[发明专利]船舶运动控制仿真平台及船舶运动控制方法

权利要求书

1.一种船舶运动控制仿真平台，其特征在于，包括控制模块、驱动模块、姿态测量模块、位置确定模块及电源模块，

驱动模块用于控制运动控制仿真平台的前行和转向；

姿态测量模块和位置确定模块分别用于测量运动控制仿真平台的姿态和位置数据；

控制模块从姿态测量模块和位置确定模块中获取运动控制仿真平台的姿态和位置信息后进行航迹跟踪计算，然后根据计算结果通过驱动模块实现运动控制；

电源模块为运动控制仿真平台的各模块供电；

其中，姿态测量模块和位置确定模块均通过异步串行通信接口和控制模块连接通信；

控制模块包括航向控制单元和航迹控制单元，航迹控制单元接收位置确定模块发送的实时位置数据，并与期望轨迹相比较，而后输出期望航向；航向控制单元接收航迹控制单元输出的期望航向和姿态测量模块发送的实时姿态数据，计算并输出期望姿态的控制信号，然后控制驱动模块改变运动控制仿真平台的姿态；航迹跟踪计算包括航向和航迹的跟踪计算；航迹控制使用视距导航法；

控制模块还内置甲板运动模型，用于根据指定的海况模拟舰船甲板运动，所述海况是指导致舰船甲板运动的海浪运动；具体包括：首先进行海浪建模，得到各类有效波倾角，然后构建甲板运动模型，即将得到的有效波倾角分别输入对应的运动传递函数，计算得到甲板姿态运动函数，最后再根据姿态测量模块反馈的姿态数据，结合甲板姿态运动函数进行计算，输出控制信号给驱动模块，以控制运动控制仿真平台的姿态；

所述舰船甲板运动包括横滚运动、俯仰运动和沉浮运动；所述有效波倾角包括横滚有效波倾角、俯仰有效波倾角和沉浮有效波倾角；

所述运动传递函数包括横滚运动传递函数、俯仰运动传递函数和沉浮运动传递函数；

其中，横滚有效波倾角α_φe、俯仰有效波倾角α_θe、沉浮有效波倾角ξ_ze的计算公式如下：

式中：β表示遭遇角；ω_ei表示舰船遭遇频率，V是航速；X_φ表示横滚有效波倾角修正系数；X_θ表示俯仰有效波倾角修正系数；X_z表示沉浮有效波倾角修正系数；g表示重力加速度；ω_i表示第i个谐波的角频率；S_ξ(ω_i)表示谐波能量值；ε_i表示第i个谐波的初相角；

所述横滚运动传递函数计算如下：

式中：ω_φ表示舰船的横滚固有角频率，J_φ表示横滚转动惯量；△J_φ表示横滚附加转动惯量；D表示舰船排水质量；h表示横稳定中心高；ζ_φ表示横滚阻尼因子；

所述俯仰运动传递函数计算如下：

式中：ω_θ表示舰船的俯仰固有角频率；J_θ表示俯仰转动惯量；△J_θ表示俯仰附加转动惯量；ζ_θ表示俯仰阻尼因子；

所述沉浮运动传递函数计算如下：

式中：ω_z表示舰船沉浮固有频率，λ_z表示沉浮附加质量；ρ表示海水密度；S_w表示舰船水线面面积；ζ_z表示沉浮阻尼因子。

2.根据权利要求1所述的船舶运动控制仿真平台，其特征在于：航向控制使用抗饱和PID控制法。