船舶运动控制及其虚拟现实仿真的研究

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。