[发明专利]一种仿真的船舶操舵模拟器及模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于软硬件仿真技术领域，涉及一种仿真的船舶操舵模拟器及模拟方法，具体地说，涉及一种基于软硬件仿真的船舶操舵模拟器及模拟方法。

背景技术

船舶操舵模拟器作为一种先进的教学手段应用于航海教学和船员培训在我国已有较长的历史。研究船舶在波浪中的操纵性具有重要的理论意义和实际意义：一方面可以将船舶操纵性和耐波性两个不同的研究领域结合起来突破两者在研究内容和研究方法上的界限；另一方面也可以解决很多实际问题:如顺浪航行时的横甩问题，回转运动时的飘移现象，还有航海模拟器和自动控制系统的设计等等。而目前许多船舶操舵模拟器的仿真效果并不尽如人意，大多数船舶操纵性的研究都是针对船舶在静水中运动的情况。实际上，船舶在航行中经常要遇到各种海浪有时甚至是较大的波浪。另外，动态显示终端并不完善，操作方面也不易上手，可靠性不高，易出现故障。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种便于操作，稳定性好的仿真的船舶操舵模拟器及模拟方法。

其技术方案如下：

一种仿真的船舶操舵模拟器，整个系统有硬件操作平台和软件模拟单元两大部分构成，硬件操作平台主要完成操舵参数的设置，软件模拟单元通过相应的运算模型实时计算操舵后舵机的响应状态。

硬件操作平台通过单片机STC8952实现硬件的控制以及与软件的数据传送功能(硬件向软件传送模拟参数设置，即车钟、船型，舵令、海况、操舵模式、应急舵操作、自动舵航向的设置功能以及接收软件计算的舵机状态信息，船首向，舵角等；

软件模拟单元可从其中获取船舶操舵参数，以及相关环境变量参数；再通过数学模型的建立和仿真，计算出船舶舵机运行状态，船舶运动状态以及模拟船舶的运动轨迹等，并动态显示相关信息，实现船舶操舵的仿真及实时轨迹跟踪。

一种仿真的船舶操舵模拟方法，包括以下步骤：

(1)、船舶操舵参数和环境参数的设置和获取：

用户使用硬件仿真部分或直接从软件仿真部分设置环境和操作参数，系统通过相关的软硬件接口技术和数据库访问操作技术实时地采集相关数据；

(2)、数学模型的建立和仿真

系统通过建立可靠的数学模型处理采集的数据：

A、船舶运动的动力学表达式：

X=m(u·-vr)Y=m(v·+ur)N=Jzr·]]>

X、Y—流体动力分别在x、y轴上的分量；

N—绕Z轴的流体动力回转力矩；

m—船的质量；

J_z—绕Z轴转动的质量惯性矩；

u、v—船舶重心的瞬时速度在X、Y轴上的速度分量；

—船舶重心的瞬时加速度在X、Y轴上的分量；

r、—分别为回转角速度和角加速度；

B、船舶静水中的操纵模型：

假定作用于船体的水动力和水动力力矩与速度、加速度成正比，则需将船舶操纵运动仅局限于小舵角的操纵运动，对操纵运动起重要作用的是Y轴方向的平移运动，也称横漂运动，和绕Z轴的转动，也称回转运动；

在上述操纵运动限定下，公式左边的Y，N可以用横移速度v和加速度转头角速度r和角加速度舵角δ和操舵角速度列出线性表达式：