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          船舶六自由度運動平臺的系統構成與設計研究
          發布時間:2022-08-23 10:08

            六自由度船舶運動模擬試驗臺作為并聯機器人的一種,發展迅速、應用廣泛,它能夠在實驗室將船舶在海洋中的搖擺姿態模擬出來,可以將艦載武器、設備、儀器等放在六自由度船舶運動模擬試驗臺上進行陸地試驗,驗證艦載武器、設備或儀器等的可靠性,減少海上試驗風險和次數,從而降低武器、設備或儀器等的試驗成本和研制周期。

            船舶六自由度運動平臺研究概述

            船舶在江河湖海中航行,嚴格地說是一個六自由度運動體,為了簡化分析,常將其分解為水平面運動和垂直面運動,且不考慮兩者的運動耦合關系。絕大多數船舶對垂直面內的升沉運動和縱搖運動沒有控制手段,因此對排水型船舶目前只研究其在水平面內的運動和操縱控制問題。建立船舶水平面操縱數學模型的價值在于當進行艦船總體結構和性能設計時,可通過操縱運動數學仿真試驗,進行船舶操縱性預報;在艦船操縱控制設備(自動舵、減搖鰭等)的設計時,通過仿真試驗確定操縱控制設備的控制規律及參數。

            船舶在風浪天氣航行時,航向將出現不停的偏擺,在高海情時,舵力矩遠不足以克服波浪的干擾力矩,在操舵儀自動方式下會頻繁操舵卻不能控制航向的擺動。為了消除這種“無效舵”,目前正在研究引入諸如維納濾波器、卡爾曼濾波器、漸近觀測濾波器等環節,但至今未能很好地解決這個問題。因此,在各種濾波技術研究及仿真時,建立并采用船舶在風浪中航行的操縱運動數學模型,更具有現實意義。

            六自由度船舶仿真平臺組成部分:視景仿真系統、操縱負載仿真系統、音效環境仿真系統、計算機數據處理系統、駕駛艙仿真系統和運動仿真模擬平臺。

            視景仿真系統:它給駕駛員提供機艙外視覺景象。隨著模擬器的“航行”位置和“航行”狀況的變化,在模擬艙前顯現相應的船外景象,包括港口、海浪、天空、船只航行尾跡等。視景仿真系統一般由視景生成計算機和視景顯示系統組成。虛擬視景通過視景建模、視景特效開發、交互開發完成虛擬場景的交互顯示。視景顯示系統一般通過投影顯示系統實現。

            操縱負載系統:駕駛員在操縱舵輪、車鐘手柄等操縱機構時,操縱負載系統給駕駛員以操縱負載力的感覺。這些負載力隨操縱機構的行程大小、航行速度等參數的變化而改變。操縱負載系統通常采用力伺服系統。

            模擬駕駛艙及音效環境仿真系統:它與真實船舶駕駛艙相似,艙內設有儀表、指示燈、開關按鈕和操縱手柄。駕駛員根據儀表指示和外景顯示操縱模擬器。艙內儀表也可根據需要開發成虛擬儀表。噪聲模擬系統主要用來模擬船舶模擬器航行、發動機和外部環境的音響效果以及乘員與控制臺間的語音通訊

            仿真計算機數據處理系統: 它是駕駛模擬器的主要組成部分。通過編寫程序的方法來描述船舶各系統的數學模型。

            運動仿真模擬平臺:它給駕駛員以運動感覺。運動仿真系統一般通過六自由度運動平臺提供 “航行”過程中模擬器垂直、水平、橫向、俯仰、滾轉和偏航六個角運動的感覺。運動基座由大功率伺服系統驅動,驅動信號由計算機計算形成。

            舶六自由度運動平臺設計研究:

            根據六自由度船舶運動模擬試驗臺的總體設計要求、性能指標要求及接口要求等,采用六自由度Stewart平臺結構與升降平臺相結合的方案,對整個六自由度船舶運動模擬試驗臺進行了總體設計;對機械系統進行了誤差建模和有限元分析,并對主要元器件如升降機、電動缸等進行選型計算;對控制系統進行了運動學、幅頻特性、相頻特性分析,并利用Visual C++編寫運動控制程序、姿態解算程序及管理界面程序等。最后,利用海克斯康的三軸激光測量系統對六自由度船舶運動模擬試驗臺的定位精度和重復定位精度進行了測試,測試結果滿足試驗臺的性能指標要求,達到了預期的成果。

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          關鍵詞: 船舶六自由度運動平臺
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