【技术实现步骤摘要】
本申请涉及船舶仿真数据处理领域，尤其是一种人机实时交互的船舶操纵运动仿真方法。
技术介绍
1、操纵性是船舶适航性能的重要组成，船舶操纵性的优劣直接影响其保持和改变航向、航速及位置的能力，也会对船舶航行的安全性和经济性造成影响。具有良好操纵性能的船舶能大大提升航行的操控响应能力，所以需要对船舶进行操纵运动仿真，但是目前大多都是在静水中进行船舶操纵运动的仿真预报，实际上船舶在实航过程中会遭遇不同海况，静水中的预报结果无法充分展示船舶在实际海况中航行时的操纵运动情况和航行性能。尤其是船舶在深远海中航行时遭遇到复杂恶劣的高海况的概率往往较高，而高海况的恶劣环境导致船舶的运动情况更为复杂多变，使得船舶的操纵运动预报变得更加困难，这一问题成为船舶水动力学领域亟需解决的热点问题。
技术实现思路
1、本申请针对上述问题及技术需求，提出了一种人机实时交互的船舶操纵运动仿真方法，本申请的技术方案如下：
2、一种人机实时交互的船舶操纵运动仿真方法，包括如下步骤：
3、确定目标船舶的船舶参数以及待仿真场景的海况参数，按照船舶参数生成目标船舶的三维船舶模型；
4、根据海况参数生成任意仿真时刻的波浪场参数；
5、根据船舶参数、仿真时刻t的波浪场参数、目标船舶在仿真时刻t的运动状态参数以及仿真时刻t从船舶操纵装置接收到的实时操纵指令，计算目标船舶在仿真时刻t受到的外部激励力并带入六自由度操纵运动方程中进行求解，得到目标船舶在仿真时刻t+1的六自由度的运动状态参数；
6、根据仿真时刻t+1的波浪场参数生成仿真时刻t+1的视景波浪场，根据目标船舶在仿真时刻t+1的运动状态参数更新三维船舶模型的运动状态，并与仿真时刻t+1的视景波浪场进行叠加显示。
7、其进一步的技术方案为，构建的六自由度操纵运动方程包括四自由度耦合运动方程组和二自由度耦合静平衡方程组，四自由度耦合运动方程组包括纵荡操纵运动方程、横荡操纵运动方程、横摇操纵运动方程和艏摇操纵运动方程；二自由度耦合静平衡方程组包括垂荡静平衡方程和纵摇静平衡方程；
8、纵荡操纵运动方程中船舶所受的外部激励力包括船体力在纵荡方向的分量、舵力在纵荡方向的分量、螺旋桨推力在纵荡方向的分量、非线性入射波浪力在纵荡方向的分量和二阶波浪力在纵荡方向的分量；
9、横荡操纵运动方程中船舶所受的外部激励力包括船体力在横荡方向的分量、舵力在横荡方向的分量、非线性入射波浪力在横荡方向的分量、绕射波浪力在横荡方向的分量和二阶波浪力在横荡方向的分量；
10、横摇操纵运动方程中船舶所受的外部激励力包括船体力在横摇方向的分量、舵力在横摇方向的分量、非线性入射波浪力在横摇方向的分量、绕射波浪力在横摇方向的分量、非线性恢复力在横摇方向的分量和二阶波浪力在横摇方向的分量；
11、艏摇操纵运动方程中船舶所受的外部激励力包括船体力在艏摇方向的分量、舵力在艏摇方向的分量、螺旋桨推力在艏摇方向的分量、非线性入射波浪力在艏摇方向的分量、绕射波浪力在艏摇方向的分量和二阶波浪力在艏摇方向的分量；
12、垂荡静平衡方程中船舶所受的外部激励力包括非线性入射波浪力在垂荡方向的分量和非线性恢复力在垂荡方向的分量；
13、纵摇静平衡方程中船舶所受的外部激励力包括非线性入射波浪力在纵摇方向的分量和非线性恢复力在纵摇方向的分量。
14、其进一步的技术方案为，构建的六自由度操纵运动方程为：
15、
16、其中，m是目标船舶的质量，g是重力加速度，ixx是横摇惯性矩，izz是艏摇惯性矩，u为纵荡速度，v为横荡速度，r为艏摇角速度，为纵荡加速度，为横荡加速度，为横摇角加速度，为艏摇角加速度，aij是第i个自由度对第j个自由度的附加质量的贡献，fih是船体力在第i个自由度的分量，fir是舵力在第i个自由度的分量，fip是螺旋桨推力在第i个自由度的分量，fifk是非线性入射波浪力在第i个自由度的分量，fidiff是绕射波浪力在第i个自由度的分量，fires是非线性恢复力在第i个自由度的分量，fi2w是二阶波浪力在第i个自由度的分量，整数参数i∈[1,6]，整数参数j∈[1,6]，第1-6个自由度分别表示纵荡方向、横荡方向、垂荡方向、横摇方向、纵摇方向和艏摇方向。
17、其进一步的技术方案为，得到目标船舶在仿真时刻t+1的六自由度的运动状态参数包括：
18、根据船舶参数中的船体参数和目标船舶在仿真时刻t的运动状态参数计算得到目标船舶在仿真时刻t受到的船体力；
19、根据目标船舶在仿真时刻t的运动状态参数、仿真时刻t接收到的实时操纵指令以及船舶参数中的螺旋桨参数计算得到目标船舶在仿真时刻t受到的螺旋桨推力；
20、根据目标船舶在仿真时刻t的运动状态参数、仿真时刻t接收到的实时操纵指令和船舶参数中的舵参数计算得到目标船舶在仿真时刻t受到的舵力；
21、根据船舶参数、仿真时刻t的波浪场参数和目标船舶在仿真时刻t的运动状态参数确定目标船舶在仿真时刻t受到的二阶波浪力和绕射波浪力；
22、根据船舶参数、仿真时刻t的波浪场参数和目标船舶在仿真时刻t的运动状态参数，确定目标船舶在仿真时刻t的船舶浸水几何形状参数，根据目标船舶在仿真时刻t的船舶浸水几何形状参数和仿真时刻t的波浪场参数计算得到目标船舶在仿真时刻t与波浪场相互作用而受到的非线性入射波浪力和非线性恢复力；
23、将计算得到的船体力、螺旋桨推力、舵力、二阶波浪力、绕射波浪力、非线性入射波浪力和非线性恢复力带入六自由度操纵运动方程，利用四阶龙格库塔方法求解四自由度耦合运动方程组，以及利用二分法迭代求解二自由度耦合静平衡方程组，得到目标船舶在仿真时刻t+1的六自由度的运动状态参数。
24、其进一步的技术方案为，任意仿真时刻的波浪场参数包括n个叠加在一起的基础成分波的波形参数，整数参数n≥2；目标船舶在任意仿真时刻的船舶浸水几何形状参数包括目标船舶的各个船体横剖面的瞬时浸水面积、吃水、浸水宽度和浸水部分的形心坐标；计算目标船舶在任意仿真时刻受到的非线性入射波浪力和非线性恢复力包括按照如下公式计算：
25、
26、其中，ρ是水密度，g是重力加速度，l是目标船舶的船长，ξg是目标船舶在当前仿真时刻在大地坐标系下的纵向坐标，μ是目标船舶在当前仿真时刻的航向；是当前仿真时刻的波浪场参数中的第m个基础成分波的波幅，km是当前仿真时刻的波浪场参数中的第m个基础成分波的波数，整数参数1≤m≤n；s(x)是目标船舶在船长位置x处的船体横剖面在当前仿真时刻的瞬时浸水面积，t(x)是目标船舶在船长位置x处的船体横剖面在当前仿真时刻的吃水，b(x)是目标船舶在船长位置x处的船体横剖本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种人机实时交互的船舶操纵运动仿真方法，其特征在于，所述船舶操纵运动仿真方法包括：
2.根据权利要求1所述的船舶操纵运动仿真方法，其特征在于，构建的六自由度操纵运动方程包括四自由度耦合运动方程组和二自由度耦合静平衡方程组，四自由度耦合运动方程组包括纵荡操纵运动方程、横荡操纵运动方程、横摇操纵运动方程和艏摇操纵运动方程；二自由度耦合静平衡方程组包括垂荡静平衡方程和纵摇静平衡方程；
3.根据权利要求2所述的船舶操纵运动仿真方法，其特征在于，构建的六自由度操纵运动方程为：
4.根据权利要求2所述的船舶操纵运动仿真方法，其特征在于，所述得到目标船舶在仿真时刻t+1的六自由度的运动状态参数包括：
5.根据权利要求4所述的船舶操纵运动仿真方法，其特征在于，任意仿真时刻的波浪场参数包括N个叠加在一起的基础成分波的波形参数，整数参数N≥2；目标船舶在任意仿真时刻的船舶浸水几何形状参数包括所述目标船舶的各个船体横剖面的瞬时浸水面积、吃水、浸水宽度和浸水部分的形心坐标；计算目标船舶在任意仿真时刻受到的非线性入射波浪力和非线性恢复力包括按照如下公式计
6.根据权利要求5所述的船舶操纵运动仿真方法，其特征在于，确定目标船舶在任意仿真时刻的船舶浸水几何形状参数包括：
7.根据权利要求6所述的船舶操纵运动仿真方法，其特征在于，确定每个船体横剖面与当前仿真时刻的波面的出入水交叉点包括：
8.根据权利要求1所述的船舶操纵运动仿真方法，其特征在于，所述根据所述海况参数生成任意仿真时刻的波浪场参数包括：
9.根据权利要求4所述的船舶操纵运动仿真方法，其特征在于，所述确定目标船舶在仿真时刻t受到的二阶波浪力和绕射波浪力包括：
10.根据权利要求9所述的船舶操纵运动仿真方法，其特征在于，所述船舶操纵运动仿真方法还包括：
...【技术特征摘要】
1.一种人机实时交互的船舶操纵运动仿真方法，其特征在于，所述船舶操纵运动仿真方法包括：
2.根据权利要求1所述的船舶操纵运动仿真方法，其特征在于，构建的六自由度操纵运动方程包括四自由度耦合运动方程组和二自由度耦合静平衡方程组，四自由度耦合运动方程组包括纵荡操纵运动方程、横荡操纵运动方程、横摇操纵运动方程和艏摇操纵运动方程；二自由度耦合静平衡方程组包括垂荡静平衡方程和纵摇静平衡方程；
3.根据权利要求2所述的船舶操纵运动仿真方法，其特征在于，构建的六自由度操纵运动方程为：
4.根据权利要求2所述的船舶操纵运动仿真方法，其特征在于，所述得到目标船舶在仿真时刻t+1的六自由度的运动状态参数包括：
5.根据权利要求4所述的船舶操纵运动仿真方法，其特征在于，任意仿真时刻的波浪场参数包括n个叠加在一起的基础成分波的波形参数，整数参数n≥2；目标船舶在任意仿真时刻的...
【专利技术属性】
技术研发人员：储纪龙，卜淑霞，张培杰，何春荣，朱漳，杨晨，雷建奇，王田华，曾柯，
申请(专利权)人：深海技术科学太湖实验室，
类型：发明
国别省市：
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