一种仿真的船舶操舵模拟器及模拟方法

文档序号:8340610阅读:2815来源:国知局
一种仿真的船舶操舵模拟器及模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于软硬件仿真技术领域,涉及一种仿真的船舶操舵模拟器及模拟方法, 具体地说,涉及一种基于软硬件仿真的船舶操舵模拟器及模拟方法。
【背景技术】
[0002] 船舶操舵模拟器作为一种先进的教学手段应用于航海教学和船员培训在我国已 有较长的历史。研宄船舶在波浪中的操纵性具有重要的理论意义和实际意义:一方面可以 将船舶操纵性和耐波性两个不同的研宄领域结合起来突破两者在研宄内容和研宄方法上 的界限;另一方面也可以解决很多实际问题:如顺浪航行时的横甩问题,回转运动时的飘 移现象,还有航海模拟器和自动控制系统的设计等等。而目前许多船舶操舵模拟器的仿真 效果并不尽如人意,大多数船舶操纵性的研宄都是针对船舶在静水中运动的情况。实际上, 船舶在航行中经常要遇到各种海浪有时甚至是较大的波浪。另外,动态显示终端并不完善, 操作方面也不易上手,可靠性不高,易出现故障。

【发明内容】

[0003] 为了克服现有技术中的缺陷,本发明提供一种便于操作,稳定性好的仿真的船舶 操舵模拟器及模拟方法。
[0004] 其技术方案如下:
[0005] 一种仿真的船舶操舵模拟器,整个系统有硬件操作平台和软件模拟单元两大部分 构成,硬件操作平台主要完成操舵参数的设置,软件模拟单元通过相应的运算模型实时计 算操舵后舵机的响应状态。
[0006] 硬件操作平台通过单片机STC8952实现硬件的控制以及与软件的数据传送功能 (硬件向软件传送模拟参数设置,即车钟、船型,舵令、海况、操舵模式、应急舵操作、自动舵 航向的设置功能以及接收软件计算的舵机状态信息,船首向,舵角等;
[0007] 软件模拟单元可从其中获取船舶操舵参数,以及相关环境变量参数;再通过数学 模型的建立和仿真,计算出船舶舵机运行状态,船舶运动状态以及模拟船舶的运动轨迹等, 并动态显示相关信息,实现船舶操舵的仿真及实时轨迹跟踪。
[0008] -种仿真的船舶操舵模拟方法,包括以下步骤:
[0009] (1)、船舶操舵参数和环境参数的设置和获取:
[0010] 用户使用硬件仿真部分或直接从软件仿真部分设置环境和操作参数,系统通过相 关的软硬件接口技术和数据库访问操作技术实时地采集相关数据;
[0011] (2)、数学模型的建立和仿真
[0012] 系统通过建立可靠的数学模型处理采集的数据:
[0013] A、船舶运动的动力学表达式:
[0014]
【主权项】
1. 一种仿真的船舶操舵模拟器,其特征在于,包括硬件操作平台和软件模拟单元两大 部分构成,硬件操作平台主要完成操舵参数的设置,软件模拟单元通过相应的运算模型实 时计算操舵后舵机的响应状态; 硬件操作平台通过单片机STC8952实现硬件的控制以及与软件的数据传送功能(硬件 向软件传送模拟参数设置,即车钟、船型,舵令、海况、操舵模式、应急舵操作、自动舵航向的 设置功能以及接收软件计算的舵机状态信息,船首向,舵角; 软件模拟单元从其中获取船舶操舵参数,以及相关环境变量参数;再通过数学模型的 建立和仿真,计算出船舶舵机运行状态,船舶运动状态以及模拟船舶的运动轨迹,并动态显 示相关信息,实现船舶操舵的仿真及实时轨迹跟踪。
2. -种仿真的船舶操舵模拟方法,其特征在于,包括以下步骤: (1) 、船舶操舵参数和环境参数的设置和获取: 用户使用硬件仿真部分或直接从软件仿真部分设置环境和操作参数,系统通过相关的 软硬件接口技术和数据库访问操作技术实时地采集相关数据; (2) 、数学模型的建立和仿真 系统通过建立可靠的数学模型处理采集的数据: A、 船舶运动的动力学表达式:
X、Y-流体动力分别在X、y轴上的分量; N-绕Z轴的流体动力回转力矩; m一船的质量; Jz-绕Z轴转动的质量惯性矩; u、V-船舶重心的瞬时速度在X、Y轴上的速度分量; 6一船舶重心的瞬时加速度在X、Y轴上的分量; r、/· 一分别为回转角速度和角加速度; B、 船舶静水中的操纵模型: 假定作用于船体的水动力和水动力力矩与速度、加速度成正比,则需将船舶操纵运动 仅局限于小舵角的操纵运动,对操纵运动起重要作用的是Y轴方向的平移运动,也称横漂 运动,和绕Z轴的转动,也称回转运动; 在上述操纵运动限定下,公式左边的Y,N用横移速度V和加速度々、、转头角速度r和 角加速度h舵角S和操舵角速度^列出线性表达式:
其中Γ、C、&和乂、iVr、Λ%分别表示γ,Ν对v、r、δ的偏导数,上式即为线性 操纵运动方程;方程中的各系数总称为船舶操纵性水动力系数;如果能给出这些水动力系 数,就对船舶操纵运动进行计算,联立方程中使之无因次化,整理出表示舵角S与转头角 速度r关系的一个表达式,并称该式为船舶对操舵的响应运动方程,即静水中回转运动的 二阶KT线性方程: T,T2r + (7; + T2)r+ r = KS + ΚΤ:β 近似地简化为一阶KT线性方程为: Tr+ Γ =KS 其中:T = T^T2-T3; 系数κ、歸)=人V刚-办-1).+^ (州.+>(幻-2咖-1)+办 操纵运动特性的常数,并称为船舶操纵性指数;K回转性指数,1\、T2为追随性或稳定性指 数,而T3则与操舵速度相关; K,T指数: 回转性指数K值的意义:船舶稳定圆航时单位舵角的回转角速度;K = !(/ δ ^,在给定 舵角的情况下,K越大,定常回转的角速度大,回转半径小,船舶的回转性能好; 应急舵指数T值的意义:船舶做等速直航运动,舵角为零,如果在时刻船舶受到一个扰 动,产生初始回转角速度A,在扰动消除后,方程的解为r = Γι?τ1/Τ,表明T在值为正的情况 下,回转角速度将衰减,船舶恢复直线运动,称为船舶具有直线稳定性,反之,如T值为负, 回转角速度将增大,船舶具有直线稳定性;T的绝对值决定了恢复到直线运动时间的快慢; T是支配从操舵开始达到相应的最大旋回角速度所需时间的要素;T越小则应舵越快,舵效 越好; 如上所述,船舶适应于操舵的性质是受应舵指数T和回转性指数K支配的,而这两者的 关系是:Κ/Τ =旋回力/惯性,将:Γ =却/4 = 0代入得到首向角的二阶 线性方程:7^ + 0 = ^,对上式进行积分,则首向角表示为: φ= KSt+ KTde l T +c, 用初始条件t = 0, δ = 〇,求得积分常数C = -K δ t,最后首向角表示为: (p=Kd[t + T{c ,/Γ-1)]; C、船舶在风、水流扰动下的操纵模型 风的影响: 船舶所受的风动压力大小、方向和作用点与下列因素有关:舷角、受风面积的大小和形 状有关, 风动压力才用如下近似计算公式: K A1P1^1XJCOS2 Θ+ Bu sin2 Θ) Fa~风压动力,P α~空气密度,Ccl~风压动力系数,Vcl~相对风速; Θ~风舷角,Aa~线上
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