船舶运动仿真方法及船舶运动仿真系统与流程

1.本发明涉及船舶领域，具体而言涉及船舶运动仿真方法及船舶运动仿真系统。


背景技术：

2.由于无人艇的工作环境不易接近，使得其硬件及软件体系的研究、开发和测试变得较困难。而在无人艇工作时，可能由于其内部故障或无法处理一个不可预见的环境因素导致艇体的倾覆，而无人艇上面有许多设备的造价昂贵，因此艇体的倾覆会引起巨大的损失。如此需要实时监控正在工作的过程中的无人舰艇的运动，以及其航行的各种参数，进而为提高无人艇的性能提供依据。
3.为此，本发明提供一种船舶运动仿真方法及船舶运动仿真系统，用以至少部分地解决上述问题。


技术实现要素：

4.在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施例部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
5.为至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了一种船舶运动仿真方法，船舶包括喷水推力装置，喷水推力装置用于产生喷水力，以驱动船舶航行，船舶运动仿真方法用于仿真实际船舶的运动，船舶运动仿真方法包括：采集船舶的质量、移动速度、移动方向、转动速度，以及转动方向；根据移动速度和转动速度确定船舶的所受的合力，以及合力的对于船舶的重心的合力力矩；确定喷水力，采集喷水推力装置的喷水角度和喷水推力装置的喷嘴的位置；根据喷水角度、喷水推力装置的喷嘴的位置，以及喷水力确定驱动力，以及驱动力对于船舶的重心的驱动力力矩；根据驱动力和合力确定船舶的水动力，根据合力力矩和驱动力力矩确定水动力对于船舶的重心的水动力力矩；建立航行地形模型和船舶的三维实体模型；建立航行环境模型；在航行环境模型中模拟船舶的移动方向、移动速度、转动方向，以及转动速度。
6.根据本发明的船舶运动仿真方法，可以实时确定船舶航行的各种参数，以及实时模拟(仿真)船舶的运动，进而可以实时监控船舶的运动。
7.可选地，根据移动速度和转动速度确定船舶的所受的合力，以及合力的对于船舶的重心的合力力矩的步骤包括：
8.根据移动速度确定移动加速度，根据转动速度确定转动加速度，确定船舶的惯性矩；
9.通过以下方程组确定合力在第一方向的第一分力x、合力在垂直于第一方向的第二方向的第二分力y、合力在垂直于第一方向和第二方向的第三方向的第三分力z、合力力矩在第一方向的第一分力矩k、合力力矩在第二方向的第二分力矩m，以及合力力矩在第三方向的第三分力矩n，
[0010][0011]
其中，m为船舶的质量；
[0012]
u为移动速度在第一方向上的第一分移动速度；
[0013]
v为移动速度在第二方向上的第二分移动速度；
[0014]
w为移动速度在第三方向上的第三分移动速度；
[0015]
p为转动速度在第一方向上的第一分转动速度；
[0016]
q为转动速度在第二方向上的第二分转动速度；
[0017]
r为转动速度在第三方向上的第三分转动速度；
[0018]
为移动加速度在第一方向上的第一分移动加速度；
[0019]
为移动加速度在第二方向上的第二分移动加速度；
[0020]
为移动加速度在第三方向上的第三分移动加速度；
[0021]
为转动加速度在第一方向上的第一分转动加速度；
[0022]
为转动加速度在第二方向上的第二分转动加速度；
[0023]
为转动加速度在第三方向上的第三分转动加速度；
[0024]
i
x
为惯性矩在第一方向上的第一分惯性矩；
[0025]
i
y
为惯性矩在第二方向上的第二分惯性矩；
[0026]
i
z
为惯性矩在第三方向上的第三分惯性矩。
[0027]
可选地，确定喷水力的步骤包括：
[0028]
根据合力和移动速度确定船舶的喷水力。
[0029]
可选地，根据喷水角度、喷水推力装置的喷嘴的位置，以及喷水力确定驱动力，以及驱动力对于船舶的重心的驱动力力矩的步骤包括：
[0030]
通过以下方程组确定驱动力在第一方向的第一驱动分力x
j
、驱动力在垂直于第一方向的第二方向的第二驱动分力y
j
、驱动力在垂直于第一方向和第二方向的第三方向的第三驱动分力z
j
、驱动力力矩在第一方向的第一驱动分力矩k
j
、驱动力力矩在第二方向的第二驱动分力矩m
j
，以及驱动力力矩在第三方向的第三驱动分力矩n
j
，
[0031][0032]
其中，t
j
为喷水力；
[0033]
σ
j
为喷水角度；
[0034]
h
j
为喷水推力装置喷射的水流的轴线和船舶的重心之间的距离；
[0035]
x
j
为在船舶的航行方向上，喷嘴的位置和船舶的重心之间的距离。
[0036]
可选地，根据驱动力和合力确定船舶的水动力，根据合力力矩和驱动力力矩确定水动力对于船舶的重心的水动力力矩的步骤包括，
[0037]
通过以下公式确定水动力在第一方向的第一水动力分力x
h
、水动力在垂直于第一方向的第二方向的第二水动力分力y
h
、水动力在垂直于第一方向和第二方向的第三方向的第三水动力分力z
h
、水动力力矩在第一方向的第一水动分力矩k
h
、水动力力矩在第二方向的第二水动力分力矩m
h
，以及水动力力矩在第三方向的第三水动力分力矩n
h
，
[0038][0039]
其中，x为合力在第一方向的第一分力；
[0040]
y为合力在第二方向的第二分力；
[0041]
z为合力在第三方向的第三分力；
[0042]
k为合力力矩在第一方向的第一分力矩；
[0043]
m为合力力矩在第二方向的第二分力矩；
[0044]
n为合力力矩在第三方向的第三分力矩；
[0045]
x
j
为驱动力在第一方向的第一驱动分力；
[0046]
y
j
为驱动力在第二方向的第二驱动分力；
[0047]
z
j
为驱动力在第三方向的第三驱动分力；
[0048]
k
j
为驱动力力矩在第一方向的第一驱动分力矩；
[0049]
m
j
为驱动力力矩在第二方向的第二驱动分力矩；
[0050]
n
j
为驱动力力矩在第三方向的第三驱动分力矩。
[0051]
可选地，航行地形模型通过不规则三角网表示法表示航行地形。
[0052]
可选地，船舶运动仿真方法用于仿真无人舰的运动。
[0053]
本发明还提供了一种船舶运动仿真系统，船舶运动仿真系统包括计算机和显示装置，计算机配置为根据前述的船舶运动仿真方法模拟船舶的运动，显示装置用于显示计算机的模拟画面。
[0054]
根据本发明的船舶运动仿真系统，船舶运动仿真系统根据前述的船舶运动仿真方法模拟船舶的运动，可以实时确定船舶航行的各种参数，以及实时模拟(仿真)船舶的运动，进而可以实时监控船舶的运动。
附图说明
[0055]
为了使本发明的优点更容易理解，将通过参考在附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本发明。可以理解这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为是对其保护范围的限制，通过附图以附加的特性和细节描述和解释本发明。
[0056]
图1为根据本发明的第一个优选实施方式的船舶运动仿真方法的流程示意图。
具体实施方式
[0057]
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
[0058]
以下参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。需要说明的是，本文中所使用的术语“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，并非限制。
[0059]
在本文中，本技术中所引用的诸如“第一”和“第二”的序数词仅仅是标识，而不具有任何其它含义，例如特定的顺序等。而且，例如，术语“第一部件”其本身不暗示“第二部件”的存在，术语“第二部件”本身不暗示“第一部件”的存在。
[0060]
为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
[0061]
本发明的实施方式提供了一种船舶运动仿真方法。船舶运动仿真方法可以配置在仿真系统上。仿真系统包括计算机和与计算机电连接的显示装置(例如显示器)。计算机可以通过船舶运动仿真方法在虚拟的航行环境模型中仿真实际船舶的移动方向、移动速度、转动方向，以及转动角度，然后通过显示装置显示其仿真的画画。本实施方式中，以船舶在海洋中航行为例进行说明。
[0062]
该实际船舶包括喷水推力装置，例如水泵。喷水推力装置可以向船外喷射水流，进而产生喷水力。喷水力可以推动船舶朝向和喷水推力装置的喷水方向相反的方向移动。本实施方式中，实际船舶的在水平面上的投影大致为椭圆形，该椭圆形的长轴方向为船舶的航行方向。优选地，该船舶可以是无人艇。
[0063]
如图1所示，船舶运动仿真方法包括：
[0064]
步骤s1、采集船舶的质量、移动速度，以及转动速度。
[0065]
计算机可以预先存储有待仿真的实际船舶的质量，以及该实际船舶的三维尺寸。计算机可以根据实际船舶的质量和该实际船舶的三维尺寸确定该实际船舶的重心的位置。计算机可以和实际船舶通讯，以实时采集实际船舶的移动速度(直线速度)、移动方向、转动速度(角速度)，以及转动方向。需要说明的是确定该实际船舶的重心的位置的方法和现有技术中确定重心的位置的方法大致相同，这里不再赘述。采集船舶的移动速度、移动方向、转动速度，以及转动方向的方法和现有技术的采集船舶的移动速度、移动方向、转动速度，以及转动方向的方法大致相同，这里不再赘述。
[0066]
步骤s2、根据移动速度和转动速度确定船舶的所受的合力，以及合力的对于船舶的重心的合力力矩。
[0067]
计算机可以实时确定实际船舶所受到的合力，以及该合力对于船舶重心的合力力矩，进而通过显示装置实时显示该合力和合力力矩。本实施方式通过合力在第一方向的第一分力x、合力在第二方向的第二分力y，以及合力在第三方向的第三分力z表示合力的大小和方向。通过合力力矩在第一方向的第一分力矩k、合力力矩在第二方向的第二分力矩m，以及合力力矩在第三方向的第三分力矩n表示合力力矩。其中第一方向垂直于第二方向。第二方向垂直于第三方向。第三方向垂直于第一方向。需要说明的是，第一方向和第二方向为水
平方向。第三方向沿船舶的高度方向延伸。
[0068]
优选地，步骤s2包括步骤s21和步骤s22。
[0069]
步骤s21、根据移动速度确定移动加速度、根据转动速度确定转动加速度，以及确定船舶的惯性矩。
[0070]
计算机可以根据移动速度的变化确定移动加速度、根据转动速度的变化确定转动加速度，以及确定船舶的惯性矩。其中，船舶的惯性矩可以根据船舶的质量和三维尺寸通过实验预先确定，然后预先存储与计算机中。确定移动加速度和确定转动加速度的方式和现有技术大致相同，这里不再赘述。
[0071]
步骤s22、通过方程组(一)确定合力在第一方向的第一分力x、合力在垂直于第一方向的第二方向的第二分力y、合力在垂直于第一方向和第二方向的第三方向的第三分力z、合力力矩在第一方向的第一分力矩k、合力力矩在第二方向的第二分力矩m，以及合力力矩在第三方向的第三分力矩n。
[0072][0073]
其中，m为船舶的质量；
[0074]
u为移动速度在第一方向上的分移动速度；
[0075]
v为移动速度在第二方向上的分移动速度；
[0076]
w为移动速度在第三方向上的分移动速度；
[0077]
p为转动速度在第一方向上的分转动速度(船舶绕第一方向转动的速度)；
[0078]
q为转动速度在第二方向上的分转动速度(船舶绕第二方向转动的速度)；
[0079]
r为转动速度在第三方向上的分转动速度(船舶绕第三方向转动的速度)；
[0080]
为移动加速度在第一方向上的第一分移动加速度；
[0081]
为移动加速度在第二方向上的第二分移动加速度；
[0082]
为移动加速度在第三方向上的第三分移动加速度；
[0083]
为转动加速度在第一方向上的第一分转动加速度(船舶绕第一方向转动的加速度)；
[0084]
为转动加速度在第二方向上的第二分转动加速度(船舶绕第二方向转动的加速度)；
[0085]
为转动加速度在第三方向上的第三分转动加速度(船舶绕第三方向转动的加速度)；
[0086]
i
x
为惯性矩在第一方向上的分惯性矩；
[0087]
i
y
为惯性矩在第二方向上的分惯性矩；
[0088]
i
z
为惯性矩在第三方向上的分惯性矩。
[0089]
可以理解，在未示出的实施方式中，也可以通过其它方式确定船舶所受的合力，以
及合力的对于船舶的重心的合力力矩。例如可以预先通过实验确定同等吨位的船舶以上述移动速度和转动速度运动时，所受到的合力，然后结合船舶的三维尺寸确定合力对于船舶的重心的扭矩。
[0090]
步骤s3、确定喷水力，采集喷水推力装置的喷水角度和喷水推力装置的喷嘴的位置。
[0091]
步骤s4、根据喷水角度、喷嘴的位置，以及喷水力确定驱动力，以及驱动力对于船舶的重心的驱动力矩；
[0092]
船舶移动时，船舶受到喷水推力装置的喷水力和水动力。喷水力产生的驱动力和水动力共同作用船舶，以使船舶移动。也就是说上述的合力为驱动力和水动力的合力。合力扭矩为驱动力扭矩(驱动力对于船舶的重心的扭矩)和水动力扭矩(水动力对于船舶的重心的扭矩)之和。这样，可以确定驱动力和驱动力扭矩，进而确定水动力和水动力扭矩。
[0093]
优选地，确定喷水力的步骤包括：根据合力和移动速度确定船舶的喷水力。
[0094]
步骤s3中，可以通过实验预先确定同等大小，同等吨位的船舶的航行功率和喷水力之间的关系。例如船舶以第一航行功率航行时，需要的喷水力为第一喷水力。这样通过合力和移动速度可以确定船舶的航行功率，然后根据航行功率确定当前的喷水力。
[0095]
计算机还可以实时采集实际船舶的喷水推力装置的喷嘴在船舶上的位置，进而在船舶的航行方向上确定喷嘴和船舶的重心之间的距离。计算机还可以采集实际船舶当前的喷水角度(喷水推力装置喷出的水流的和船舶的航行方向之间的角度。其中沿船舶的前进方向，如果喷水推力装置向船舶的左侧喷射水流，则喷水角度为正值；如果喷水推力装置向船舶的右侧喷射水流，则喷水角度为负值)。
[0096]
优选地，步骤s4通过以下方程组(二)确定驱动力在第一方向的第一驱动分力x
j
、驱动力在垂直于第一方向的第二方向的第二驱动分力y
j
、驱动力在垂直于第一方向和第二方向的第三方向的第三驱动分力z
j
、驱动力矩在第一方向的第一驱动分力矩k
j
、驱动力矩在第二方向的第二驱动分力矩m
j
，以及驱动力矩在第三方向的第三驱动分力矩n
j
。
[0097][0098]
其中，t
j
为喷水力；
[0099]
σ
j
为喷水角度；
[0100]
h
j
为喷水推力装置喷射的水流的轴线和船舶的重心之间的距离；
[0101]
x
j
为沿船舶的长度方向，喷射位置和船舶的重心之间的距离。
[0102]
由此，可以更加准确的确定驱动力，以及驱动力对于船舶的重心的驱动力矩。
[0103]
在其它未示出的实施方式中，也可以通过其它方式确定驱动力，以及驱动力对于船舶的重心的驱动力矩。例如可以通过实验预先确定。
[0104]
步骤s5、根据驱动力和合力确定船舶的水动力，根据合力力矩和驱动力矩力矩确定水动力对于船舶的重心的水动力力矩。
[0105]
优选地，通过以下方程组(三)确定水动力在第一方向的第一水动力分力x
h
、水动
力在垂直于第一方向的第二方向的第二水动力分力y
h
、水动力在垂直于第一方向和第二方向的第三方向的第三水动力分力z
h
、水动力力矩在第一方向的第一水动分力矩k
h
、水动力力矩在第二方向的第二水动力分力矩m
h
，以及水动力力矩在第三方向的第三水动力分力矩n
h
。
[0106][0107]
步骤s6、建立航行地形模型和船舶的三维实体模型。
[0108]
航行地形模型可以包括航行岛屿模型。船舶的三维实体模型包括待仿真的船舶的三维实体模型，以及位于海面上的用于参照船舶的三维实体模型。可以通过world creator软件建立航行地形模型的flt文件和船舶的三维实体模型的flt文件。其中，可以根据前述的实际船舶的三维尺寸建立船舶的三维实体模型的flt文件。
[0109]
建立航行地形模型时，可以通过lod(细节层次，levels of detail)技术，进行地形仿真。由此可以在不影响实际仿真画面的前提下，通过逐次简化模型细节来降低模型数据库的复杂度，从而可以有效地提高实时渲染效率。
[0110]
优选地，航行地形模型通过不规则三角网(也就是tin网格，triangulated irregular network)表示法表示航行地形。由此，可以有效降低数据冗余，同时提高计算效率。
[0111]
步骤s7、建立航行环境模型。步骤s7包括步骤s71、步骤s72，以及步骤s73。
[0112]
步骤s71、通过vega prime仿真软件的lynx prime图形界面的建立船舶的航行场景。船舶的航行场景包括动态航行场景、静态航行场景、天空场景，以及位于天空场景中的云朵。例如通过上述的lynx prime图形界面的海洋模块(ocean)建立动态航行场景和静态航行场景。通过lynx prime图形界面的环境模块(environments)建立天空场景和云朵。
[0113]
步骤s72、将步骤s6建立的航行地形模型和船舶的三维实体模型导入步骤s71中的船舶的航行场景。
[0114]
步骤s73、通过lynx prime图形界面对航行环境模型进行初始化设置。例如可以根据电子海图中航行岛屿模型的真实的经纬度设置航行岛屿模型在船舶的航行场景中的位置，以建立航行环境模型。在航行环境模型中，还可以设置各个模型(航行岛屿模型、参照船舶、云朵、待仿真的实际船舶的初始位置)的位置、运动方式、视点位置、视点方式，以及特殊效果等。
[0115]
步骤s8、在航行环境模型中模拟船舶的运动。
[0116]
船舶的运动包括船舶的移动方向、移动速度、转动方向，以及转动角度。计算机通过显示装置实时显示其在航行环境模型中，模拟实际船舶的运动的画面，以及可以显示上述步骤s1至s7中的各种参数。
[0117]
需要说明的是，在其它实施方式中，上述步骤s6至s8中，建立各种模型的方法，以及在航行环境模型中模拟运动的方法可以和现有技术大致相同。
[0118]
本实施方式中，可以实时确定船舶航行的各种参数，以及实时模拟(仿真)船舶的
运动，进而可以实时监控船舶的运动。
[0119]
本发明还提供了一种船舶运动仿真系统。船舶运动仿真系统包括前述的计算机和显示装置，计算机配置为根据前述的船舶运动仿真方法模拟实际船舶的运动，显示装置用于显示计算机的模拟画面。
[0120]
本实施方式中，计算机配置为根据前述的船舶运动仿真方法仿真实际船舶的运动，可以实时确定船舶航行的各种参数，以及实时模拟(仿真)船舶的运动，进而可以实时监控船舶的运动。
[0121]
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
[0122]
除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“部件”等术语既可以表示单个的零件，也可以表示多个零件的组合。本文中出现的诸如“安装”、“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。
[0123]
本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。