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六自由度运动平台应用于航海模拟教学的意义

2021-02-19 13:56:10

船舶操纵模拟器系统是以计算机技术为主,结合船舶水动力学等学科,模拟各种海区和海况、各种类型船舶及其控制系统,达到模拟仿真训练的目的。目前,船舶操纵模拟器系统在航海教学和船员培训方面不仅得到了国际航运界的普遍认同,而且也受到了国际海事组织(IMO)的高度重视。为此,随着船舶操纵模拟器的不断发展和成熟,在STCW78/95公约中IMO多次强调了航海模拟器的作用,并就其在航海训练中的应用做出了明确的强制性与建议性规定。


根据统计,海上交通事故中约有80%是由人为因素引起的,因此,如何减少人为因素的影响是我们急需解决的问题,船舶操纵模拟器系统的开发和应用正是为了解决这个问题而提出的。船舶操纵模拟器在航海教学和船员培训方面,船舶操纵模拟器的使用比实船的训练具有训练效率高、消耗费用少、训练过程安全性好等特点,可进行实船无法进行的危险局面的训练,它在提高和训练航海技术人员对各种海上环境的应变能力和各种不同类型事故的处理能力,对保证海上安全,防止人员伤亡,避免对海洋环境及财产造成危害和损失,特别是预防海难事故中由于人为因素导致的事故,起到积极的作用。其主要的系统用途是可用于航海教学、在职船员培训、VTS操作员培训以及航运安全管理人员培训等。


根据STCW78/95公约和我国海事局《海船船员适任考试和评估大纲》对强制性和非强制性模拟器训练的要求,针对目前国内船舶操纵模拟器在航海教学和培训应用方面进行了深入研究,考察了国内航海科研机构和航运院校对该系统的研制和使用的情况,特别是了解了各航运院校关于船舶操纵模拟器在航海教学和船员培训方面的应用情况,同时也发现了一些问题,如模拟训练不够真实化、规范化,缺乏一定的实用性,教学培训质量受到不同程度的影响。因此,不断加强对船舶操纵模拟器在航海教学和船员培训方面的应用研究,能使船舶操纵模拟器训练更合理、更真实、更规范。本文对船舶操纵模拟器在“船舶驾驶专业学生教学培训”中的应用以及船舶操纵模拟器在“海员大型船舶操纵特殊培训”中的应用进行了进一步的研究,提出了自己的一些想法和尝试,并提出了船舶操纵模拟器在“船舶驾驶专业学生航行实习”中应用的设想和建议,从而能更好地发挥船舶操纵模拟器的作用。最后针对船舶操纵模拟器训练项目的考试和评估提出了评估系统设计的设想。


航海模拟器用船舶六自由度运动数学模型的建立方法


船舶运动数学模型是船舶运动仿真与控制问题的核心。航海模拟系统是人-机交互的实时仿真系统。在航海模拟系统中,系统为每一个仿真对象——"本船"建立六自由度船舶运动数学模型,系统运行时,由模型解算程序根据每条船的特性数据、航行环境以及操船指令计算采样时刻本船的运动参数,然后将本船的运动参数提供给系统的其他模块,比如:视景系统、驾驶台仪器仪表显示以及雷达显示模块等。


本发明的技术方案为:通过操作与实船控制设备外形、功能一致的硬件操作设备 (车钟、舵、拖轮、缆绳等)和设置环境信息(风、浪、流),将其产生的信号传输给船舶运动 数学模型,并对微分方程进行求解,实时获得船舶六自由度运动的响应,实现航海模拟器中 人在回路中的交互,在大地坐标系和随船运动坐标系下,采用匪G分离建模的思想建立船 舶六自由度运动方程,将不规则波看成是有限个规则波叠加的线性理论,并将船体近似为 箱型船,计算得到不规则波中裸船体的波浪力(力矩),将其作为船体受到的外力,叠加到船舶六自由度运动方程的右侧,然后采用四阶龙格_库塔数值积分的算法进行微分方程组 的求解,得到船舶在不规则波中六自由度运动的响应。


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