双全回转推进拖轮操纵运动建模方法、系统、设备及介质

技术领域

本发明涉及船舶操纵运动建模技术领域，具体涉及一种双全回转推进拖轮操纵运动建模方法、系统、设备及介质。

背景技术

近年来，世界主要造船国家大力推进智能船舶的研制与应用。全回转拖轮因其船身小、动力强、操作灵活、作业区域固定、通讯环境稳定等优点，成为智能船舶技术开发应用的热点研究对象。

拖轮自主运动控制技术是实现智能拖轮的关键，而对于拖轮自主运动控制而言，其控制效果往往依赖于船舶运动学模型的准确性。然而，当前建模研究中，往往忽略吊舱对船舶转向性能的影响，导致建立的双全回转拖轮操纵运动模型的仿真结果与实际情况相比误差较大。

综上，现有技术在建立双全回转拖轮操纵运动模型未考虑吊舱对船舶转向性能的影响，导致仿真结果误差较大。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种双全回转推进拖轮操纵运动建模方法、系统、设备及介质，解决现有技术中在建立双全回转拖轮操纵运动模型未考虑吊舱对船舶转向性能的影响，导致仿真结果误差较大的问题。

为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种双全回转推进拖轮操纵运动建模方法，包括：

建立固定于空间的大地坐标系和以拖轮中心为坐标原点的随船坐标系；

基于所述大地坐标系和随船坐标系建立初始MMG拖轮操纵运动模型，基于所述初始MMG拖轮操纵运动模型确定初始MMG拖轮操纵运动模型的初始水动力系数；

建立物理拖轮模型，同时基于所述初始水动力系数和物理拖轮模型建立初始拖轮操纵运动仿真模型，基于所述物理拖轮模型和初始拖轮操纵运动仿真模型进行对比试验，根据所述对比试验的结果确定建模误差因素；

基于所述建模误差因素确定修正误差的目标水动力系数；

基于所述目标水动力系数和初始MMG拖轮操纵运动模型建立目标拖轮操纵运动模型。

在一些可能实现的方式中，所述建立固定于空间的大地坐标系和以拖轮中心为坐标原点的随船坐标系，包括：

建立固定于空间的大地坐标系O

其中，所述大地坐标系中O

所述随船坐标系中Ox轴在拖轮的中纵剖面内，由船艉指向船艏，Oy轴在拖轮的中横剖面内，由船舯指向右舷，Oz轴竖直向下。

在一些可能实现的方式中，所述基于所述大地坐标系和随船坐标系建立初始MMG拖轮操纵运动模型，基于所述初始MMG拖轮操纵运动模型确定初始MMG拖轮操纵运动模型的初始水动力系数，包括：

基于所述大地坐标系和随船坐标系建立三自由度拖轮操纵运动模型：

基于所述三自由度拖轮操纵运动模型建立初始MMG拖轮操纵运动模型：

基于所述初始MMG拖轮操纵运动模型确定船体上的初始水动力系数和螺旋桨上的初始水动力系数；

其中，X,Y,N分别为在x,y,z方向上作用于拖轮的水动力的分量，u,v,r分别为x,y,z的线速度，即纵向速度、横向速度以及艏摇角速度；

在一些可能实现的方式中，所述基于所述物理拖轮模型和初始拖轮操纵运动仿真模型进行对比试验，根据所述对比试验的结果确定建模误差因素，包括：

基于所述物理拖轮模型进行模拟试验，记录模拟旋回运动轨迹及模拟参数，根据所述模拟试验结果计算得到模拟试验中船体上的水动力和力矩；

采用所述模拟试验中船体上的水动力和力矩，基于所述初始拖轮操纵运动仿真模型进行仿真试验，根据所述仿真试验结果计算得到拖轮的仿真旋回运动轨迹及仿真参数；

基于所述仿真旋回运动轨迹及仿真参数与模拟旋回运动轨迹及模拟参数的对比，确定仿真试验中拖轮横向速度、艏向角、以及旋回轨迹与模拟试验值的误差，根据所述误差确定所述建模误差因素。

在一些可能实现的方式中，所述建模误差因素为吊舱对拖轮转向性能的作用。

在一些可能实现的方式中，所述基于所述建模误差因素确定修正误差的目标水动力系数，包括：

基于所述吊舱对拖轮转向性能的作用确定吊舱产生的水动力和力矩：

/>

其中，X

在一些可能实现的方式中，所述基于所述目标水动力系数和初始MMG拖轮操纵运动模型建立目标拖轮操纵运动模型，包括：

通过所述吊舱产生的水动力和力矩对所述初始MMG拖轮操纵运动模型进行修正，得到目标拖轮操纵运动模型：

另一方面，本发明还提供了一种双全回转推进拖轮操纵运动建模系统，其特征在于，包括：

坐标建立模块，用于建立固定于空间的大地坐标系和以拖轮中心为坐标原点的随船坐标系；

初始参数模块，用于基于所述大地坐标系和随船坐标系建立初始MMG拖轮操纵运动模型，基于所述初始MMG拖轮操纵运动模型确定初始MMG拖轮操纵运动模型的初始水动力系数；

模型仿真模块，用于建立物理拖轮模型，同时基于所述初始水动力系数和物理拖轮模型建立初始拖轮操纵运动仿真模型，基于所述物理拖轮模型和初始拖轮操纵运动仿真模型进行对比试验，根据所述对比试验的结果确定建模误差因素；

误差计算模块，用于基于所述建模误差因素确定修正误差的目标水动力系数；

目标修正模块，基于所述目标水动力系数和初始MMG拖轮操纵运动模型建立目标拖轮操纵运动模型。

另一方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时，实现上述实现方式中所述的双全回转推进拖轮操纵运动建模方法。

最后，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，实现上述实现方式中所述的双全回转推进拖轮操纵运动建模方法。

采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的一种双全回转推进拖轮操纵运动建模方法，通过在传统拖轮操纵建模方法的基础上引入吊舱对拖轮转向性能的作用，使得建立的拖轮操纵运动模型对双全回转推进拖轮操纵性的预报精度更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的双全回转推进拖轮操纵运动建模方法一实施例的流程示意图；

图2为本发明提供的大地坐标系及随船坐标系一实施例的示意图；

图3为本发明提供的物理拖轮模型和初始拖轮操纵运动仿真模型一实施例的示意图；

图4为本发明提供的旋回运动仿真及试验对比一实施例的示意图；

图5为本发明实施例提供的左转15°轨迹对比一实施例的示意图；

图6为本发明实施例提供的左转25°轨迹对比一实施例的示意图；

图7为本发明实施例提供的左转35°轨迹对比一实施例的示意图；

图8为本发明提供的双全回转推进拖轮操纵运动建模系统一实施例的结构示意图；

图9为本发明提供的电子设备一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本发明中使用的流程图示出了根据本发明的一些实施例实现的操作。应当理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本发明内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。

附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器系统和/或微控制器系统中实现这些功能实体。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本发明实施例提供了一种双全回转推进拖轮操纵运动建模方法、系统、设备及介质。

如图1所示，图1为本发明提供的双全回转推进拖轮操纵运动建模方法一实施例的流程示意图，该双全回转推进拖轮操纵运动建模方法包括：

S101、建立固定于空间的大地坐标系和以拖轮中心为坐标原点的随船坐标系；

S102、基于所述大地坐标系和随船坐标系建立初始MMG拖轮操纵运动模型，基于所述初始MMG拖轮操纵运动模型确定初始MMG拖轮操纵运动模型的初始水动力系数；

S103、建立物理拖轮模型，同时基于所述初始水动力系数和物理拖轮模型建立初始拖轮操纵运动仿真模型，基于所述物理拖轮模型和初始拖轮操纵运动仿真模型进行对比试验，根据所述对比试验的结果确定建模误差因素；

S104、基于所述建模误差因素确定修正误差的目标水动力系数；

S105、基于所述目标水动力系数和初始MMG拖轮操纵运动模型建立目标拖轮操纵运动模型。

与现有技术相比，本发明提供的一种双全回转推进拖轮操纵运动建模方法，通过在传统拖轮操纵建模方法的基础上引入吊舱对拖轮转向性能的作用，使得建立的拖轮操纵运动模型对双全回转推进拖轮操纵性的预报精度更高。

可选的，在本发明具体的实施例中，在步骤S101中，船舶运动通常采用两个右手笛卡尔坐标系进行描述：固定于空间的大地坐标系O

进一步的，在本发明具体的实施例中，在步骤S102中，基于所述大地坐标系和随船坐标系建立三自由度拖轮操纵运动模型，表示为：

基于所述三自由度拖轮操纵运动模型建立初始MMG拖轮操纵运动模型，表示为：

基于所述初始MMG拖轮操纵运动模型确定船体上的初始水动力系数和螺旋桨上的初始水动力系数；

其中，X,Y,N分别为在x,y,z方向上作用于拖轮的水动力的分量，u,v,r分别为x,y,z的线速度，即纵向速度、横向速度以及艏摇角速度；

根据势流理论，惯性项可表述为：

其中，m

对于作用在船体上的粘性水动力，可表述为：

其中，R

对于全回转螺旋桨而言，左右桨受到的推力表示为：

其中，ρ为水的密度；n为螺旋桨转速；D

其中，J

操纵工况下的实效伴流分数ω

其中，β

将作用在螺旋桨上的水动力、力矩沿随船坐标系进行分解，可得：

其中，t

进一步的，在本发明的一些实施例中，步骤S103包括：

基于所述物理拖轮模型进行模拟试验，记录模拟旋回运动轨迹及模拟参数，根据所述模拟试验结果计算得到模拟试验中船体上的水动力和力矩；

采用所述模拟试验中船体上的水动力和力矩，基于所述初始拖轮操纵运动仿真模型进行仿真试验，根据所述仿真试验结果计算得到拖轮的仿真旋回运动轨迹及仿真参数；

基于所述仿真旋回运动轨迹及仿真参数与模拟旋回运动轨迹及模拟参数的对比，确定仿真试验中拖轮横向速度、艏向角、以及旋回轨迹与模拟试验值的误差，根据所述误差确定所述建模误差因素。

可选的，在本发明具体的实施例中，在步骤S103中，建立物理拖轮模型，同时基于所述初始水动力系数和物理拖轮模型建立初始拖轮操纵运动仿真模型，如图3所示，图3为本发明提供的物理拖轮模型和初始拖轮操纵运动仿真模型一实施例的示意图，其中，拖轮模型的参数如表1所示：

表1拖轮模型参数

基于计算流体力学方法，通过漂角β为±30°，±25°，±20°，±15°，±12°，±8°，±4°，0°的虚拟斜拖试验；漂角为0，无量纲回转角速度r′为0.6，0.8，1.0的虚拟圆周运动试验；以及漂角β为±30°，±25°，±20°，±15°，±12°，±8°，±4°，r′为0.6，0.8，1.0的圆周运动试验得到船体上的水动力及力矩，并将计算结果按照式(4)格式进行最小二乘拟合回归，得到船体上的水动力导数，进而求得船体上的水动力和力矩。

采用旋转坐标系法(Moving Reference Frame,MRF),对进速系数为0-0.95工况下螺旋桨的敞水性能进行研究，建立螺旋桨敞水曲线。基于自由自航试验，通过等推力法获取直航状态下的推力减额系数及实效伴流分数；基于经验公式获得操纵工况下的实效伴流分数。将上述变量带入式(8)，得到螺旋桨上的水动力和力矩，进而带入式(2)，可得到完整的操纵运动方程。在计算机上利用高阶龙格-库塔方法对操纵运动方程进行求解，得到旋回运动轨迹及对应参数，并将仿真结果与试验结果进行对比，以左舷25°的对比结果为例，如图4所示，图4为本发明提供的旋回运动仿真及试验对比一实施例的示意图，图中Exp代表的仿真旋回运动轨迹，Sim代表的模拟旋回运动轨迹，由图4可知，仿真得到的横向速度、艏向角、以及旋回轨迹与试验值存在较大误差。

根据误差确定所述建模误差因素为吊舱对船舶转向性能的作用，由于忽略了吊舱对船舶转向性能的作用，才会导致仿真结果与试验结果之间存在较大误差。

进一步的，在本发明具体的实施例中，在步骤S104中，对于吊舱而言，其水动力作用相当于船舵，基于所述吊舱对拖轮转向性能的作用确定吊舱产生的水动力和力矩，表示为：

其中，X

其中，A

′

流角，可认为β

进一步的，在本发明具体的实施例中，在步骤S104中，通过所述吊舱产生的水动力和力矩对所述初始MMG拖轮操纵运动模型进行修正，得到目标拖轮操纵运动模型，表示为：

通过对式(2)转向力、力矩进行修正，双回转推进拖轮MMG船舶操纵运动方程。

带入各变量后，式(11)变为：

为验证本发明实施例所提出的双全回转推进拖轮操纵运动建模方法的有效性，以左转15°、25°、35°为例，将模拟试验、仿真试验以及修正后的仿真试验的轨迹、参数进行对比，根据各项参数、结果来证明本发明实施例所提出的双全回转推进拖轮操纵运动建模方法与原始的操纵建模方法相比，修正后的船舶操纵运动方程对双全回转推进拖轮操纵性的预报精度更高。

如图5所示，图5为本发明实施例提供的左转15°轨迹对比一实施例的示意图；

如图6所示，图6为本发明实施例提供的左转25°轨迹对比一实施例的示意图；

如图7所示，图7为本发明实施例提供的左转35°轨迹对比一实施例的示意图；

在图5、图6和图7中Exp代表模拟旋回运动轨迹，Origin代表仿真旋回运动轨迹，Modificd代表修正后的仿真旋回运动轨迹。

如表2，表3，表4所示，表2为±15°仿真与试验结果对比，表3为±25°仿真与试验结果对比，表4为±35°仿真与试验结果对比。

表2±15°仿真与试验结果对比

表3±25°仿真与试验结果对比

表4±35°仿真与试验结果对比

其中，A′

通过与实验结果对比，发现各项参数、结果表明与原始的操纵建模方法相比，修正后的船舶操纵运动方程对双全回转推进拖轮操纵性的预报精度更高。

为了更好实施本发明实施例中的双全回转推进拖轮操纵运动建模方法，在双全回转推进拖轮操纵运动建模方法的基础之上，对应的，本发明实施例还提供了一种双全回转推进拖轮操纵运动建模系统，如图8所示，双全回转推进拖轮操纵运动建模系统800包括：

坐标建立模块801，用于建立固定于空间的大地坐标系和以拖轮中心为坐标原点的随船坐标系；

初始参数模块802，用于基于所述大地坐标系和随船坐标系建立初始MMG拖轮操纵运动模型，基于所述初始MMG拖轮操纵运动模型确定初始MMG拖轮操纵运动模型的初始水动力系数；

模型仿真模块803，用于建立物理拖轮模型，同时基于所述初始水动力系数和物理拖轮模型建立初始拖轮操纵运动仿真模型，基于所述物理拖轮模型和初始拖轮操纵运动仿真模型进行对比试验，根据所述对比试验的结果确定建模误差因素；

误差计算模块804，用于基于所述建模误差因素确定修正误差的目标水动力系数；

目标修正模块805，基于所述目标水动力系数和初始MMG拖轮操纵运动模型建立目标拖轮操纵运动模型。

上述实施例提供的双全回转推进拖轮操纵运动建模系统800可实现上述双全回转推进拖轮操纵运动建模方法实施例中描述的技术方案，上述各模块或单元具体实现的原理可参见上述双全回转推进拖轮操纵运动建模方法实施例中的相应内容，此处不再赘述。

如图9所示，本发明还相应提供了一种电子设备900。该电子设备900包括处理器901、存储器902及显示器903。图9仅示出了电子设备900的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。

处理器901在一些实施例中可以是一中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器902中存储的程序代码或处理数据，例如本发明中的双全回转推进拖轮操纵运动建模程序。

在一些实施例中，处理器901可以是单个服务器或服务器组。服务器组可为集中式或分布式的。在一些实施例中，处理器901可为本地的或远程的。在一些实施例中，处理器901可实施于云平台。在一实施例中，云平台可包括私有云、公共云、混合云、社区云、分布式云、内部间、多重云等，或以上的任意组合。

存储器902在一些实施例中可以是电子设备900的内部存储单元，例如电子设备900的硬盘或内存。存储器902在另一些实施例中也可以是电子设备900的外部存储设备，例如电子设备900上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。

进一步地，存储器902还可既包括电子设备900的内部储存单元也包括外部存储设备。存储器902用于存储安装电子设备900的应用软件及各类数据。

显示器903在一些实施例中可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)触摸器等。显示器903用于显示在电子设备900的信息以及用于显示可视化的用户界面。电子设备900的部件901-903通过系统总线相互通信。

在一实施例中，当处理器901执行存储器902中的双全回转推进拖轮操纵运动建模程序时，可实现以下步骤：

建立固定于空间的大地坐标系和以拖轮中心为坐标原点的随船坐标系；

基于所述大地坐标系和随船坐标系建立初始MMG拖轮操纵运动模型，基于所述初始MMG拖轮操纵运动模型确定初始MMG拖轮操纵运动模型的初始水动力系数；

建立物理拖轮模型，同时基于所述初始水动力系数和物理拖轮模型建立初始拖轮操纵运动仿真模型，基于所述物理拖轮模型和初始拖轮操纵运动仿真模型进行对比试验，根据所述对比试验的结果确定建模误差因素；

基于所述建模误差因素确定修正误差的目标水动力系数；

基于所述目标水动力系数和初始MMG拖轮操纵运动模型建立目标拖轮操纵运动模型。

应当理解的是：处理器901在执行存储器902中的双全回转推进拖轮操纵运动建模程序时，除了上面的功能之外，还可实现其它功能，具体可参见前面相应方法实施例的描述。

进一步地，本发明实施例对提及的电子设备900的类型不做具体限定，电子设备900可以为手机、平板电脑、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)、可穿戴设备、膝上型计算机(laptop)等便携式电子设备。便携式电子设备的示例性实施例包括但不限于搭载IOS、android、microsoft或者其他操作系统的便携式电子设备。上述便携式电子设备也可以是其他便携式电子设备，诸如具有触敏表面(例如触控面板)的膝上型计算机(laptop)等。还应当理解的是，在本发明其他一些实施例中，电子设备900也可以不是便携式电子设备，而是具有触敏表面(例如触控面板)的台式计算机。

相应地，本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储计算机可读取的程序或指令，程序或指令被处理器执行时，能够实现上述各方法实施例提供的双全回转推进拖轮操纵运动建模方法中的步骤或功能。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件(如处理器，控制器等)来完成，计算机程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上对本发明所提供一种双全回转推进拖轮操纵运动建模方法、系统、设备及存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。