解船舶的纵摇与升沉运动的参数以及船舶横摇角
Figure BDA0003968465650000043
具体为：先获取船舶的船中、左舷、右舷、船头和船尾浪五个点位的海浪高度值并分别使用Hmid、Hleft、Hright、Hbow和Hpoop表示，根据获取的船中、左舷、右舷、船头和船尾浪五个点位的海浪高度值分别计算出船体拟合海浪之后的横摇角
Figure BDA0003968465650000044
纵摇角θ及船身随海浪运动的垂直向高度Z，具体通过以下公式求出：
Figure BDA0003968465650000045
θ＝arcsin((Hpoop-Hbow)/L)
Z＝(Hpoop+Hmid+Hbow)/3
其中，B为船宽，L为船长；，
Figure BDA0003968465650000046
为海浪对船舶的横摇力矩。
上述船舶横摇角
Figure BDA0003968465650000047
第五步中的船浪耦合下的船舶运动位移与姿态的参数具体包括X0、Y0、Z0、
Figure BDA0003968465650000048
θ和ψ。
基于上述技术方案，本发明专利一种用于船浪耦合仿真运动的方法经过实践应用取得了如下技术优点：
1.本发明一种用于船浪耦合仿真运动的方法通过将船舶横摇运动分解为海浪引起的横摇运动及其他力引起的横摇运动两部份，同时将船舶纵摇运动、升沉运动及由海浪引起的横摇运动通过获取五个点位的海浪高度值计算得到，在有效弥补大风浪条件下船舶运动失真的前提下，减轻系统计算负担，易于工程实现且本发明不降低小风浪条件下的船舶运动仿真精度。
附图说明
图1是本发明一种用于船浪耦合仿真运动的方法中的船浪耦合仿真运动流程图。
图2是本发明一种用于船浪耦合仿真运动的方法中的船浪耦合前船舶运动图。
图3是本发明一种用于船浪耦合仿真运动的方法中的船浪耦合后船舶运动图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1所述，本发明属于一种用于船浪耦合仿真运动的方法，该方法具体包括如下步骤：
第一步，建立船舶运动坐标系，所述船舶运动坐标系包括船体坐标系xyz和固定坐标系XYZ；
第二步，通过建立的船体坐标系来确定船体姿态，通过固定坐标系来确定船体位置；
第三步，初始化船舶参数，建立船舶四自由度运动数学模型求解船舶的水平面运动与船舶横摇运动的参数以及船舶横摇角
Figure BDA0003968465650000051
第四步，建立船舶二自由度运动数学模型求解船舶的纵摇与升沉运动的参数以及船舶横摇角
Figure BDA0003968465650000061
第五步，将船舶横摇角
Figure BDA0003968465650000062
和
Figure BDA0003968465650000063
求和，完成船浪耦合下的船舶运动位移与姿态的参数求解，并将其作为下一时刻的船舶初始运动位移与姿态参数输出至给视景，重复第三步和第四步完成下一轮循环计算，完成船浪耦合仿真运动的耦合计算；通过将船舶驾驶模拟器中的海浪生成算法与船舶六自由度运动模型算法进行耦合计算，使船舶运动失真度降低，提高了船舶模拟驾驶的效果。
上述第一步中船体坐标系以船舶为坐标原点G，所述固定坐标系XYZ以海平面为基准设立坐标系；所述船体坐标系中的x轴方向的前进速度设置为u，所述船体坐标系中的y轴方向的横移速度设置为v，所述船体坐标系中的z轴方向的垂荡速度设置为w，绕x轴转动的横摇角速度设置为p，绕y轴转动的纵摇角速度设置为q，绕z轴转动的首摇角速度设置为r。
上述船舶在所述固定坐标系中的三维坐标为(X0，Y0，Z0)，所述船舶速度在所述固定坐标系XYZ三个坐标轴的速度分量分别用U、V和W表示并通过对船舶三维坐标进行求导获取，具体为X0＇＝U，Y0＇＝V，Z0＇＝W，船舶姿态为船舶转动时产生的三个欧拉角分别用
Figure BDA0003968465650000064
θ和ψ表示，其中
Figure BDA0003968465650000065
为船舶横摇角，θ为船舶纵摇角，ψ为船舶首摇角。
上述船体坐标系xyz中使用速度u、v和w和角速度向量p、q和r来描述船舶姿态，在固定坐标系中XYZ中使用位置向量导数X0＇、Y0＇和Z0＇以及欧拉角向量的导数
Figure BDA0003968465650000066
θ＇和ψ＇来描述船舶位置；所述速度u、v和w和角速度向量p、q和r与
Figure BDA0003968465650000067
θ＇和ψ＇求解关系具体为：
Figure BDA0003968465650000068
Figure BDA0003968465650000069
其中：
Figure BDA0003968465650000071
Figure BDA0003968465650000072
上述第三步中的初始化船舶参数具体包括船舶主尺度参数、螺旋桨参数、舵参数、风参数、流参数、浪参数、拖轮参数、锚链参数、缆绳参数和船舶运动初始位移与姿态参数。
上述第三步中的建立的船舶四自由度运动数学模型包括船舶的水平面运动与船舶横摇运动，通过建立的船舶四自由度运动数学模型求解船舶的水平面运动与船舶横摇运动的参数以及船舶横摇角
Figure BDA0003968465650000073
具体为：通过公式：
Figure BDA0003968465650000074
Figure BDA0003968465650000075
Figure BDA0003968465650000076
Figure BDA0003968465650000077
求解出u、v、r和p1，再通过四阶龙格库塔法基于求解出的u、v、r和p1求解出X0、Y0、
Figure BDA0003968465650000078
和ψ；
Figure BDA0003968465650000079
为除海浪外对船舶的横摇力矩之外的力矩；
其中，X、Y和N、K为作用于船体上的外力和力矩；u、v、r、p分别为船体坐标系中的x轴方向的前进速度、船体坐标系中的y轴方向的横移速度、绕z轴转动的首摇角速度和绕x轴转动的横摇角速度；m为船舶质量；mx和my分别为在x轴和y轴方向上的附加质量；Ixx和Izz分别为对于x轴和z轴的转动惯量；Jxx和Jzz分别为对于x轴和z轴的附加转动惯量。式中右边各项下标的含义为：H为裸船体；P为螺旋桨；R为舵；A为风；W1和W2分别为一阶波浪力和二阶波浪力；B为岸壁；L为缆绳；T为拖轮；C为锚链作用于船体上的外力和力矩；同时横倾力矩K不含波浪对船产生的横倾力矩，p1不包括波浪的影响。
上述第四步中的建立船舶二自由度运动数学模型包括船舶的纵摇与升沉运动，通过建立的船舶二自由度运动数学模型求解船舶的纵摇与升沉运动的参数以及船舶横摇角
Figure BDA0003968465650000081
具体为：先获取船舶的船中、左舷、右舷、船头和船尾浪五个点位的海浪高度值并分别使用Hmid、Hleft、Hright、Hbow和Hpoop表示，根据获取的船中、左舷、右舷、船头和船尾浪五个点位的海浪高度值分别计算出船体拟合海浪之后的横摇角
Figure BDA0003968465650000082
纵摇角θ及船身随海浪运动的垂直向高度Z，具体通过以下公式求出：
Figure BDA0003968465650000083
θ＝arcsin((Hpoop-Hbow)/L)
Z＝(Hpoop+Hmid+Hbow)/3
其中，B为船宽，L为船长；，
Figure BDA0003968465650000084
为海浪对船舶的横摇力矩；将船舶横摇运动分解为海浪引起的横摇运动及其他力引起的横摇运动两部份，同时将船舶纵摇运动、升沉运动及由海浪引起的横摇运动通过获取五个点位的海浪高度值计算得到，在有效弥补大风浪条件下船舶运动失真的前提下，减轻系统计算负担，易于工程实现且本发明不降低小风浪条件下的船舶运动仿真精度。
上述船舶横摇角
Figure BDA0003968465650000085
第五步中的船浪耦合下的船舶运动位移与姿态的参数具体包括X0、Y0、Z0、
Figure BDA0003968465650000086
θ和ψ。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种用于船浪耦合仿真运动的方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
第一步，建立船舶运动坐标系，所述船舶运动坐标系包括船体坐标系xyz和固定坐标系XYZ；
第二步，通过建立的船体坐标系来确定船体姿态，通过固定坐标系来确定船体位置；
第三步，初始化船舶参数，建立船舶四自由度运动数学模型求解船舶的水平面运动与船舶横摇运动的参数以及船舶横摇角
Figure FDA0003968465640000011
第四步，建立船舶二自由度运动数学模型求解船舶的纵摇与升沉运动的参数以及船舶横摇角
Figure FDA0003968465640000012
第五步，将船舶横摇角
Figure FDA0003968465640000013
和
Figure FDA0003968465640000014
求和，完成船浪耦合下的船舶运动位移与姿态的参数求解，并将其作为下一时刻的船舶初始运动位移与姿态参数输出至给视景，重复第三步和第四步完成下一轮循环计算，完成船浪耦合仿真运动的耦合计算。
2.根据权利要求1所述的一种用于船浪耦合仿真运动的方法，其特征在于，所述第一步中船体坐标系以船舶为坐标原点G，所述固定坐标系XYZ以海平面为基准设立坐标系；所述船体坐标系中的x轴方向的前进速度设置为u，所述船体坐标系中的y轴方向的横移速度设置为v，所述船体坐标系中的z轴方向的垂荡速度设置为w，绕x轴转动的横摇角速度设置为p，绕y轴转动的纵摇角速度设置为q，绕z轴转动的首摇角速度设置为r。
3.根据权利要求2所述的一种用于船浪耦合仿真运动的方法，其特征在于，所述船舶在所述固定坐标系中的三维坐标为(X0，Y0，Z0)，所述船舶速度在所述固定坐标系XYZ三个坐标轴的速度分量分别用U、V和W表示并通过对船舶三维坐标进行求导获取，具体为X0＇＝U，Y0＇＝V，Z0＇＝W，船舶姿态为船舶转动时产生的三个欧拉角分别用
Figure FDA0003968465640000015
θ和ψ表示，其中
Figure FDA0003968465640000016
为船舶横摇角，θ为船舶纵摇角，ψ为船舶首摇角。
4.根据权利要求3所述的一种用于船浪耦合仿真运动的方法，其特征在于，所述船体坐标系xyz中使用速度u、v和w和角速度向量p、q和r来描述船舶姿态，在固定坐标系中XYZ中使用位置向量导数X0＇、Y0＇和Z0＇以及欧拉角向量的导数
Figure FDA0003968465640000021
θ＇和ψ＇来描述船舶位置；所述速度u、v和w和角速度向量p、q和r与
Figure FDA0003968465640000022
θ＇和ψ＇求解关系具体为：
Figure FDA0003968465640000023
Figure FDA0003968465640000024
其中：
Figure FDA0003968465640000025
Figure FDA0003968465640000026
5.根据权利要求1所述的一种用于船浪耦合仿真运动的方法，其特征在于，所述第三步中的初始化船舶参数具体包括船舶主尺度参数、螺旋桨参数、舵参数、风参数、流参数、浪参数、拖轮参数、锚链参数、缆绳参数和船舶运动初始位移与姿态参数。
6.根据权利要求1所述的一种用于船浪耦合仿真运动的方法，其特征在于，所述第三步中的建立的船舶四自由度运动数学模型包括船舶的水平面运动与船舶横摇运动，通过建立的船舶四自由度运动数学模型求解船舶的水平面运动与船舶横摇运动的参数以及船舶横摇角
Figure FDA0003968465640000027
具体为：通过公式：
Figure FDA0003968465640000028
Figure FDA0003968465640000031
Figure FDA0003968465640000032
Figure FDA0003968465640000033
求解出u、v、r和p1，再通过四阶龙格库塔法基于求解出的u、v、r和p1求解出X0、Y0、
Figure FDA0003968465640000034
和ψ；
Figure FDA0003968465640000035
为除海浪外对船舶的横摇力矩之外的力矩；
其中，X、Y和N、K为作用于船体上的外力和力矩；u、v、r、p分别为船体坐标系中的x轴方向的前进速度、船体坐标系中的y轴方向的横移速度、绕z轴转动的首摇角速度和绕x轴转动的横摇角速度；m为船舶质量；mx和my分别为在x轴和y轴方向上的附加质量；Ixx和Izz分别为对于x轴和z轴的转动惯量；Jxx和Jzz分别为对于x轴和z轴的附加转动惯量。式中右边各项下标的含义为：H为裸船体；P为螺旋桨；R为舵；A为风；W1和W2分别为一阶波浪力和二阶波浪力；B为岸壁；L为缆绳；T为拖轮；C为锚链作用于船体上的外力和力矩；同时横倾力矩K不含波浪对船产生的横倾力矩，p1不包括波浪的影响。
7.根据权利要求1所述的一种用于船浪耦合仿真运动的方法，其特征在于，所述第四步中的建立船舶二自由度运动数学模型包括船舶的纵摇与升沉运动，通过建立的船舶二自由度运动数学模型求解船舶的纵摇与升沉运动的参数以及船舶横摇角
Figure FDA0003968465640000036
具体为：先获取船舶的船中、左舷、右舷、船头和船尾浪五个点位的海浪高度值并分别使用Hmid、Hleft、Hright、Hbow和Hpoop表示，根据获取的船中、左舷、右舷、船头和船尾浪五个点位的海浪高度值分别计算出船体拟合海浪之后的横摇角
Figure FDA0003968465640000037
纵摇角θ及船身随海浪运动的垂直向高度Z，具体通过以下公式求出：
Figure FDA0003968465640000038
θ＝arcsin((Hpoop-Hbow)/L)
Z＝(Hpoop+Hmid+Hbow)/3
其中，B为船宽，L为船长；，
Figure FDA0003968465640000039
为海浪对船舶的横摇力矩。
8.根据权利要求1所述的一种用于船浪耦合仿真运动的方法，其特征在于，所述船舶横摇角
Figure FDA0003968465640000041
第五步中的船浪耦合下的船舶运动位移与姿态的参数具体包括X0、Y0、Z0、
Figure FDA0003968465640000042
θ和ψ。
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