CN116310221A - 一种船舶摇荡与视景波浪运动匹配方法、终端设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种船舶摇荡与视景波浪运动匹配方法、终端设备及介质,该方法中包括:计算船体投影至海面对应的矩形边界框;对矩形边界框进行网格化,其中网格线与矩形边界框的边平行;计算各网格点对应的高度值;计算所有网格点的高度值的平均值得到平均高度值,将平均高度值乘以网格面积得到水的膨胀度;基于水的膨胀度和输入的船舶运动相关参数,计算船体在波浪影响下的横摇、纵摇和垂荡三个自由度上的船舶运动;基于MMG建模原理,计算船体在纵荡、横荡和首摇三个自由度上的船舶运动;将船体在六个自由度上的运动叠加,得到船体的模拟运动。本发明使得航海模拟器中船舶在海上波浪环境中的运动视景更具真实感,达到海上航行实习的效果。
Description
技术领域
本发明涉及航海教学与培训技术领域,尤其涉及一种船舶摇荡与视景波浪运动匹配方法、终端设备及存储介质。
背景技术
航海模拟器能在地面上实时模拟船舶在海上各种海况中的运动规律,使操船者有身临其境感觉,实现在虚拟场景中进行航海业务实际操作练习,达到实船训练效果。现代航海教育已经离不开航海模拟器。海洋环境会对船舶的横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇六个自由度的运动产生干扰,对船舶的正常作业造成影响,严重时甚至会导致船舶倾覆。但在传统模拟器中,船舶的运动模拟和视景波浪运动的匹配方法还有待研究,仅仅只能对波浪模型的简单设置参数,不能够实时动态变化,不足以满足现实模拟仿真的需要,且不能够选择船型来对波浪进行匹配,因此,不能够在仿真模拟器中体现船舶在波浪环境下的运动变化效果。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提出了一种船舶摇荡与视景波浪运动匹配方法、终端设备及存储介质,以增强航海模拟器的使用效果,真实的反映船舶在波浪环境下的航行状况。
具体方案如下:
一种船舶摇荡与视景波浪运动匹配方法,包括以下步骤:
S1:将船体垂直投影至海面所在的坐标平面内,并计算船体投影对应的矩形边界框;
S2:对矩形边界框进行网格化,其中网格线与矩形边界框的边平行;
S3:计算各网格点对应的高度值;
S4:计算所有网格点的高度值的平均值得到平均高度值,将平均高度值乘以网格面积得到水的膨胀度;
S5:基于水的膨胀度和输入的船舶运动相关参数,计算船体在波浪影响下的横摇、纵摇和垂荡三个自由度上的船舶运动;
S6:基于MMG建模原理,计算船体在纵荡、横荡和首摇三个自由度上的船舶运动;
S7:将船体在六个自由度上的运动叠加,得到船体的模拟运动。
进一步的,相邻网格线之间的间隙设置为1米。
进一步的,高度值通过波浪模型计算获得,计算公式为:
其中,h(x,z,t)表示时刻t对应的X轴坐标为x、Z轴坐标为z的坐标点的高度值,X轴和Z轴表示海面对应的坐标系平面中包含的两个坐标轴,ζk表示第k波的振幅,λk表示第k波的波长,ωk表示第k波的速度,θk表示世界坐标系中X轴与第k波的入射方向之间的夹角,x表示X轴的坐标,z表示Z轴的坐标,t表示时刻,k表示波的序号,K表示波的总次数。
进一步的,船舶运动相关参数包括海浪参数和船舶参数。
一种船舶摇荡与视景波浪运动匹配终端设备,包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明实施例上述的方法的步骤。
一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例上述的方法的步骤。
本发明采用如上技术方案,使得航海模拟器中船舶在海上波浪环境中的运动视景更具真实感,达到海上航行实习的效果。本发明改变了航海类学员的训练模式,解决多数航海院校没有实习船用于学生海上航行实习的困难。
附图说明
图1所示为本发明实施例一的流程图。
图2所示为该实施例中坐标系的示意图。
图3所示为该实施例中船体投影网格化示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例,本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分,其主要用以说明实施例,并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容,本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例一:
本发明实施例提供了一种船舶摇荡与视景波浪运动匹配方法,为了使船舶在波浪中运动的视景更具真实感,本实施例中方法基于以下三点假设:
(1)将船舶视为钢体,不考虑弹性形变。
(2)海浪是由有限个不同振幅、周期和传播方向的正弦波组成的深水微幅波。
(3)六个自由度可以单独计算并叠加。
基于上述假设,如图1所示,本实施例方法包括以下步骤:
S1:将船体垂直投影至海面所在的坐标平面内,并计算船体投影对应的矩形边界框。
S2:对矩形边界框进行网格化,其中网格线与矩形边界框的边平行。
S3:计算各网格点对应的高度值。
S4:计算所有网格点的高度值的平均值得到平均高度值,将平均高度值乘以单个网格的面积得到水的膨胀度。
S5:基于水的膨胀度和输入的船舶运动相关参数,计算船体在波浪影响下的横摇、纵摇和垂荡三个自由度上的船舶运动。
S6:基于MMG建模原理,计算船体在纵荡、横荡和首摇三个自由度上的船舶运动。
S7:将船体在六个自由度上的运动叠加,得到船体的模拟运动。
本实施例中定义了两个坐标系,如图2所示。第一个为世界坐标系,该坐标系的原点O固定在海面上的某个位置,海面由X轴和Z轴组成,Y轴垂直于海面;第二个为船舶局部坐标系,该坐标系附着在船上随船移动,原点G位于船的几何中心,XS轴指向船的前进方向,ZS轴指向船的右舷(右手侧),YS轴垂直向上。
船体运动的六个自由度包括横摇、纵摇、垂荡、纵荡、横荡和首摇,其中,横摇、纵摇和垂荡是围绕XS、YS和ZS轴旋转的,是由海浪引起的振动。为了在视景中达到船舶的运动与波面运动的协调一致,本实施例采用了船体网格化的方法。通过步骤S1-S2生成了如图3所以的船体在海面(X–Z平面)上的网格投影。该实施例中设置相邻网格线之间的间隙设置为1米,为了提高仿真速度,减少计算量,同时又不失仿真精度,关于网格的划分应根据配置的计算机性能通过仿真测试结果而定,通常根据船长进行动态划分,而不采用固定长度的网格,这样的划分方法可以适用不同长度的船舶仿真。
在评估网格点(两条网格线的相交点)处的高度值时,本实施例中假设没有显示船舶,通过波浪模型来计算高度值。波浪模型的计算公式如下:
其中,h(x,z,t)表示时刻t对应的X轴坐标为x、Z轴坐标为z的坐标点的高度值,X轴和Z轴表示海面对应的坐标系平面中包含的两个坐标轴,ζk表示第k波的振幅,λk表示第k波的波长,ωk表示第k波的速度,θk表示世界坐标系中X轴与第k波的入射方向之间的夹角,x表示X轴的坐标,z表示Z轴的坐标,t表示时刻,k表示波的序号,K表示波的总次数。
一旦计算了网格中各网格点的高度值,通过将平均高度值乘以网格面积(矩形边界框的面积)来确定水的膨胀度,基于水的膨胀度可以采用现有算法计算船舶运动的力,进而得到船体在横摇、纵摇和垂荡三个自由度上的船舶运动。
在具体计算船体受到的波浪力和力矩时,假设波浪是连续的,不考虑船体对波浪连续性的破坏,在计算得到网格对应的平均高度值后,通过与静水情况下船体局部网格处的水线比较计算得出船体所受局部力及力矩,最后将所有网格的计算结果叠加,获得整个船体所受的波浪力和力矩。将这些波浪力和力矩用牛顿第二定律来计算横摇、纵摇和垂荡这三个自由度上的船舶运动。由于波浪参数通过实时获得后用于后续船舶运动的计算中,因此可以将船舶运动与波浪完全地吻合起来。
船舶其余的三个自由度运动(纵荡、横荡和首摇)的计算则采用现有技术中较为成熟的MMG建模原理进行。
由于在通常情况下,船舶的六***可以认为是波浪影响下的三自由度运动与船体、舵、螺旋桨等作用下的三自由度运动的运动叠加,从模拟器角度而言,采用这种处理方式是可行的。
在实际应用中,三维视景软件可以将船舶六个自由度下的运动叠加得到船舶的模拟运动。
船舶六自由度平面运动数学模型如下:
其中,m、mx、my分别表示质量、在x轴上的附加质量、在y轴上的附加质量;符号上的“.”表示加速度;u表示前进速度;q表示纵摇角速度;w表示垂荡速度;v表示横荡速度;r表示首摇角速度;p表示横摇角速度;Ix、Iy、Iz分别表示船体绕x轴、Y轴、Z轴的转动惯量;Jx、Jy、Jz分别表示船体绕x轴、Y轴、Z轴的附加惯性矩;下脚标H、P、R、W分别表示船体、螺旋桨、舵以及波浪;FH、TH表示流体粘性力及力矩;FP、TP表示螺旋桨推力及力矩;FR、TR表示舵力及力矩;FW、TW表示波浪力及力矩;XH、YH、ZH表示力FH在X、Y、Z轴上的分量;XP、YP、ZP表示力FP在X、Y、Z轴上的分量;XR、YR、ZR表示力FR在X、Y、Z轴上的分量;ZW表示力FR在X、Y、Z轴上的分量;KH、MH、NH表示力矩TH在X、Y、Z轴上的分量;KP、MP、NP表示力矩TP在X、Y、Z轴上的分量;KR、MR、NR表示力矩TR在X、Y、Z轴上的分量;KW、MW、ZW表示力矩TW在X、Y、Z轴上的分量。
上述方程中前三个方程用以描述船舶的三自由度平面运动,但没有考虑波浪引起的船舶阻力增加和平面漂移和转首运动;后三个方程用以描述船舶在波浪作用下引起船舶横摇、纵摇和垂荡运动。
船舶横摇、纵摇和垂荡对应的波浪力及力矩的计算方法如下:
其中,i和j分别表示船体的网格化后对应的两个方向上的第i个小方块和第j个小方块(i,j即为每一个小方块的索引);dj表示船体对应的第j个小方块的吃水;ρ表示海水密度;Δs表示小方块的面积;xj表示x轴坐标;yj表示y轴坐标。
船舶运动相关参数为船舶运动计算时需要使用的参数,包括海浪参数和船舶参数,其中,海浪参数包括波浪频率、振幅、波浪方向、洋流和风,船舶参数包括船舶阻力与推力和船型参数。
本发明实施例能够在不损失效率的情况下应对不同船型和海况,可以帮助用户了解船舶遇到波浪、水流和风时的运动。用户可以通过软件界面调整海浪参数和船舶参数,自动生成不同环境、不同船型下的船舶运动模拟,产生了大量的船舶与环境的结合,学习变得更加有趣。本实施例为了在视景中达到船舶的运动与波面运动的协调一致,采用了船体网格化的方法。本实施例基于牛顿定律和其他基本物理运动模型来实时计算船舶的运动幅度,使得模拟结果具有较高的保真度。
实施例二:
本发明还提供一种船舶摇荡与视景波浪运动匹配终端设备,包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明实施例一的上述方法实施例中的步骤。
进一步地,作为一个可执行方案,所述船舶摇荡与视景波浪运动匹配终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述船舶摇荡与视景波浪运动匹配终端设备可包括,但不仅限于,处理器、存储器。本领域技术人员可以理解,上述船舶摇荡与视景波浪运动匹配终端设备的组成结构仅仅是船舶摇荡与视景波浪运动匹配终端设备的示例,并不构成对船舶摇荡与视景波浪运动匹配终端设备的限定,可以包括比上述更多或更少的部件,或者组合某些部件,或者不同的部件,例如所述船舶摇荡与视景波浪运动匹配终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等,本发明实施例对此不做限定。
进一步地,作为一个可执行方案,所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit,CPU),还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor,DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等,所述处理器是所述船舶摇荡与视景波浪运动匹配终端设备的控制中心,利用各种接口和线路连接整个船舶摇荡与视景波浪运动匹配终端设备的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块,所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块,以及调用存储在存储器内的数据,实现所述船舶摇荡与视景波浪运动匹配终端设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区,其中,存储程序区可存储操作***、至少一个功能所需的应用程序;存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据等。此外,存储器可以包括高速随机存取存储器,还可以包括非易失性存储器,例如硬盘、内存、插接式硬盘,智能存储卡(Smart Media Card,SMC),安全数字(Secure Digital,SD)卡,闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
本发明还提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例上述方法的步骤。
所述船舶摇荡与视景波浪运动匹配终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程,也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中,该计算机程序在被处理器执行时,可实现上述各个方法实施例的步骤。其中,所述计算机程序包括计算机程序代码,所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括:能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)以及软件分发介质等。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明,但所属领域的技术人员应该明白,在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内,在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化,均为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种船舶摇荡与视景波浪运动匹配方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:将船体垂直投影至海面所在的坐标平面内,并计算船体投影对应的矩形边界框;
S2:对矩形边界框进行网格化,其中网格线与矩形边界框的边平行;
S3:计算各网格点对应的高度值;
S4:计算所有网格点的高度值的平均值得到平均高度值,将平均高度值乘以网格面积得到水的膨胀度;
S5:基于水的膨胀度和输入的船舶运动相关参数,计算船体在波浪影响下的横摇、纵摇和垂荡三个自由度上的船舶运动;
S6:基于MMG建模原理,计算船体在纵荡、横荡和首摇三个自由度上的船舶运动;
S7:将船体在六个自由度上的运动叠加,得到船体的模拟运动。
2.根据权利要求1所述的船舶摇荡与视景波浪运动匹配方法,其特征在于:相邻网格线之间的间隙设置为1米。
4.根据权利要求1所述的船舶摇荡与视景波浪运动匹配方法,其特征在于:船舶运动相关参数包括海浪参数和船舶参数。
5.一种船舶摇荡与视景波浪运动匹配终端设备,其特征在于:包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1~4中任一所述方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,其特征在于:所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1~4中任一所述方法的步骤。
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CN117574099A (zh) * | 2024-01-16 | 2024-02-20 | 广东海洋大学 | 一种时空校正的甲板上浪时间预测方法及*** |
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2023
- 2023-03-22 CN CN202310283170.4A patent/CN116310221A/zh active Pending
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CN117574099B (zh) * | 2024-01-16 | 2024-04-05 | 广东海洋大学 | 一种时空校正的甲板上浪时间预测方法及*** |
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