船舶运动控制及其虚拟现实仿真的研究

发布时间：2017-04-11 01:06

  本文关键词：船舶运动控制及其虚拟现实仿真的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着世界经济全球化和我国经济的快速发展,中国已经成为在世界上具有重要影响的航运大国。船舶航行的安全和经济性越来越受到重视,进行船舶运动控制的研究,对于实现船舶运行“安全、高效、节能和环保”的目标,具有重要意义。 本文以大型集装箱船为对象,建立了船舶运动数学模型,并对其航向控制策略进行仿真计算研究,最后完成船舶运动控制虚拟现实仿真系统。本文的主要研究工作如下： (一)基于MMG建模机理,分别考虑作用于船体、螺旋桨、舵上的流体动力和力矩及它们之间的相互干涉影响,并考虑海风、海流等外界干扰力和力矩的影响,建立了船舶的三自由度平面运动数学模型。以中海集团的9572TEU集装箱船为例,对船舶进行了旋回计算,对比实船操纵试验数据,验证了所建立的船舶运动数学模型仿真结果的有效性。 (二)作者研究了船舶自动舵的控制算法,对于PID控制器,引入继电反馈法对其进行参数整定。在此基础上,将RBF神经网络与PID算法结合,通过辨识被控对象在线调整PID参数。在不同航速和海况下,对两种控制器进行仿真验证,基于RBF神经网络的PID控制器相比传统PID控制器,快速性更好,且舵角输出更小,更平缓,有利于船舶节能和减小舵机磨损。 (三)实现了应用虚拟现实技术对船舶运动控制进行动态仿真,在虚拟海洋环境场景中,船舶三维实体模型可实时显示在进行航向控制时的姿态的变化,且可在数字仪表中观察船舶在转向过程中船速、舵角和航向的变化,更加直观地观察到船舶转向时的相关参数的变化过程及相互影响,增强了仿真过程交互性和可视性。
【关键词】：船舶运动数学模型 航向控制 PID参数整定 RBF神经网络 虚拟现实
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TP391.9;U664.82
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-14
• 1.1 课题的背景及意义10-11
• 1.2 课题的研究现状11-13
• 1.2.1 船舶运动控制的研究现状11-12
• 1.2.2 虚拟现实技术的研究现状12-13
• 1.3 课题的研究内容13-14
• 第2章 船舶运动数学模型14-33
• 2.1 船舶运动数学方程的建立14-16
• 2.1.1 船舶运动坐标系14-15
• 2.1.2 船舶运动数学方程15-16
• 2.2 裸船体上的流体动力和力矩的计算16-21
• 2.2.1 惯性类流体动力和力矩17
• 2.2.2 粘性类流体动力和力矩17-21
• 2.3 螺旋桨与舵机数学模型21-25
• 2.3.1 螺旋桨推力及转矩计算模型21-22
• 2.3.2 舵力及舵机特性计算模型22-25
• 2.4 船舶运动干扰力模型25-26
• 2.4.1 风的干扰力数学模型25-26
• 2.4.2 流的干扰力数学模型26
• 2.5 浅水域船舶运动数学模型26-28
• 2.6 XIN SHANG HAI号的旋回试验仿真28-32
• 2.7 本章小结32-33
• 第3章 船舶航向控制的研究及仿真33-45
• 3.1 船舶航向PID控制器33-37
• 3.1.1 PID控制原理33-34
• 3.1.2 继电反馈PID参数自整定原理34-37
• 3.2 基于RBF神经网络的PID控制器37-40
• 3.2.1 径向基函数神经网络37-39
• 3.2.2 基于RBF神经网络的PID参数整定39-40
• 3.3 船舶航向控制的仿真计算与分析40-44
• 3.3.1 理想海况下的航向保持仿真研究40-42
• 3.3.2 航速变化时的船舶航向保持仿真研究42-43
• 3.3.3 考虑海洋干扰的船舶航向保持仿真研究43-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 基于虚拟现实技术的船舶运动控制仿真45-58
• 4.1 虚拟现实技术概述45-46
• 4.1.1 虚拟现实技术的概念45
• 4.1.2 虚拟现实技术的特点45-46
• 4.2 虚拟现实仿真软件46-48
• 4.2.1 三维建模工具MultiGen Creator46-47
• 4.2.2 视景仿真软件Vega47-48
• 4.3 基于Vega的虚拟现实仿真的实现48-53
• 4.3.1 Vega应用程序创建过程48
• 4.3.2 Vega视景仿真的初始化设置48-49
• 4.3.3 Vega海洋模块49-51
• 4.3.4 基于MFC的Vega应用程序51-53
• 4.4 船舶运动虚拟现实仿真系统53-57
• 4.4.1 仿真系统的总体结构53-54
• 4.4.2 系统的仿真试验54-57
• 4.5 本章小结57-58
• 结论与展望58-60
• 参考文献60-63
• 致谢63

【引证文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 李志雄;大型船舶推进系统的动力学建模与状态监测方法研究[D];武汉理工大学;2013年

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本文编号：297949