船舶4自由度模型
船舶动力定位系统的数学模型
control. Modeling , Identification and Control. 1980 , Vol.
1 ,No. 3 :135263. 3 Fung P T K , Grimble M J . Dynamic ship positioning using a
舶的数学模型 :
x = A x + B u + Eω
z = Hx +ν
(17)
式中
,
x
=
[
x
T L
,
x
T H
,
x
T c
,
x
T w
,τT
]T
为状态变量 ,
u
=
τL +τw 是输入向量 ,输出向量 z = [ z x , z y , zΨ , z ws ,
z w d ]分别表示船舶纵荡位置 、横荡位置 、艏摇角度 、
本文给出了针对船舶动力定位控制系统所应用的船舶运动模型包括低频运动模型高频运动模型同时还给出了作为环境干扰力的风流等数学模型以及考虑动态特性的固定坐标系和随船坐标系定义固定坐标系下船舶的位置和艏摇角度向量sinco船舶工程272002船舶低频运动模型根据文献可以得知船舶的低频运动模型为kw参数kw与海况有关表示波浪p2m将其转化为状态空间形式可得如下的高频运动模型rl表示低频速度向量用于描述船舶未建模的动态特性和扰动
风速和风向 。ν和ω都为零均值高斯白噪声 。
5 参考文献
1 T. Fossen. Guidance and control of ocean vehicles. New
船舶运动的六个自由度
船舶运动的六个自由度船舶是一种水上交通工具，它可以在水上自由行驶。
船舶运动的六个自由度是指在三维空间中，船舶可以进行六种运动，这些运动包括：横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和偏移。
下面将对这六个自由度进行详细的介绍。
一、横摇横摇是指船体绕纵轴旋转的运动。
当外部力矩作用于船体时，会引起船体发生横摇。
例如，在海浪中行驶时，海浪的冲击力会使得船体产生横向振动，从而引起横摇。
二、纵摇纵摇是指船体绕横轴旋转的运动。
当外部力矩作用于船体时，会引起船体发生纵摇。
例如，在大浪中行驶时，浪头和浪谷的冲击力会使得船体产生前后振动，从而引起纵摇。
三、艏摇艏摇是指船首向左或向右侧倾斜的运动。
当外部力矩作用于艏部时，会引起艏部发生摇晃，从而引起艏摇。
例如，在强风中行驶时，风力会使得船首向左或向右倾斜，从而引起艏摇。
四、横荡横荡是指船体在水平方向上的移动。
当外部力矩作用于船体时，会引起船体发生横向位移，从而引起横荡。
例如，在强浪中行驶时，海浪的冲击力会使得船体产生侧向位移，从而引起横荡。
五、纵荡纵荡是指船体在垂直方向上的移动。
当外部力矩作用于船体时，会引起船体发生垂直位移，从而引起纵荡。
例如，在大浪中行驶时，浪头和浪谷的冲击力会使得船体产生上下位移，从而引起纵摇。
六、偏移偏移是指船体在水平面内的旋转运动。
当外部力矩作用于船体时，会使得船体绕一个轴线旋转，并且这个轴线与纵轴和横轴都不重合。
这种运动称为偏移。
例如，在强风中行驶时，风力会使得船体绕一个轴线旋转，从而引起偏移。
总结：船舶运动的六个自由度包括横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和偏移。
这些自由度的存在使得船体可以在三维空间中自由运动，并且能够适应不同的水上环境。
对于船员来说，了解船舶运动的六个自由度是非常重要的，因为只有了解了这些自由度，才能够更好地掌握船体运动规律，从而保证航行安全。
基于神经网络的四自由度船舶操纵运动预报
有着很大 的影响 。由于非线性船舶运动系统的复杂性和对参数的敏感性，寻求有效的方法预报横摇运
动 的幅值 、速 度 以及加 速度 ，是船 舶操 纵运 动研 究 的热 点之一 。
Ｓ ｏ ｎ和 Ｎｏ ｍｏ ｔ ｏ ［ １ ］ 采用 Ｐ ＭＭ （ Ｐ ｌ ａ ｎ ａ ｒ Ｍｏ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ）试验 的方法 ，计算 ￥ １ ７ ５型集装 箱船 的四
５ ４卷
第 ４期（ 总第 ２ ０ ７期 ）
中
国
造
船
、 ， ０ １ ５ ４ Ｎｏ ． ４（ Ｓ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｎｏ ． ２ ０ ７ ）
Ｄｅ ｃ ．２ ０１ ３
２ ０ １ ３年 ｌ ２ 月
Ｓ Ｈ Ｉ Ｐ Ｂ Ｕ Ｉ Ｌ ＤＩ ＮＧ Ｏ Ｆ Ｃ ＨＩ ＮＡ
文章编号 ：１ ０ ０ ０ — ４ ８ ８ ２（ ２ ０ １ ３ ）０ ４ — ０ １ ５ ５ ． ０ ８
（ ＋ ｒ ＋％ ｉ ＇ － ｚ ｏ ｂ ） 一
户 ＋ ｍ ｘ ｏ （ ￣ ＋ Ｕ Ｆ ） ＝ Ｎ
—
ｍ ｚ Ｇ （ １ ＝ ， ＋ ） ： — Ｗ． 一 Ｇ Ｍ． 、 分别为绕 轴和 Ｏ Ｚ轴的转动惯量， 、ｚ 。 分别
式中，ｍ、 分别为船舶的质量和重量，
为船舶重心在随船运动坐标系中的纵向坐标和垂向坐标， 丽 为在随船运动坐标系中的稳心高度； Ｐ为
船操纵运动中的横摇。
本文 结合 船 舶操 纵运 动 中横摇 运 动 的特 点 ，建立 基 于径 向基 神经 网络 方 法 的四 自由度 船 舶操 纵运 动 预报 模 型 。采 用 该预报 模 型 ，通过 部分 ５ 。 ／ ５ 。 、１ ０ 。 ／ １ ０ 。 、１ ５ 。 ／ １ ５ 。 、２ ５ 。 ／ ２ ５ 。 、３ ０ 。 ／ ３ ０ 。 Ｚ形试 验和 ｌ ５ 。 、 ２ ５ 。 回转试 验 的仿真 数据 训练 该 神经 网络 ，预报 １ ０ 。 ／ １ ０Байду номын сангаас。 Ｚ形操 纵运 动 ，并将 预报 结果 与仿 真试 验值进
【技术】全垫升气垫船驾驶控制技术综述
【关键字】技术全垫升气垫船驾驶控制技术综述一、概述当常规水面舰艇在海上航行时，由于受到水的阻力，航行速度比较缓慢。
虽然随着技术的发展，船体结构以及动力装置有很大进步，但常规动力单体船航行速度一般在20至30节，传统模式下速度的可提升空间似乎很小。
由此，气垫船应运而生。
气垫船的工作原理如下：在船底部安放一个气垫装置，使船体与水面或者地面不直接接触，看起来好像悬浮在空中一样，从而很大程度上降低了航行阻力。
船上的发动机将气体由船的上方和四周压入气垫，然后从船底部喷出。
船的底部由橡胶围成，并且具有一定的韧性，由于进气速度与排气速度的差异，使得橡胶带内充满气流，这股气被橡胶带密封在船底部，从而形成一个气垫，隔离船体与水面。
由于气垫的隔离作用，使气垫船做到了水陆两用的功能在许多方面得到充分应用。
而气垫船在航行姿态方面，一般用肉眼很难发现，习惯上看一下船尾水面基本是平坦的，船梢有抬首即可。
气垫船按照航行状态主要分为全垫升气垫船和侧壁式气垫船两种船型。
全垫升气垫船：船的全部重量由围裙式的气垫撑起，使得船体与水面或者地面隔离，以大幅减小航行阻力，通过空气螺旋桨推进控制，获得超高的航行速度和两栖性能。
垫升式气垫船不但可在冰雪、、礁滩上航行，也可在无码头设施的沿海岛屿停靠，实施无码头组织不间断的后勤补给，有利于向纵深突击；同时也是猎雷艇、扫雷艇的理想艇型。
另外，还可用于在浅滩、滩涂、岛屿间担负巡逻警戒、交通运输、抢险救灾等任务。
全垫升气垫船系统主要包括垫升系统，推进系统和操纵面系统三部分。
垫升系统一般包括垫升风扇，进气口，围裙和气道。
垫升风扇将空气通过进气口压入围裙，产生气垫将船体托起水面。
通过对进气口与气道的有效操作，来控制气垫船的漂浮状态，提高气垫船的越障能力，使气垫船获得两栖作战的优越性能。
推进系统一般指的是以空气螺旋桨为主的空气推进装置，当全垫升气垫船在恶劣环境下行驶时，空气螺旋桨极易遭到损坏，现在人们开始考虑导管螺旋桨。
小水线面双体船四自由度操纵运动建模
小水线面双体船四自由度操纵运动建模双体船是一种具有非对称外形的船舶，具有很好的生产效率和航行性能。
而为了让双体船能够更加灵活地操纵，需要对其进行四自由度操纵运动的建模，以便于控制船舶的姿态、速度和位置等信息。
下面我们来一起了解一下小水线面双体船四自由度操纵运动建模的具体过程。
一、船舶坐标系的建立首先需要建立船舶坐标系，以便于描述船舶的运动状态。
在小水线面双体船中，通常采用惯性坐标系作为参考系，船体原点位于船体的质心处。
建立船舶坐标系的过程中需要考虑船体的长度、宽度和高度等因素，并对坐标系的方向进行确定。
二、船舶的自由度在进行船舶运动建模过程中，需要考虑船舶的自由度。
对于小水线面双体船而言，其可分为四个自由度，分别为纵向、横向、滚动和偏航自由度。
其中纵向自由度是指船舶在航行方向上的运动，横向自由度是指船舶在航行平面上的运动，滚动自由度是指船舶绕纵向轴旋转的运动，偏航自由度是指船舶绕垂直轴旋转的运动。
三、船舶运动方程的建立在进行船舶的运动方程建立时，需要考虑船舶的受力情况。
根据牛顿第二定律，可得到船舶的运动方程：F=ma其中，F表示船舶所受的力，m为船舶的质量，a则是船舶的加速度。
对于船舶的受力情况，可以通过分析船舶的运动特征得出。
四、航向稳定和自动控制在进行船舶运动建模的过程中，还需考虑船舶的航向稳定和自动控制。
其中，航向稳定主要以船舶的动态、静态稳态、操纵性能的分析为主，通过设计控制系统的参数，使得船舶尽可能地满足特定的操纵要求。
同时，还需分析船舶受到的风、流等外界因素的影响，进而确定船舶的理论最佳航线、最优操纵方法等内容。
总之，小水线面双体船四自由度操纵运动建模是一项非常复杂的工作，需要对船舶的结构、运动特性和控制系统等多个方面进行深入研究，才能够确定最优的运动模型。
通过对船舶四自由度的操纵模型的建立，不仅可以为船舶的操纵提供科学依据，同时也可以为后续的船舶设计、制造和应用提供有力的支持。
为了对某个系统或者现象进行深入研究，相关数据的采集和分析是非常必要的。
行为安全“2-4”模型在海上船舶安全管理中的应用
行为安全“2-4”模型在海上船舶安全管理中的应用行为安全“2-4”模型是一种以行为安全管理为主要内容的安全管理模型，该模型通过对员工的行为进行分析和改善，来提高整体安全管理水平。
在海上船舶安全管理中，有效应用这一模型可以帮助船舶管理者更好地管理和控制船舶上的安全风险，保障船员和船舶的安全。
本文将介绍行为安全“2-4”模型的基本概念，并分析其在海上船舶安全管理中的应用。
行为安全“2-4”模型是由美国安全专家韦德·罗德格斯提出的，该模型主要包括两个部分：“2”代表“活动”，“4”代表“行为”。
其中“2”指的是人的活动，即人在工作中所做的各种行为活动；“4”指的是人的行为，即人在工作中所表现出的各种行为习惯和态度。
该模型强调了员工的行为对安全管理的重要性，强调了通过改善员工的行为来提高整体安全管理水平。
1. 识别和分析船员的行为活动海上船舶是一个复杂的工作环境，船员在工作中会面临各种各样的安全风险。
船舶管理者可以通过对船员的行为活动进行识别和分析，了解他们在工作中的具体行为习惯和态度，从而找到安全管理的薄弱点和问题所在。
通过行为安全“2-4”模型的分析，船舶管理者可以全面了解船员的安全行为状态，为今后的安全改进提供依据。
2. 制定安全行为准则和标准基于对船员行为的识别和分析，船舶管理者可以针对不同的行为活动和习惯制定相应的安全行为准则和标准。
通过制定明确的安全行为规范，可以使船员在工作中更加注重安全，减少安全风险的发生。
船舶管理者还可以通过对安全行为的标准化管理，及时发现和纠正违反安全规范的行为，提升船员的安全意识和自我约束能力。
3. 培训和教育船员安全行为船舶管理者可以根据船员的实际情况和行为特点，开展相关的安全行为培训和教育活动。
通过向船员普及安全知识、培养安全技能，引导他们树立正确的安全态度，提高他们的安全行为水平。
在培训和教育中，可以结合现场实际情况，通过模拟演练等方式，帮助船员更好地理解和掌握安全工作方法，增强他们应对突发事件和危险情况的能力。
船舶运动模型
X m(u v ) Y m(v u ) xG u cos v sin 两坐标系运动关系 N I z
yG u sin v cos
7
X mxG Y0 myG N I z
9 June 2013
二、运动坐标系统下的船舶运动微分方程
3、运动坐标系
O xyz (O G )
4、运动微分方程 u uG 速度关系 v vG xG
力矩关系 惯性矩关系
N NG m(vG uG ) xG
2 I z I zG mxG
G xyz
6 9 June 2013
二、运动坐标系统下的船舶运动微分方程
1、运动坐标系
.
G xyz
. .. ..
t 0
2、运动微分方程
t
X 0 , Y0 , N , xog , yog , xog , y og , I z
. .
X , Y , N , u, v, u, v, I z
X 0 X cos Y sin 两坐标系力关系 Y0 Y cos X sin
X m(u v ) Y m(v u ) xG u cos v sin 两坐标系运动关系 N I z
yG u sin v cos
8
X mxG Y0 myG N I z
11
O xyz (O G )
G xyz
X m(u v ) Y m(v u ) N I z
O x y z
X mxG Y myG N I z
9 June 2013
CFD数值模拟船舶在波浪中的回转操纵运动
CFD数值模拟船舶在波浪中的回转操纵运动王建华;万德成【摘要】[目的]船舶回转操纵运动能够反映出船舶的回转特性,与船舶的航行安全密切相关.[方法]为此,采用基于重叠网格技术的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对标准船模ONRT在波浪中自由回转操纵运动进行直接数值模拟.运用动态重叠网格技术求解船、桨、舵系统复杂运动,计算中,螺旋桨转速对应于静水中的船模自航点进行35°转舵,实现自由回转船舶操纵运动.通过全粘性流场的整体求解,给出波浪中自由回转操纵运动中船舶六自由度运动、螺旋桨和舵的水动力载荷变化,以及波浪中船舶的回转圈特征参数,并与同试验结果进行对比.通过数值计算得到精细的流场信息,分析波浪对船舶自由回转操纵运动的影响.[结果]数值预报得到的船舶运动轨迹、回转圈参数与试验值吻合较好,证明naoe-FOAM-SJTU求解器对于波浪中船—桨—舵相互作用下的船舶自由回转操纵运动数值预报的适用性和可靠性.[结论]船舶回转操纵运动的数值模拟,可为回转性能的评估提供有效的前期评估手段.【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2019(014)001【总页数】8页(P1-8)【关键词】船舶操纵性;自由回转;船—桨—舵相互作用;naoe-FOAM-SJTU求解器;重叠网格方法【作者】王建华;万德成【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240【正文语种】中文【中图分类】U661.330 引言船舶操纵运动可以反映出船舶在航行过程中的机动性、回转特性和航向的纠偏能力。
操纵性能的优劣与船舶的航行安全和能耗息息相关，其重要性不言而喻。
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尺缩比：1/57.586
张伟试验：
徐静试验：
旋回直径(final diameter)：船舶进入定常旋回时旋回圈直径。
回转直径 张伟试验 徐静试验
仿真 仿真符合度
左回转 4L
4.45L 4.1L 97%
右回转 3大连海事大学出版社. 2008.
张伟. 规则波浪中的船舶操纵性数值预报研究[D].上海 交通大学, 2016.
进距(advance),航向角变化90°时船舶重心的纵向移动距离。
进矩 张伟试验 徐静试验
仿真 符合度
左回转 3.1L 3.16L 3.4L 91%
右回转 3.1L 3.16L 3.4L 91%
洪碧光. 船舶操纵 [M]，大连海事大学出版社. 2018.
Z 形试验模拟(S175) +20°zigzag
Z 形试验模拟(S175) -10°zigzag
Z 形试验模拟(S175) -20°zigzag
问题
1.论文中取点更简单的方法，取点线条光滑？
下一步工作
1. 整理程序，模块化调用。 2. 加入波浪的作用…
Thank you!
Innovative Marine Hydrodynamics Lab
静水中S175实船对比内容汇报
张志恒
2019/11/7
左回转试验模拟(S175)
左回转试验模拟(S175)
右回转试验模拟(S175)
右回转试验模拟(S175)
左右回转试验模拟(S175)
张伟. 规则波浪中的船舶操纵性数值预报研究[D].上海 交通大学, 2016.
旋回初径 试验 仿真 符合度
左回转 4.4L 4.4L 100%
右回转 4.2L 4.4L 95%
洪碧光. 船舶操纵 [M]，大连海事大学出版社. 2008.
反移量(kick),在旋回转舵阶段，由于船舶转动惯量很大还来不 及产生较大的旋转角速度，则在舵产生的横向力的作用下， 产生横向移动加速度，一定时间后产生横向移动速度，使船 舶重心产生相反方向的横移量。
横距(transfer),航向角变化90°时船舶重心的横向移动距离。
横矩 试验 仿真 符合度
左回转 1.8L 1.8L 100%
右回转 1.8L 1.8L 100%
洪碧光. 船舶操纵 [M]，大连海事大学出版社. 2008.
旋回初径(tactical diameter),又称战术直径，船舶重心的横向移 动距离，将航向角变化180°时船舶重心的横向移动距离。
洪碧光. 船舶操纵 [M]，大连海事大学出版社. 2008.
回转试验模拟(S175)
Z形操纵试验
是一种评价船舶艏摇抑制性的试验，同时， 通过Z形试验结果可以求取操纵性指数，K、 T。 K、T成为旋回性指数和追随性指数。
尺缩比：1/57.586 尺缩比：1/50
Z 形试验模拟(S175) +10°zigzag