基于虚拟现实的船舶操纵控制系统设计

为了提高船舶操纵控制过程的性能参数评估场景再现能力,提出基于虚拟现实技术的船舶操纵控制系统设计方法。进行船舶操纵控制的3D几何模型建模,采用Multigen Creator技术生成3D虚拟海洋场景模型和船舶实体模型,在Vega Prime应用程序进行船舶操纵控制的视景仿真平台设计,对船舶操纵控制系统视景仿真模拟是建立在三维虚拟现实仿真软件基础上的,通过船舶操纵控制的三维姿态数据加载和程序控制,在视景仿真平台上对船舶操纵控制进行位置调整和参量优化配置,实现船舶操纵控制的虚拟视景开发和系统优化设计。仿真结果表明,本文设计的船舶操纵控制系统能在虚拟视景下实现精确的船舶操纵,视景的逼真度较高,参数控制精度较高。     

POD推进方式的大型船舶运动模型仿真

以改进吊舱推进方式的船舶操纵性能为目的,基于MMG分离建模思想,依据船舶运动的状态建立基于吊舱推进方式的船舶运动数学模型。然后将模型进行仿真,通过接收信息来控制船桨的转速及旋转的角度,再对船舶的操纵性能分别进行回转操纵运动仿真和Z形操纵运动仿真,软件仿真得到的数据和实船测试得到的数据相似。表明所构建的基于吊舱推进方式的船舶运动数学模型能够较准确地反映出船舶操纵的运动状态,对基于POD推进方式的船舶运动研究有较深远意义。     

四元数法在AUV六自由度仿真中的应用

AUV六自由度仿真几乎无一例外都是基于欧拉角方法来求解运动微分方程,这种方法可以很直观地得到AUV的位置和姿态角,不过在纵倾角±90°的情况下会产生奇异点,使仿真无法进行下去.为克服上述不足,采用了四元数法取代欧拉法.仿真结果表明,四元数法可以进行任意角度的仿真.     

大型船舶操纵指数的最优选取仿真研究

为了提高大型船舶操纵控制性能,需要对大型船舶操纵指数进行最优化选取设计,提出基于自适应反馈融合和姿态参量跟踪识别的大型船舶操纵指数的最优选取模型。构建大型船舶操纵的动态方程,结合运动力学模型进行船舶操控的控制约束参量分析,建立大型船舶操纵的指数分析模型,采用姿态稳态校正方法进行操纵指数的反馈融合,实现姿态参量跟踪识别,完成操纵指数的最优选取。仿真结果表明,采用该方法进行大型船舶操纵指数选取的优化性较强,提高了船舶操纵控制能力,船舶的航行姿态得到有效控制,输出平稳性较好。     

四元数在水下航行体运动建模中的应用

针对一类以控制力矩陀螺（CMG）为姿态控制执行机构的水下航行体,考虑到其大角度机动时姿态描述矩阵可能会出现奇异的问题,建立了与其相适应的运动模型.首先,通过引入四元数来建立运动学方程,并给出四元数与欧拉角之间的关系.随后,在建立动力学方程时,将水下航行体视为由水下航行体和CMG组成的多刚体系统,并使用四元数来代替动力学方程中的欧拉角项.最后,使用龙格库塔法对所建立的模型进行仿真.仿真结果表明,所建立的模型能有效避免使用欧拉角方法建立模型时所产生的奇异问题.     

基于Unity的船舶操纵运动仿真

使用3DS Max建立船舶三维模型,将其数据文件导入到Unity。为了使模型能够模拟船舶操纵运动,需要添加刚体组件,使之受到力和力矩的作用,因此,需要将船舶操纵运动数学模型进行处理以便于调用刚体组件的成员函数AddRelativeForce和AddRelativeTorque。无需编写实际代码,通过添加碰撞体组件并设置物理材质,就能模拟船舶与其它物体之间的碰撞,避免出现船舶穿过其它物体以及冲上码头或者岸滩的现象。使用Unity自带的资源包,就能方便的生成地形、天空和水面等仿真环境。运用本文的方法,编制了船舶操纵运动仿真程序,进行了船舶操纵性仿真试验,得到了试验数据,为船舶操纵的教学训练和科学研究提供了有效手段。     

船舶多工况操纵运动仿真及其在初步设计中的应用

首先整理了前人的试验资料，建立了船舶多工况操纵运动数学模型及其仿真系统，给出了一种新的风力及风力矩数学模型并预报了船舶在风力作用下的操纵运动；并且提出了估算浅水中船体水动力的新方法，预报了船舶在浅水中的操纵性能；同时，对船舶紧急停船运动进行了仿真研究，给出了合理的计算模型。最后基于船舶操纵性能仿真系统开发了一个利用船舶操纵性能确定船型尺度的初步设计系统。     

基于虚拟现实的船舶操纵运动仿真系统研究

利用MMG操纵运动数学模型计算船舶的操纵运动，应用OpenGL和3Dmax技术，开发了船舶操纵运动的三维可视化仿真系统，通过输入船舶主尺度，实现了具有真实感的、随时间变化的船舶操纵运动实时动态仿真，取得了良好的效果。     

基于对偶四元数法的AUV运动仿真

本文应用对偶四元数法(Dual Quaternions)建立AUV六自由度运动学和动力学方程,然后运用数值积分对所建模型进行仿真.对偶四元数是对偶数与四元数在多维空间中的有机结合,它继承了四元数与对偶数的优点,可以在三维空间中统一表示刚体的旋转与平移,并且没有常规欧拉法存在的姿态奇异性问题.仿真结果表明,对偶四元数法表达形式简单而统一,特别适用于具有大姿态角度运动的AUV运动仿真.     

水下航行器航向测姿算法改进仿真研究

在水下航行姿态优化问题的研究中,存在滤波实时性不高,系统鲁棒性差等问题,提出一种信息融合姿态解算方法。该种姿态解算方法基于四元数惯性系统数学模型,并对MEMS传感器信号预处理,将惯性模块的测量数据与观测数据进行向量积,通过PID控制器进行调节,互补滤波对角速度进行修正,利用龙格库塔法对四元数微分方程进行更新求得更精确的姿态角数据。仿真结果表明,提出的方法较传统姿态解算具有更好的精度以及鲁棒性。     

图像三维插值算法研究

对三维图像插值算法进行研究，在最邻近法，双线性法和高次函数_hermitian法的基础上，提出了，一种基于信号理论的恢复曲线插值法；并将该算法应用于DICOM医学图像的三维插值。通过三维可视化的方法对各算法插值结果进行比较，证实了该算法在改善体数据的三维可视化图像质量方面有较好的效果。     

超空泡航行体加速过程流动特性研究

超空泡航行体加速过程是航行体进入高速巡航状态的重要阶段。为了深入了解超空泡航行体加速过程中的流动特性,文中采用基于欧拉两流体模型的CFD方法以及基于相对运动的源项法对超空泡航行体全沾湿加速过程、通气加速过程进行了数值模拟,其中全沾湿过程主要研究了加速过程附加质量变化规律,通气加速过程研究了通气量、重力效应以及航行体攻角对空泡发展速度的影响。研究结果表明全沾湿加速过程中由于加速度较大,附加惯性力影响不能忽略;通气量、航行体攻角对超空泡生成速度均有较大影响,当速度达到50 m/s以上时,重力效应对空泡生成速度影响可以忽略。     

面向AUV自主回收的拖曳装置水动力特性研究

本文根据无人水面艇(USV)回收自主水下机器人AUV需求,设计了一款V型拖曳装置(V型翼)。通过STAR-CCM+流体仿真分析软件,在航速3 kn情况下,采用空间拘束法求解了V型翼的部分水动力系数,建立了V型翼水动力模型,并进行运动稳定性分析。外场试验数据分析结果显示,稳定拖曳状态下,舵角和V型翼纵倾角具有响应关系,对其进行公式推导,将计算值与实测数据进行对比,两者吻合程度较好。     

导管架下水过程的理论计算和模型试验

上海交通大学船舶流体力学研究室新近对导管架下水过程的理论计算和模型试验进行了开发性研究。文中采用直角坐标和Euler角描述导管架和驳船系统的空间状态,将约束方程的二次微分形式与动量(矩)方程联立,建立了下水过程的三维运动方程,用Runge-Kutta法求其数值解。文中选了一个二维运动的侧子进行计算,并与试验结果作了比较,符合程度良好。     

波浪入射角度和周期对系泊船舶运动影响的数值模拟研究

基于MIKE 21 Mooring Analysis系泊分析软件,模拟研究在不同周期和入射角度的不规则波作用下系泊船舶运动的变化规律。结果表明,系泊船舶运动量随波浪入射角度和波浪周期的变化相互影响。在不同周期波浪作用下的系泊船横移、横摇和升沉运动量均随波浪入射角度的增大而增大,横摇运动的共振效果随着波浪入射角度远离90°方向逐渐减弱,升沉运动量在波浪入射角度靠近90°或0°方向时基本不变。当入射波浪周期较长时,纵移和回转运动量随着波浪入射角度的增大先增大后减小,一般在波浪60°入射时产生峰值。     

基于航迹信息的舰船姿态角估计研究

提出了一种利用航迹信息估计出舰船目标姿态角的方法。该方法首先建立了舰船目标运动模型,然后采用Singer模型对舰船目标的雷达数据进行处理,最后对舰船目标航迹数据进行多项式拟合,使目标数据更加优化,进而精确地估计出舰船目标的姿态角。仿真结果表明,该方法能够有效地估计舰船目标姿态角。     

基于二次抛物线插值的船体疲劳强度评估

针对<船体结构疲劳强度指南>中使用三次拉格朗日插值法进行热点应力插值,因为插值节点数据不够平滑等因素导致插值效果不佳,甚至插值失败,提出用二次抛物线法替代三次拉格朗日法,避免插值失败.采用这一插值法在MSC patran\nastran大型通用有限元软件中对某散货船槽形舱壁的典型结构节点进行热点应力疲劳强度评估,效果令人满意.     

水下航行体垂直发射筒口压力场 L/E耦合数值模拟

采用 Lagrange 结构网格和 Euler 流场网格（L/E）耦合的数值仿真方法,对潜射航行器出筒后筒口压力场进行三维数值仿真分析。计算模型考虑海水的横向来流和航行体出筒过程对筒口气泡脉动的影响。仿真计算获得了筒口压力场气泡脉动主要特征,试验与计算的2个主要压力波峰曲线形状基本一致。通过对比计算表明,考虑横向流作用可以有效减少筒口压力场计算偏差。本文的计算方法及结论可为发射筒口压力场分析提供有益指导。     

Roll-induced bifurcation in ship maneuvering under model uncertainty

In this paper, a mathematical model is developed for the maneuvering motion of a naval ship and bifurcations of its equilibrium are identified in roll-coupled motion. The subject ship is a high-speed surface combatant with twin-propeller twin-rudder system. Captive model tests are conducted for the ship using planar motion mechanism. Maneuvering coefficients are calculated by polynomial curve fitting of the test data. Uncertainty distribution in the coefficients is assumed same as that of the curve fitting errors. Uncertainty in the model coefficients is propagated to full-scale simulation results by the stochastic response surface method (SRSM). This method is computationally efficient as compared to standard Monte Carlo simulation technique. The SRSM uses polynomial chaos expansion of orthogonal to fit any probability distribution. Bifurcation analysis of the mathematical model is performed by varying the vertical center of gravity as the bifurcation parameter. Hopf bifurcation is identified. It is found that the bifurcations occur due to the coupling of roll motion with sway, yaw motion and rudder angle. In the presence of wind, roll angle response in bifurcation diagram is discussed.