船舶六自由度运动平台研究概述

 

船舶在江河湖海中航行，严格地说是一个六自由度运动体，为了简化分析，常将其分解为水平面运动和垂直面运动，且不考虑两者的运动耦合关系。绝大多数船舶对垂直面内的升沉运动和纵摇运动没有控制手段，因此对排水型船舶目前只研究其在水平面内的运动和操纵控制问题。建立船舶水平面操纵数学模型的价值在于当进行舰船总体结构和性能设计时，可通过操纵运动数学仿真试验，进行船舶操纵性预报;在舰船操纵控制设备(自动舵、减摇鳍等)的设计时，通过仿真试验确定操纵控制设备的控制规律及参数。

 

船舶在风浪天气航行时，航向将出现不停的偏摆，在高海情时，舵力矩远不足以克服波浪的干扰力矩，在操舵仪自动方式下会频繁操舵却不能控制航向的摆动。为了消除这种“无效舵”，目前正在研究引入诸如维纳滤波器、卡尔曼滤波器、渐近观测滤波器等环节，但至今未能很好地解决这个问题。因此，在各种滤波技术研究及仿真时，建立并采用船舶在风浪中航行的操纵运动数学模型，更具有现实意义。

 

六自由度船舶仿真平台组成部分：视景仿真系统、操纵负载仿真系统、音效环境仿真系统、计算机数据处理系统、驾驶舱仿真系统和运动仿真模拟平台。

 

视景仿真系统：它给驾驶员提供机舱外视觉景象。随着模拟器的“航行”位置和“航行”状况的变化，在模拟舱前显现相应的船外景象，包括港口、海浪、天空、船只航行尾迹等。视景仿真系统一般由视景生成计算机和视景显示系统组成。虚拟视景通过视景建模、视景特效开发、交互开发完成虚拟场景的交互显示。视景显示系统一般通过投影显示系统实现。

 

操纵负载系统：驾驶员在操纵舵轮、车钟手柄等操纵机构时，操纵负载系统给驾驶员以操纵负载力的感觉。这些负载力随操纵机构的行程大小、航行速度等参数的变化而改变。操纵负载系统通常采用力伺服系统。

 

模拟驾驶舱及音效环境仿真系统：它与真实船舶驾驶舱相似，舱内设有仪表、指示灯、开关按钮和操纵手柄。驾驶员根据仪表指示和外景显示操纵模拟器。舱内仪表也可根据需要开发成虚拟仪表。噪声模拟系统主要用来模拟船舶模拟器航行、发动机和外部环境的音响效果以及乘员与控制台间的语音通讯

 

仿真计算机数据处理系统： 它是驾驶模拟器的主要组成部分。通过编写程序的方法来描述船舶各系统的数学模型。

 

运动仿真模拟平台：它给驾驶员以运动感觉。运动仿真系统一般通过六自由度运动平台提供 “航行”过程中模拟器垂直、水平、横向、俯仰、滚转和偏航六个角运动的感觉。运动基座由大功率伺服系统驱动，驱动信号由计算机计算形成。

 

船舶六自由度运动平台设计研究：

 

根据六自由度船舶运动模拟试验台的总体设计要求、性能指标要求及接口要求等,采用六自由度Stewart平台结构与升降平台相结合的方案,对整个六自由度船舶运动模拟试验台进行了总体设计;对机械系统进行了误差建模和有限元分析,并对主要元器件如升降机、电动缸等进行选型计算;对控制系统进行了运动学、幅频特性、相频特性分析,并利用Visual C++编写运动控制程序、姿态解算程序及管理界面程序等。最后,利用海克斯康的三轴激光测量系统对六自由度船舶运动模拟试验台的定位精度和重复定位精度进行了测试,测试结果满足试验台的性能指标要求,达到了预期的成果。