船舶航向/航迹控制视景仿真技术研究

论文摘要

本论文是结合国家计划内项目“船舶航向／航迹智能控制技术研究”进行的,主要研究船舶航向／航迹鲁棒控制及其视景仿真实现技术,在分析和研究国内外船舶航向／航迹控制和视景仿真技术的基础上,设计了船舶航向/航迹鲁棒控制器,并借助可视化技术的相关理论,综合运用计算机技术、图像技术、三维建模技术等方法,利用MultiGen Creator/Vega软件,开发了船舶航向/航迹控制视景仿真软件。该软件可以逼真地再现船船航向/航迹运动控制效果,并能够显示控制系统中舵、螺旋桨的局部运动,另外可以实时显示船舶航向/航迹及控制量的各种曲线和数据,为研究船舶航向/航迹运动控制提供了逼真的视景仿真效果。首先,基于MMG分离式建模思想,建立了三自由度船舶运动数学模型；采用实验数据拟合的方式建立了螺旋桨和舵对船舶的作用力和力矩模型,并建立了海风、海浪、海流的干扰力及力矩模型。在此基础上设计了船舶航向/航迹鲁棒控制器并进行了仿真。其次,进行了视景仿真系统的软件设计。研究了视景仿真系统的组成及所需开发软件,对视景仿真系统的关键性技术进行了分析。根据系统要求,对软件的总体方案和功能进行了设计,并进行了模块划分,确定了各个模块的功能及交互关系。在Visual C++6.0环境下,搭建了基于MFC的Vega视景仿真软件框架,设计了软件流程。然后,进行了视景仿真系统实现过程技术工作。开发了船舶航向/航迹控制视景仿真系统。给出了采用MultiGen Creator软件建立船舶三维视景仿真实体模型的具体实现方法,实现了用于局部细节观察的多通道显示以及视点切换功能,对自然景物如海洋、云、雾进行了仿真,模拟了船舶的冒烟效果及船舶尾迹和艏浪效果。最后,进行了船舶航向／航迹控制视景仿真系统的调试运行,并给出了船舶航向／航迹控制视景仿真试验结果。结果表明,该软件通过形象、逼真的模拟各种海况,实现了具有真实感的、随时间变化的船舶航向／航迹运动控制实时动态仿真,取得了理想的视景仿真演示效果,具有实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 船舶航向/航迹控制
• 1.3 视景仿真技术
• 1.3.1 虚拟现实技术
• 1.3.2 视景仿真技术
• 1.4 课题的研究现状
• 1.4.1 船舶航向/航迹控制研究现状
• 1.4.2 视景仿真技术研究现状
• 1.5 论文主要研究内容
• 第2章 船舶航向/航迹鲁棒控制器设计
• 2.1 船舶航向/航迹控制系统建模
• 2.1.1 船舶水平面运动模型建模
• 2.1.2 船舶运动模型参数的计算
• 2.1.3 船舶水平面运动模型的线性化
• 2.2 随机干扰模型
• 2.2.1 海风干扰模型
• 2.2.2 海浪干扰模型
• 2.2.3 海流干扰模型
• 2.3 鲁棒控制器设计
• 2/H_∞的鲁棒控制研究'>2.3.1 基于状态反馈H₂/H_∞的鲁棒控制研究
• 2/H_∞鲁棒控制器设计'>2.3.2 船舶H₂/H_∞鲁棒控制器设计
• 2/H_∞的鲁棒控制仿真'>2.4 基于H₂/H_∞的鲁棒控制仿真
• 2.4.1 船舶航向/航迹常规PID控制仿真
• 2/H_∞鲁棒控制仿真'>2.4.2 船舶航向/航迹H₂/H_∞鲁棒控制仿真
• 2.5 本章小结
• 第3章 船舶航向/航迹控制视景仿真系统设计
• 3.1 视景仿真系统组成
• 3.2 软件系统简介
• 3.2.1 Creator建模工具
• 3.2.2 Vega三维视景仿真软件
• 3.2.3 Visual C++开发环境
• 3.3 视景仿真系统关键性技术分析
• 3.4 视景仿真系统总体设计
• 3.4.1 系统要求
• 3.4.2 系统总体方案
• 3.4.3 软件界面设计
• 3.4.4 软件模块设计
• 3.4.5 软件结构设计
• 3.4.6 程序流程设计
• 3.5 本章小节
• 第4章 船舶航向/航迹控制视景仿真系统实现
• 4.1 船舶三维仿真实体建模
• 4.1.1 模型的建立
• 4.1.2 模型的优化
• 4.1.3 模型的打包
• 4.2 虚拟环境仿真
• 4.2.1 自然景物仿真
• 4.2.2 海洋效果的模拟
• 4.2.3 特殊效果的模拟
• 4.3 软件程序设计
• 4.3.1 基于MFC框架创建Vega应用程序
• 4.3.2 算法功能实现
• 4.3.3 船舶航向/航迹控制视景仿真的实现
• 4.3.4 曲线和数据显示功能的实现
• 4.3.5 多通道功能的实现
• 4.3.6 视点切换功能的实现
• 4.4 软件功能简介
• 4.5 本章小结
• 第5章 船舶航向/航迹控制视景仿真系统试验结果
• 5.1 视景仿真系统各模块试验验证
• 5.1.1 航向/航迹控制仿真试验
• 5.1.2 曲线显示试验
• 5.1.3 数据显示试验
• 5.1.4 多通道观察试验
• 5.1.5 视点切换试验
• 5.2 试验结果分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢