船舶回转运动仿真
第３５卷第３期 ２０１３年３月 舰船科学技术 ＳＨＩＰ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ Ｖｏ１．３５，Ｎｏ．３ Ｍａｒ．，２０１３
船舶回转运动仿真
陈 宁，龚苏斌
（江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江２１２００３）
摘 要： 针对船舶驾驶模拟器模拟的逼真度要求，研究船舶对操舵后的动态响应。建立了风、流共同作用 下船舶操纵系统的动力学数学模型，该数学模型为动态响应线性型；利用已知的某船型的主机参数和船形尺寸参 数，求出所需的相关量，建立船舶运动仿真模型并进行相关试验的仿真。模拟了船舶回转性的试验和风、流共同作 用下对船舶操纵性能的影响试验，使船舶操作者进一步了解船舶回转性的特性以及风、流对于船舶航迹的影响。 将该模型与船舶驾驶模拟器结合，用于驾驶模拟器模拟船舶操舵后的视觉仿真，使使用者感觉其操纵特性更加 逼真。 关键词： 船舶运动模型；操舵模拟；系统建模
中图分类号： Ｕ６７５．９１ 文献标识码： Ａ
文章编号： １６７２—７６４９（２０１３）０３—０００９—０６ ｄｏｉ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７６４９．２０ｌ３．０３．００３
Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｔｕｒｎｉｎｇ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ
ＣＨＥＮ Ｎｉｎｇ，ＧＯＮＧ Ｓｕ—ｂｉｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２ １ ２００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｉｄｅｌｉｔｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ Ｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ
ａｒｔｉｃｌｅ ｍａｉｎｌｙ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｅｅｒｉｎｇ．Ｆｉｒｓｔ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ
ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ａｎｄ ｆｌｏｗ．Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｂｅｌｏｎｇｓ ｔｏ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ
ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｔｙｐｅ．Ｓｅｃｏｎｄ，ｕｓｅ ｔｈｅ ｋｎｏｗｎ ｓｈｉｐ Ｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｖａｌｕｅｓ．
Ｔｈｉｒｄ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ａｎｄ ｆｌｏｗ ｏｎ ｔｈｅ
ｓｈｉｐ ｍａｎｅｕｖｅｒｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｉｎ ｔｈｅ ｍｅａｎｔｉｍｅ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｔｅｓｔｓ．Ｗｅ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｐ
ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｔｅｓｔｓ ｏｆ ｓｈｉｐ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｆｌｏｗ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ．Ｓｏ ｔｈａｔ ｉｔ ｃａｎ
ｍａｋｅ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｂｅｔｔｅｒ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｆｌｏｗ Ｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ
ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｔｒａｃｋ．Ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｖｉｓｕａｌ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ，ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｕｓｅｒｓ ｆｅｅｌ ｍｏｒｅ ｒｅａｌｉｓｔｉｃ ａｂｏｕｔ ｉｔｓ ｈａｎｄｌｉｎｇ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｈｉｐ ｍｏｖｅ ｍｏｄｅｌ；ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｅ
０ 引 言
船舶操纵性能是指船舶在外力作用下能够保
持或者改变船舶的航速、航向和位置的动态特性，
包括航向稳定性和回转性２个方面。２０世纪６０、 ７０年代国外的研究者相继推导出了船舶运动方程，
为船舶操纵性的研究提供了理论基础。近几年，
国内一些研究者运用不同的方法建立了船舶运动
数学模型，对船舶操纵性的数值预报进行了研究，
因准确度原因以及船舶操纵的重要性还需进一步
收稿日期：２０１２—０８—２０；修回日期：２０１２—０９—１４ 基金项目：江苏省高校科研成果产业化推进资助项目（ＪＨＢ２０１ １—４１） 作者简介：陈宁（１９６３一），男，教授，长期从事船舶动力系统设计、船舶先进制造技术、企业信息集成等研究。
・１Ｏ・ 舰船科学技术 第３５卷
研究。目前，已有相关学者建立了基于Ｍａｔｌａｂ／
Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的船舶运动响应数学模型，但是相关文章
甚少。
本文在基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的船舶运动响应数学模型
建立的基础上，通过与船舶驾驶模拟器的有效结合，
模拟驾驶模拟器操纵下的船舶运动视觉仿真，使研
究者能够从带有约束的风、浪、流环境下直观地放
映船舶的操纵特性，以及该约束环境对船舶运动轨
迹的影响，使得船舶驾驶模拟器的操纵特性更为
逼真。
１ 船舶运动仿真建模
船舶运动数学模型是研究船舶运动仿真与控制
问题的核心。本文采用日本拖曳水池委员会
（ＪＴＴＣ）提出的分离型结构模型——ＭＭＧ模型，利
用其船舶运动数学模型的响应模型表达式，研究船
舶操纵性及船舶航向、航迹自动控制中的反应特性。
运动模型的建立基于１３ ０００ ＤＷＴ散货船，具体参
数统计表如表１所示。
表１ １３ ０００ ＤＷＴ散货船参数表 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｔａｂｌｅ ｏｆ １ ３ ０００ ＤＷＴ ｂｕｌｋ ｃａｒｒｉｅｒ
１．１ 船舶运动线性数学模型的建立
根据ＭＭＧ模型及船舶运动的特点，将船舶的
运动简化成船舶运动线性数学模型。当附体坐标系
原点置于船舶重心上时ＭＭＧ模型归结为 ： 对于船舶纵向运动
（，孔＋ｍ ）ｈ一（ｍ＋ｍ ） ｒ＝Ｘ日＋ 尸＋ＸＲ；
对于船舶横向运动 ，．、 （ｍ＋ｍ ） （，ｎ＋ｍ ）／Ｚ／＂＝ＹＨ＋ｌ，Ｐ＋ＹＲ；
对于船舶回转运动
Ｉ ｚｚ＋Ｊｚｚ ＝ＮＨ＋Ｎ Ｐ＋Ｎ Ｒ。 式中： ， ，Ⅳ 为作用于裸船体上的流体动力；
， ， 为螺旋桨推力；Ｘ ，Ｙ ，Ｎ 为舵力；ｈ，
为船舶运动的加速度分量； （＝ ）为转首角加速
度；ｍ为船舶质量；ｍ 和ｍ 为船舶沿 轴和】，轴
的附加质量；Ｉｚｚ为船舶绕ｚ轴的质量惯性矩；Ｊｚｚ为
船舶绕ｚ轴的附加质量惯性矩。
将作用在船体上的流体动力线性化，忽略二阶 量，式（１）化简后为 ］： 一
（ｍ＋ｍ ）Ａ ｈ＝Ｘ Ａｕ，
（ｍ＋ｍ ） ＋（ｍ＋ｍ ）Ｍ０ｒ＝ｒｖＶ＋ ｒ＋Ｙ８８， （２）
（，ｚｚ＋Ｊｚｚ） ＝Ｎ ＋Ⅳ ｒ＋Ⅳ６６。 由式（２）可见，船舶线性运动时第一方程与第
二、三方程解耦，即船舶纵向、横向和回转运动互
无影响，可以分别考虑。
不考虑纵向速度变化的影响，设船舶受外界小
扰动时，纵向速度不变，则式（２）中的第一式可除
去，其余二式可改为：
（ｎｚ＋ｍ ） ＝Ｌｖ＋［ｙ，一（ｍ＋ｍ ）１３，０］ｒ＋ ，、 （３） ０Ｉ ｚｚ＋Ｊ ｚｚ ＝Ｎ ∞＋Ｎ ｒ＋Ｎ８６ ｏ 式（３）为船舶线性运动数学模型，它和由整体
模型理论而得到的船舶线性运动方程的形式完全
相同。
１．２线性响应模型
由式（３）推导响应模型一般有２种方法，一种
直接消去法，另一种是拉氏变换法，本文采用后一
种方法。为使问题简化，假设初始状态为匀速直线
运动，则所有运动变量具有０初值，经拉氏变换，
方程（３）为一代数方程组：
（ｍ＋ｍ ）ＳＶ（ｓ）＝ （ｓ）＋［ｙ，一
（，孔＋，ｎ，）“０］ｒ（ｓ）＋ ６（ｓ）， （４）
（１ｚｚ＋‘，ｚｚ）ｓｒ（ｓ）＝Ｎ ＂１３（ｓ）＋Ⅳ，ｒ（ｓ）＋Ⅳ６６（Ｓ）。
式中： （ｓ）＝Ｌ［ （ｔ）］，ｒ（ｓ）＝Ｌ［ｒ（ｔ）］，６（ｓ）＝
６（ｔ）］。由此，可解得舵角６到转首角速度ｒ的传
递函数为 第３期 陈 宁，等：船舶回转运动仿真
＝ ＝ 。 ㈩
式中：Ｔｌ ： ； 。＋ ：
；Ｋ： ；Ｔ，： Ｃ ’ Ｃ ’
Ｉｃ＿ＹｖＮ，－Ｎｏ （ｍ＋ｍｘ １１，ｏ
由于船舶运动时呈现出非常大的惯性，而操舵
机构的能量有限，能提供的舵叶运动速度通常低于
３。／ｓ，因此，船舶运动具有低频特征。传递函数式
（５）在低频下可降阶为一阶模型：
１４（ｓ）＝ 。 （６）
式中Ｋ与式（５）中的相同，且Ｔ＝Ｔ ＋ 一 。其二
阶转首响应方程可近似简化为一阶转首响应方
程，即
＋ｒ＝Ｋ８。 （７）
其暂态响应方程为 （ｔ）＝硒（ｔ—Ｔ＋Ｔｅ－ｔ／Ｔ）。 （８）
通过前面的计算求出操纵性指数Ｋ和 ，给出
舵角６，则可计算出ｔ时间后的转首角 （ｔ）。将式
（７）积分求解，可得到 ｒ＝１￣８＋Ｃｅ－ｔ／Ｔ。 （９）
式中Ｃ为积分常数。若在正舵前行中开始操舵，在
初始条件ｔ：０时，ｒ＝０，可得到操舵开始后的ｒ变
化为 ｒ＝Ｋ８（１一ｅ－ｔ／Ｔ）。 （１０）
因此，船舶操舵以后的旋回角速度将取决于Ｋ
和 的值。
１．３水流对操船的影响
船舶驾驶模拟器模拟操纵中考虑水动力时，常
将其分为首尾向分力 和横向分力 加以处理，
在驾驶模拟器中可用输入量给定。而首尾向水动力
Ｘ 在操纵中可通过用车钟操纵（加速、减速、停
车、倒车等一系列的变速运动）予以克服，一般商 船可不予以考虑 ］，而只考虑横向分力 ：
＝ ｃ ， ２ ｄ（１０。ｆ）。 （１１）
式中：ｃ 为水动力横向分力系数；ｄ为船舶吃水；
为船舶两柱间长； 为相对流速（水流对船速
度），ｍ／ｓ。 船舶所受到的水动力，其转船力矩 可用下
式估算：
＝ Ｃ ： ｄ。 （１２） 厶 式中：ｇ为重力加速度；Ｌ 为船舶水线长，ｍ；Ｃ
为水动力转船力矩系数。 １．４风对操船的影响
作用于船体的风力Ｆ。，其值可用Ｈｕｇｈｅｓ公式
予以估算 ：
Ｆ。＝ 。ｃ （Ａ。ｃｏｓ ０＋Ｂ。ｓｉｎ ０）。 （１３） 二 式中：Ｆ。为水线上船体所受风力；Ｐ 为空气密度；
ｃ。为风压合力系数； 。为相对风速，ｍ／ｓ；０为相
对风压角；Ａ。为水线上船体正面投影面积；Ｂ。为水
线上船体侧面投影面积。
相对风速 。和风压角０在驾驶模拟器中可用输
入量给定，受风面积可以从该船资料中根据不同吃
水求得。风压合力系数ｃ。、风动力作用点至船首的
距离口以及风压合力角ｄ等值，根据船体上层建筑
的形状、布局的不同及风向的不同而有差异，一般
用实船风洞试验获得 。
当船舶处于运动状态时，以重心为支点，则风
动压力转船力矩
Ｍ ＝Ｆ。ｓｉｎｏ￣（Ｚｃ—ｎ）。 （１４）
式中ｚ 为重心Ｇ至船首的距离，Ｚ。 Ｌ／２（Ｌ为船舶
平陆运河先导段船舶操纵仿真模拟试验研究
92 ACADEMIC
平陆运河先导段船舶操纵仿真模拟试验研究
◎ 李晓楠1 龙翔宇2 高成岩3 1.青岛市交通运输综合行政执法支队；2.徐州市供排水管理中心；3.中交水运规划设计院有限公司
摘 要：为确保平陆运河建设的技术及经济性的合理性，通过船舶驾驶模型仿真试验，
研究设计代表船型在平陆运河先导段水文气象条件下的航行性能状态，进一步优化初步
设计航道设计方案。本试验首先利用通航实船模型对两种代表船型进行快速性基础性试
验，再结合水流仿真模拟建立船舶操纵模型和电子航道图，最后进行操船试验。试验结果
表明先导段设计航道宽度80m满足安全通航要求，并给出了建议的航速航法。
关键词：平陆运河；船舶操纵；船舶模拟仿真；航道
1.引言
平陆运河始于广西壮族自治区
首府南宁下游西津库区的平塘江口，
沿沙玶河入钦州境，跨分水岭沿旧
州江至陆屋，经钦江干流入海连接
钦州港，线路全长约135km，其区
位优势十分明显，上游与素有“黄金
水道”之称的西江航运干线相连，
向西经邕江直通南宁和左、右江腹
地并通云南，向东经郁江直通粤港
澳大湾区，向北通过黔江-红水河
或柳江直达贵州，向南由北部湾出
海。先导段线路起于平塘江口，终于
沙坪镇，全长13.5km，航道尺度为
80m×6.3m×360m（航道底宽×水
深×最小弯曲半径）。通过船舶驾驶
模型仿真试验，研究设计代表船型在
平陆运河先导段水文气象条件下的
航行性能状态，进一步优化初步设计
航道设计方案，以确保平陆运河建设
的技术及经济性的合理性。
应翰海等[1]就福中航道拓宽至
420m方案是否满足代表船型安全交
汇的问题，开展船舶操纵模拟试验，
分析不同工况下船舶交汇的安全距
离及航迹带宽度。童思陈等[2]为更好
体现和模拟山区河道的水流条件和
船舶航行姿态，在明渠恒定非均匀水流模型基础上，开发了基于浅水效应
的3自由度MMG船舶操纵运动数学
模型。茹志鹃[3]通过一种基于MMG
分离建模的舰船操纵运动仿真技术，
并结合Open GL平台设计了一种舰
船舶纵向运动控制模型的建立及仿真
第３５卷第１期 ２００８年１月 应 用 科 技 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．３５．Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２００８
文章编号：１００９—６７１Ｘ（２００８）０１—００５３—０４
船舶纵向运动控制模型的建立及仿真
陈虹丽，王岩，赵希人
（哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）
摘要：针对船舶在海上运动的情况，提出了一种水动力模型的建立方法．依据切片理论建立了不同浪向下船 舶纵向运动的水动力模型．基于船模水池实验，在分析４４２ ｔ水面舰艇典型海况下水动力系数的基础上，通过仿 真研究，推导出一种实时在线的船舶纵向运动控制模型；给出了计算实例并进行了误差均值和误差方差的可信 度检验，置信度９５％．该模型可实时在线地计算出船舶在任何航向、航速及海情下与频率无关的船舶纵向运动 水动力系数，从而得到实时在线船舶纵向运动控制模型．所建立的水动力模型拟合均方差的相对值在０．４％～ １３．９％，平均拟合均方差的相对值为６．６％．通过ＭＡＴＬＡＢ仿真计算证明：该模型完全能控、完全能观和渐进稳 定． 关键词：船舶纵向运动；水动力模型；仿真 中图分类号：Ｕ６６４．８２ 文献标识码：Ａ
Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｓｈｉｐ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｍｏｔｉｏｎ
ＣＨＥＮ Ｈｏｎｇ—ｌｉ，ＷＡＮＧ Ｙａｎ，ＺＨＡ０ Ｘｉ—ｒｅｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｉｄ ｏｆ ｓｌｉｃｅ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌｓ ｆｏｒ ｓｈｉｐ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｍｏｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｂｕｉｌｔ ｕｐ ｉｎ ｔｅ瑚ｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｗａｖｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｐｏｏｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ４４２Ｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｈｉｐ ｉｎ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ ｓｅａ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ａｎ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｓｈｉｐ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｍｏｔｉｏｎｓ ｗａｓ ｄｅｒｉｖｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｅｘａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｄｅｎｃｅ ｔｅｓｔ ｗａｓ ｍａｄｅ ｆｏｒ ｍｅａｎ ｅ／Ｔｏｒ ａｎｄ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ ｅｌｌ＇ｏｒ，ｒｅａｃｈｉｎｇ ｕｐ ｔｏ ９５ ｐｅｒｃｅｎｔ．Ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｃａｎ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｃｏｍｐｕｔｅ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍ— ｉｃ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ｓｈｉｐ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｍｏｔｉｏｎｓ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｉｎ ａｎｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｅａ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ａｔ ａｎｙ ｓｐｅｅｄ，ＳＯ ｔｈａｔ ａｎ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｈｉｐ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｍｏｔｉｏｎ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｆｉｔｔｅｄ ｍｅａｎ ｖａｒｉａｎｃｅ ｏｆ ｈｙｄｒｏ— ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｌｉｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ０．４％ａｎｄ １３．９％．ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｆｉｔｔｅｄ ｍｅａｎ ｖａｒｉａｎｃｅ ｉｓ ６． ６％．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ＭＡＴＬＡＢ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ．ｖｉｓｉｂｌｅ ａｎｄ ａｓｙｍｐ— ｔｏｔｉｃａｌｌｙ ｓｔｅａｄｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｐ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｍｏｔｉｏｎ；ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
基于人工神经网络的船舶操纵运动仿真
第１５卷第１期 ２ ００７年６月 广州航海高等专科学校学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＧＵＡＮＧＺＨＯＵ ＭＡＲＩＴＩＭＥ ＣＯＬＬＥＧＥ Ｖ０１．１５ ＮＯ．１ Ｊｕｎ．２００７
文章编号：１００９—８５２６（２００７）０１—０００５一Ｏ３
基于人工神经网络的船舶操纵运动仿真
金 琨 ，章 杨 ，王振波
（１．海军兵种指挥学院三系，广东广州５１０４３１；２．海军９１２２７部队，广东湛江５２４０６４）
摘 要：探讨神经网络技术在船舶操纵运动仿真领域的应用，构造一种网络结构和训练方法，验证
船舶操纵指令与船舶运动态势参数映射的可行性，并构建了基于典型ＢＰ神经网络模型的操纵运
动仿真系统．
关键词：船舶操纵；运动仿真；人工神经网络
中图分类号：Ｕ６７５．７９ 文献标识码：Ａ
目前对于船舶操纵运动数学模型的研究基本上
从２方面着手：一是从基本运动方程出发，通过确定
其水动力，进而求解其运动参数的水动力模型的研
究；二是运用控制理论，将船舶看作一个动态系统，
操舵作为输人，运动作为输出的响应模型的研究．前
一种方法需要测量和计算复杂的水动力导数，工作
量大，所建立的数学模型在频繁操纵车、舵时难以得
到令人满意的结果，而且水动力导数的理论估算目
前还不能满足工程精度的要求，只能通过拘束船模
试验来精确确定，所费甚巨，可行性较低．后一种方
法只考虑船舶的首向角对操舵的响应，更适合于宽
阔水域的船舶操纵，而不适合于具有高强机动性的
船舶操纵，若要应用于仿真，还需补充目前尚无统一
形式的船舶纵向方程．本文将就神经网络技术应用
于船舶操纵运动仿真进行探讨，以期解决上述仿真
的复杂性问题．
１ 船舶操纵运动的人工神经网络系统
仿真及其模型
系统由神经网络训练模块和船舶操纵运动仿真
模块组成．其中，神经网络训练模块包括数据归一化
处理模块、神经网络训练模块；船舶操纵运动仿真模
块包括数据归一化处理模块、神经网络仿真模块、仿
船舶倒车停船运动仿真研究
船舶倒车停船运动仿真研究
陆冬青
【期刊名称】《舰船科学技术》
【年(卷),期】2007(029)004
【摘 要】根据Guldhammer和Harvald图谱估算船舶的剩余阻力系数,运用Nordstom模桨系列图谱和换算系数估算船舶的四象限螺旋桨特性曲线,在船舶吃水船长比处于不同的范围时运用不同的方法计算倒车横向力,考虑了舵力和风力对停船运动的影响.运用MMG模型,对"Mariner"轮和"乐荣"轮进行了倒车停船运动仿真试验,并与相应的两船实船试验结果进行了比较,两者基本符合.
【总页数】5页(P110-113,116)
【作 者】陆冬青
【作者单位】镇江船艇学院,江苏 镇江212003
【正文语种】中 文
【中图分类】U661.33;O242
【相关文献】
1.基于停船视距的船舶领域模型研究 [J], 李瀛;张玮
2.全速倒车停船试验中主机熄火原因分析 [J], 周国强;甘少炜;雷伟
3.基于停船视距和积分运算的船舶领域计算方法 [J], 刘金龙;张玮;刘曙明
4.浅水中倒车停船性能预报及停船方法探讨 [J], 赵月林;古文贤
5.风对倒车停船性能影响的研究 [J], 刘正江 因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买
单桨微型高速AUV运动控制策略
Equipment Manufacturing Technology No.2,2021
单桨微型高速AUV运动控制策略
施涤凡1,冯正平1’2
(1.上海交通大学，船舶海洋与建筑工程学院，上海200240;
2.上海交通大学，海洋工程国家重点实验室，上海200240)
摘要：单桨微型高速AUV运动时受到螺旋桨转矩的影响会产生剧烈横摇，水平和垂直面运动强烈耦合，甚至发生倾
覆现象=针对单桨微型高速AUV运动控制问题，采用了一种主动控制与被动控制相结合的控制策略，利用方向航与升 降舵差动的方式产生主动横摇力矩，并在有限空间内对AUV内部结构进行了重新布局，降低了横摇主动控制引起的艏
向与深度控制面操纵性能的损失；设计了横摇、艏向和深度滑模控制器控制器，在考虑执行机构饱和的条件下优先分配
横摇控制指令,，仿真结果表明该控制策略在有效地镇定横摇时可以降低操纵性损失，减小水平面与垂直面运动的耦合，
实现深度和艏向运动的跟踪控制。关键词：微型高速自主水下运栽器（AUV);螺旋桨转矩；横摇镇定；滑模控制
中图分类号:TP273 文献标识码：A
0引言
自主水下航行器（AUV)运动控制面临诸多挑
战，如高度非线性、强耦合性、洋流等环境扰动以及
较大的模型不确定度叭因而控制器需要具有较强的
鲁棒性。国内外学者已对此展开了深入的研究，提出
了多种有效的控制方法，如反步法[21，将反步法与自
适应滑模控制相结合的控制算法131,基于扰动观测器
的终端滑模控制方法[4]以及鲁棒控制方法1等。
这些控制算法大多采用了平面运动假设，忽略
了横摇运动以及横摇带来的耦合作用。然而单桨微
型高速AUV纵向转动惯量以及横摇阻尼很小，在螺
旋桨作用下极易发生高速滚转，从而影响所搭载设
备的正常工作。对于内部空间充足的大型水下运载
器，可以通过调节浮心[61与重心171的方式增加初稳性
高来抑制横摇，也可以通过水下运载器内部质量的
旋转动态地改变重心位置，产生动态的恢复力矩实
两种响应型船舶运动模型的对比及适用性分析
两种响应型船舶运动模型的对比及适用性分析
孙健;陈永冰;周岗;李文魁
【摘 要】船舶运动模型作为自动舵性能检测平台的基础与核心，对于自动舵的研发、调试及船舶运动控制算法的设计都有非常重要的意义。现有的航迹航向自动舵检测平台普遍使用简化的一阶线性KT方程。由于忽略船舶回转运动中的纵向速度变化以及首摇角与横向速度之间的耦合，在实际使用中具有一定的局限性。本文引用国际电工委员会制定的航迹自动舵标准（ IEC62065）中提出的船舶运动模型，并对其进行仿真，将仿真结果与一阶线性KT方程的仿真结果进行对比分析，讨论一阶线性KT方程的适用范围。同时介绍改进的一阶非线性KT方程的形式并进行仿真试验，结果表明其与 IEC62065中非线性模型相似度较好，且减少了计算量。%Ship model is the foundation and core of detection platform of
autopilot. It has important significance for research and development of
autopilot and design of ship motion control algorithms. There are
limitations of the simplified first order linear KT equation which is
commonly used in existing detection platform of autopilot because the
neglect of the speed loss and the coupling relationship between transverse
velocity and yawing angle. This paper introduces the ship model proposed
基于多系数保角变换法的船舶垂荡纵摇运动仿真
基于多系数保角变换法的船舶垂荡纵摇运动仿真
1. 引言
1.1 研究背景
船舶垂荡纵摇是船舶运动中一种重要的动态特性，影响着船舶稳定性和航行性能。在海洋工程和船舶设计领域，对船舶垂荡纵摇运动进行仿真研究具有重要的理论和实际意义。传统的船舶运动仿真方法往往采用约化模型或传统方法进行建模和分析，存在着精度不高、模型简化程度较高等问题。基于多系数保角变换法的船舶垂荡纵摇运动仿真方法具有重要的研究意义。
1.2 研究目的
本文旨在通过基于多系数保角变换法的船舶垂荡纵摇运动仿真研究，深入探究船舶在海上运动中出现的垂荡纵摇现象及其影响机制，为船舶设计和运行提供可靠的理论依据。具体而言，本研究旨在通过建立船舶垂荡纵摇运动模型，并进行模型参数的辨识和仿真结果分析，进一步探讨运动控制策略，为船舶在海上运行中的稳定性和安全性提供更加有效的控制和改进方案。借助多系数保角变换法这一前沿技术手段，本研究也将在理论上带来一定的创新，为船舶运动仿真研究领域的发展做出一定的贡献。通过本研究对船舶垂荡纵摇运动的深入探讨，旨在为政府部门、船舶设计单位以及海事管理部门提供参考，提高船舶运输和海事领域的管理水平，推动我国船舶工业的发展和海上运输的安全性。 1.3 研究意义
船舶垂荡纵摇运动是船舶在海上航行中常见的运动，对船舶的稳定性和安全性有着重要影响。通过对船舶垂荡纵摇运动的仿真研究，可以更好地理解船舶在不同海况下的运动规律，为船舶设计和运行提供理论支持。基于多系数保角变换法的船舶垂荡纵摇运动仿真研究具有以下几点重要意义：
通过对船舶垂荡纵摇运动的仿真研究，可以为船舶设计和优化提供重要参考。了解船舶在不同工况下的运动规律，可以帮助设计师更好地优化船舶结构，提高船舶的稳定性和舒适性。
船舶垂荡纵摇运动的仿真研究对于船舶运输安全具有重要意义。通过模拟不同海况下的船舶运动，可以预测船舶的运动响应，为船舶驾驶员提供重要参考，有助于减少船舶事故的发生。
船舶与海洋工程专业仿真平台-FINE_Marine介绍
船舶与海洋工程专业仿真平台
FINE/Marine
NUMECA-BEIJING
NUMECA-BEIJING 2
目录
一、引言........................................................................................................................ 1
二、NUMECA公司介绍 ............................................................................................. 1
2.1 NUMECA 国际公司........................................................................................................ 1
2.2 NUMECA-BEIJING公司 ................................................................................................ 2
三、船舶与海洋工程专业仿真平台FINE/Marine简介 ............................................ 2
3.1 全六面非结构网格.......................................................................................................... 3
3.1.1 HEXPRESS快速、高自动化的网格生成 ............................................................. 4
ROV水下作业仿真系统的研究
科技与创新┃Science and Technology & Innovation
·4·
2015年 第17期
文章编号：2095－6835（2015）17－0004－03
ROV水下作业仿真系统的研究＊
陈祥余1，宋 磊2，尚宪朝1，钟朝廷1
（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.哈尔滨工程大学船舶学院，黑龙江 哈尔滨 150001）
摘 要：基于水下环境复杂和作业难度大等特点，为了实现水下ROV作业培训，建立了ROV作业视景仿真系统的关键技术方法，进行了ROV和脐带缆的受力分析，讨论了ROV-缆系统运动数学模型的建立方法和求解方法，重点分析了ROV操纵性能预报和运动仿真方法。通过典型工况下ROV直航运动和回转运动的仿真结果可看出，脐带缆主要影响ROV
的纵向运动性能。因此，在VegaPrime环境下进行了ROV作业培训的视景模型驱动、碰撞检测、视点切换和软件界面开发等工作，实现了交互的ROV水下作业仿真系统。 关键词：遥控式水下机器人；柔性脐带缆；海洋工程；ROV
中图分类号：TP391.9；TB24 文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2015.17.004
遥控式水下机器人（ROV）是海洋工程水下作业中的重要工具，但因水下环境复杂，导致作业难度较大。采用虚拟现实技术进行ROV水下作业的实时仿真，并通过模拟ROV水下作业流程测试ROV的各项性能指标和预评估作业方案，可降低ROV的实际作业风险、节约实训成本。本文以某国产开架式观察型ROV为研究对象，建立了ROV和脐带缆耦合运动数学模型，并进行了仿真试验，研究了脐带缆对ROV的运动影响，最后分析了ROV作业视景仿真系统结构，实现了ROV水下作业培训功能。 1 ROV系统运动模型 使用ROV进行水下作业时，脐带缆和ROV之间会互相影响，构成了一个复杂的动态耦合响应系统。为了更好地控制ROV和脐带缆，提高保障系统的安全性和可靠性，本文根据ROV系统建立了相应坐标系，如图1所示。
不均匀流中船舶操纵运动仿真模型及应用
- 1 - 不均匀流中船舶操纵运动仿真模型及应用
摘要：本文介绍了不均匀流中船舶操纵运动仿真模型及其应用。通过建立数学模型，模拟不同条件下的船舶运动，并分析了不同因素对船舶操纵的影响。该模型可以为船舶设计和操作提供有益的参考，提高船舶的安全性和效率。
关键词：不均匀流、船舶操纵、运动仿真、数学模型
一、引言
船舶操纵是指通过舵、推进器等装置控制船舶运动的过程。在实际操作中，船舶操纵面临着多种复杂的环境，如不均匀流、风浪等因素的影响。其中，不均匀流是指海洋中水流强度和方向不同的现象。不均匀流对船舶的操纵运动产生了较大的影响，因此，研究不均匀流中船舶操纵运动仿真模型具有重要的意义。
二、相关工作
在过去的研究中，许多学者通过实验和数值模拟等方法研究了船舶在不均匀流中的运动特性。例如，张广琳等人通过数值模拟研究了船舶在横向不均匀流中的运动特性[1]，结果表明，横向不均匀流对船舶操纵运动产生了较大的影响。另外，刘春江等人通过实验研究了船舶在纵向不均匀流中的运动特性[2]，结果表明，纵向不均匀流对船舶操纵运动产生了较大的影响。
三、不均匀流中船舶操纵运动仿真模型
为了研究不均匀流中船舶操纵运动的特性，我们建立了一个数学模型。该模型基于牛顿运动定律和流体力学原理，考虑了船舶的质量、 - 2 - 惯性、水动力等因素，可以模拟船舶在不同条件下的运动特性。具体来说，该模型包括以下几个方面的内容：
1. 船舶运动方程
船舶运动方程描述了船舶在不均匀流中的运动状态。假设船舶沿x轴方向运动，y轴方向为横向，z轴方向为纵向，则船舶运动方程可以表示为：
m(d2x/dt2) = Xf + Xp + Xr + Xu + Xt
m(d2y/dt2) = Yf + Yp + Yr + Yu + Yt
m(d2z/dt2) = Zf + Zp + Zr + Zu + Zt