船舶操纵控制虚拟现实仿真的研究

发布时间：2017-06-07 11:17

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【摘要】：本文应用虚拟现实技术,对于船舶操纵性和船舶运动控制的可视化仿真进行了较系统的研究。本论文将虚拟现实技术与船舶操纵性和运动控制仿真研究相结合,利用虚拟现实仿真技术对船舶操纵性进行三维立体可视化仿真,以便可以更加清晰、直观地观测所建船舶模型的操纵运动过程,并对其运动性能进行评估。 首先,本文基于MMG分离型模型,建立三自由度船舶运动方程。考虑到其之间相互干涉作用,分别建立船体、螺旋桨、舵所受到的力和力矩的数学模型。考虑了船舶实际运行中会受到一些不确定的自然因素的影响,建立了风、流干扰力和干扰力矩模型。 其次,在建立的模型基础上,研究了船舶航向控制器,设计了线性自抗扰(LADRC)控制器。船舶是复杂时变且非线性耦合的被控对象,线性自抗扰控制器可不确知被控对象的具体数学模型实现控制。仿真结果显示,响应快速且控制精度比较高,对受控对象的不确定干扰因素有良好适应性、鲁棒性,能够获得较理想效果。 最后,应用虚拟现实技术实现了船舶操纵运动过程可视化仿真。在WindowsXP平台下,作者利用Matlab计算船舶运行过程中船速、航向、舵角等参数的变化。在MFC框架下通过Vega API得到船舶各项运动参数,在虚拟海洋环境中实时设置船舶位姿,实现船舶操纵运动视觉仿真。利用力反馈设备PHANTOM Desktop模拟舵轮,实现手动操舵的虚拟仿真过程。
【关键词】：船舶操纵性 线性自抗扰(LADRC) 虚拟现实 Vega PHANTOM Desktop
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U664.82;TP391.9
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 课题背景及意义9-10
• 1.2 课题的研究现状10-11
• 1.2.1 船舶操纵运动控制研究现状10
• 1.2.2 虚拟现实技术国内外研究现状10-11
• 1.3 课题研究内容11-13
• 第2章 船舶运动数学模型13-31
• 2.1 MMG船舶数学模型13-16
• 2.1.1 船舶操纵运动的坐标系13-14
• 2.1.2 船舶平面运动数学模型的建立14-16
• 2.2 作用于船体的流体动力和力矩16-20
• 2.2.1 惯性流体动力和力矩的计算16-17
• 2.2.2 粘性流体动力和力矩的计算17-20
• 2.3 作用于螺旋桨的流体动力和力矩20-21
• 2.4 作用于舵的流体动力和力矩21-24
• 2.5 作用于船体的干扰力和力矩24-26
• 2.5.1 风的干扰力和干扰力矩24-25
• 2.5.2 流的干扰力和干扰力矩25-26
• 2.6 船舶操纵性能试验26-30
• 2.6.1 旋回试验(Turning tests)27-28
• 2.6.2 Z形操纵试验(Zig-zag tests)28-30
• 2.7 小结30-31
• 第3章 船舶航向控制的研究及仿真31-40
• 3.1 PID控制器31-32
• 3.2 自抗扰控制器的设计32-37
• 3.2.1 自抗扰控制的基本算法33-36
• 3.2.2 线性自抗扰控制器的设计36-37
• 3.3 航向控制的仿真与分析37-39
• 3.3.1 理想环境航向控制仿真37-38
• 3.3.2 外界干扰作用下航向控制仿真38-39
• 3.3.3 参数摄动下航向控制仿真39
• 3.4 小结39-40
• 第4章 仿真系统总体设计与实现40-57
• 4.1 虚拟现实仿真平台简介40-44
• 4.1.1 MultiGen Creator建模软件40
• 4.1.2 Vega开发软件概述40-42
• 4.1.3 力反馈系统简介42-44
• 4.2 虚拟现实仿真系统的软件设计44-47
• 4.2.1 船舶数字仿真部分实现44-45
• 4.2.2 可视化仿真部分整体实现45-47
• 4.3 功能模块技术实现47-51
• 4.3.1 多通道配置47-49
• 4.3.2 场景中对象的拾取49-50
• 4.3.3 力反馈系统的实现50-51
• 4.4 系统仿真试验51-56
• 4.4.1 航向保持的虚拟仿真51-52
• 4.4.2 旋回试验的虚拟仿真52-54
• 4.4.3 Z形试验的虚拟仿真54-55
• 4.4.4 操舵过程与船舶运动仿真55-56
• 4.5 小结56-57
• 第5章 结论与展望57-58
• 参考文献58-61
• 致谢61

【参考文献】

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本文编号：428891