一种船岸碰撞仿真运动方法与流程

本发明属于船舶仿真领域，特别涉及一种船岸碰撞仿真运动方法。

背景技术：

1、近年来随着计算机技术的迅速发展，国内外船舶驾驶模拟器供应商一直以高度热情投入研发，船舶驾驶模拟器功能从简单到复杂、从单一到综合，“物理真实感”、“行为真实感”、“环境真实感”都逐步提高，模拟器在船舶驾驶员培训中发挥的作用日益增大。

2、船舶靠离码头一直是船员驾驶培训的重点项目之一，但相较于自由航行状态下的船舶六自由度仿真计算精度较高，靠离码头过程中船与岸碰撞的过程仿真计算效果则不尽人意，主要表现在两方面：定性方面是当前船舶驾驶模拟器对船岸碰撞的处理算法问题，定量方面船靠离码头缺少相应的实船试验数据。

3、在早期版本的模拟器上，碰撞岸壁后模拟器系统甚至会出现“死机”现象，近年来各家单位研发的船舶驾驶模拟器新版本虽然已解决了这一问题，但整体仿真效果距离“逼真的靠离码头”要求还有差距。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种船岸碰撞仿真运动方法，能够高度仿真船舶靠岸或离岸过程中的运动状态，提升仿真运动准确性。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种船岸碰撞仿真运动方法，包括：

4、将船舶和岸壁均进行简化，且使得船舶简化成封闭的多边形，岸壁简化为多边形或者轮廓线，获得船舶简化模型和岸壁简化模型；

5、在船舶靠岸或离岸过程中，对船舶简化模型与岸壁简化模型进行图形求交，获得交点的数量，根据交点的数量判断船舶与岸壁是否发生碰撞；

6、如果判断船舶与岸壁产生了碰撞，则对船舶简化模型和岸壁简化模型的相交部分进行碰撞分析，获得瞬时碰撞数据；

7、将得到的瞬时碰撞数据作为船舶继续运动过程中的下一时刻的初始数据；重复该步骤直至船舶与岸壁无碰撞为止。

8、进一步地，若所述船舶简化模型与岸壁简化模型的交点数量为0或1，则判断船舶与岸壁未发生碰撞；

9、若所述船舶简化模型与岸壁简化模型的交点数量大于或等于2，则表明船舶与岸壁发生了碰撞。

10、进一步地，当船舶与岸壁发生碰撞后，基于船舶简化模型和岸壁简化模型的相交区域，获取碰撞中心点，计算碰撞法线方向、碰撞弹性形变、碰撞力、碰撞力矩中的至少一项。

11、进一步地，计算碰撞法线方向包括以下步骤：

12、使用getcoordinates函数获取碰撞点p1(x1，y1)、p2(x2，y2)，采用平均法求取碰撞中心点c(xc，yc)，其中

13、则得到碰撞法线方向为(y2-y1，x2-x1)。

14、进一步地，计算碰撞弹性形变包括以下步骤：

15、延长碰撞法线，得到与船舶、岸壁相交区域的交点p3(x3，y3)、p4(x4，y4)；

16、则计算碰撞弹性形变

17、根据计算得到的弹性形变值和预设的碰撞临界值进行比较，并判断船舶碰撞的程度。

18、进一步地，所述碰撞临界值为k，若δ≤k，则进入下一步；若δ＞k，则表明船舶卡在了岸壁中。

19、进一步地，计算碰撞力包括以下步骤：

20、

21、f为碰撞力；dwt为船舶载重(单位吨)；v为船舶航速(单位m/s)；dact为船撞击时排水量(单位吨)；dmax为船满载时排水量(单位吨)。

22、进一步地，计算碰撞力矩包括以下步骤：

23、xcollision＝fsin(ψ-α)；

24、ycollision＝fcos(ψ-α)；

25、ncollision＝ycollision*xc-xcollision*yc；

26、式中：xcollision为碰撞时船舶受到x方向的作用力；ycollision为碰撞时船舶受到y方向的作用力；ncollision为碰撞时船舶受到的转向力矩；ψ为船舶艏向角；α为岸壁方向；ψ-α为船身与岸壁之间的夹角。

27、进一步地，采用四阶龙格库塔法求解船舶的三自由度运动方程，输出船岸碰撞下的船舶位移与姿态。

28、进一步地，还包括建立船舶三自由度运动数学模型：

29、

30、

31、

32、其中，m为船舶质量；mx为x方向上的附加质量；my为y方向上的附加质量；izz为惯性矩；jzz为附加惯性力矩；为船舶绕z轴转动的首摇角速度；xh、yn分别为船舶在x、y方向上的水动力；nh为船舶水动力矩；p表示船舶收到的如螺旋桨、舵、锚、缆、拖船、风、浪、流等各种外界力与力矩；xcollision为碰撞时船舶受到x方向的作用力；ycollision为碰撞时船舶受到y方向的作用力；ncollision为碰撞时船舶受到的转向力矩。

33、有益效果：本发明船岸碰撞仿真运动算法通过将船舶与岸壁简化为多边形，通过求交对船岸是否碰撞进行检测，再通过分析船舶受到的碰撞数据，从定性的角度增加船舶靠离码头的仿真精度，提高船舶驾驶员靠离码头的培训效果。

技术特征：

1.一种船岸碰撞仿真运动方法，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的一种船岸碰撞仿真运动方法，其特征在于：若所述船舶简化模型与岸壁简化模型的交点数量为0或1，则判断船舶与岸壁未发生碰撞；

3.根据权利要求1所述的一种船岸碰撞仿真运动方法，其特征在于：当船舶与岸壁发生碰撞后，基于船舶简化模型和岸壁简化模型的相交区域，获取碰撞中心点，计算碰撞法线方向、碰撞弹性形变、碰撞力、碰撞力矩中的至少一项。

4.根据权利要求3所述的一种船岸碰撞仿真运动方法，其特征在于：计算碰撞法线方向包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种船岸碰撞仿真运动方法，其特征在于：计算碰撞弹性形变包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种船岸碰撞仿真运动方法，其特征在于：所述碰撞临界值为k，若δ≤k，则进入下一步；若δ＞k，则表明船舶卡在了岸壁中。

7.根据权利要求4所述的一种船岸碰撞仿真运动方法，其特征在于：计算碰撞力包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种船岸碰撞仿真运动方法，其特征在于：计算碰撞力矩包括以下步骤：

9.根据权利要求1所述的一种船岸碰撞仿真运动方法，其特征在于：采用四阶龙格库塔法求解船舶的三自由度运动方程，输出船岸碰撞下的船舶位移与姿态。

10.根据权利要求1所述的一种船岸碰撞仿真运动方法，其特征在于：还包括建立船舶三自由度运动数学模型：

技术总结
本发明公开了一种船岸碰撞仿真运动方法，包括将船舶和岸壁均进行简化，且使得船舶简化成封闭的多边形，岸壁简化为多边形或者轮廓线，获得船舶简化模型和岸壁简化模型；在船舶靠岸或离岸过程中，对船舶简化模型与岸壁简化模型进行图形求交，获得交点的数量，根据交点的数量判断船舶与岸壁是否发生碰撞；如果判断船舶与岸壁产生了碰撞，则对船舶简化模型和岸壁简化模型的相交部分进行碰撞分析，获得瞬时碰撞数据；将得到的瞬时碰撞数据作为船舶继续运动过程中的下一时刻的初始数据；重复该步骤直至船舶与岸壁无碰撞为止，能够高度仿真船舶靠岸或离岸过程中的运动状态，提升仿真运动准确性。

技术研发人员：万柳梅,任胜彬,薛飞,杨帅,张晶晶,陈秀敏,刘宇,杨昊,杜鹏,王聪
受保护的技术使用者：中船航海科技有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15