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六自由度船舶運動模擬試驗臺作為并聯(lián)機器人的一種,發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛,它能夠在實驗室將船舶在海洋中的搖擺姿態(tài)模擬出來,可以將艦載武器、設(shè)備、儀器等放在六自由度船舶運動模擬試驗臺上進行陸地試驗,驗證艦載武器、設(shè)備或儀器等的可靠性,減少海上試驗風(fēng)險和次數(shù),從而降低武器、設(shè)備或儀器等的試驗成本和研制周期。
船舶六自由度運動平臺研究概述
船舶在江河湖海中航行，嚴(yán)格地說是一個六自由度運動體，為了簡化分析，常將其分解為水平面運動和垂直面運動，且不考慮兩者的運動耦合關(guān)系。絕大多數(shù)船舶對垂直面內(nèi)的升沉運動和縱搖運動沒有控制手段，因此對排水型船舶目前只研究其在水平面內(nèi)的運動和操縱控制問題。建立船舶水平面操縱數(shù)學(xué)模型的價值在于當(dāng)進行艦船總體結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計時，可通過操縱運動數(shù)學(xué)仿真試驗，進行船舶操縱性預(yù)報;在艦船操縱控制設(shè)備(自動舵、減搖鰭等)的設(shè)計時，通過仿真試驗確定操縱控制設(shè)備的控制規(guī)律及參數(shù)。
船舶在風(fēng)浪天氣航行時，航向?qū)⒊霈F(xiàn)不停的偏擺，在高海情時，舵力矩遠不足以克服波浪的干擾力矩，在操舵儀自動方式下會頻繁操舵卻不能控制航向的擺動。為了消除這種“無效舵”，目前正在研究引入諸如維納濾波器、卡爾曼濾波器、漸近觀測濾波器等環(huán)節(jié)，但至今未能很好地解決這個問題。因此，在各種濾波技術(shù)研究及仿真時，建立并采用船舶在風(fēng)浪中航行的操縱運動數(shù)學(xué)模型，更具有現(xiàn)實意義。
六自由度船舶仿真平臺組成部分：視景仿真系統(tǒng)、操縱負(fù)載仿真系統(tǒng)、音效環(huán)境仿真系統(tǒng)、計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、駕駛艙仿真系統(tǒng)和運動仿真模擬平臺。
視景仿真系統(tǒng)：它給駕駛員提供機艙外視覺景象。隨著模擬器的“航行”位置和“航行”狀況的變化，在模擬艙前顯現(xiàn)相應(yīng)的船外景象，包括港口、海浪、天空、船只航行尾跡等。視景仿真系統(tǒng)一般由視景生成計算機和視景顯示系統(tǒng)組成。虛擬視景通過視景建模、視景特效開發(fā)、交互開發(fā)完成虛擬場景的交互顯示。視景顯示系統(tǒng)一般通過投影顯示系統(tǒng)實現(xiàn)。
操縱負(fù)載系統(tǒng)：駕駛員在操縱舵輪、車鐘手柄等操縱機構(gòu)時，操縱負(fù)載系統(tǒng)給駕駛員以操縱負(fù)載力的感覺。這些負(fù)載力隨操縱機構(gòu)的行程大小、航行速度等參數(shù)的變化而改變。操縱負(fù)載系統(tǒng)通常采用力伺服系統(tǒng)。
模擬駕駛艙及音效環(huán)境仿真系統(tǒng)：它與真實船舶駕駛艙相似，艙內(nèi)設(shè)有儀表、指示燈、開關(guān)按鈕和操縱手柄。駕駛員根據(jù)儀表指示和外景顯示操縱模擬器。艙內(nèi)儀表也可根據(jù)需要開發(fā)成虛擬儀表。噪聲模擬系統(tǒng)主要用來模擬船舶模擬器航行、發(fā)動機和外部環(huán)境的音響效果以及乘員與控制臺間的語音通訊
仿真計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)： 它是駕駛模擬器的主要組成部分。通過編寫程序的方法來描述船舶各系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。
運動仿真模擬平臺：它給駕駛員以運動感覺。運動仿真系統(tǒng)一般通過六自由度運動平臺提供 “航行”過程中模擬器垂直、水平、橫向、俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航六個角運動的感覺。運動基座由大功率伺服系統(tǒng)驅(qū)動，驅(qū)動信號由計算機計算形成。
舶六自由度運動平臺設(shè)計研究：
根據(jù)六自由度船舶運動模擬試驗臺的總體設(shè)計要求、性能指標(biāo)要求及接口要求等,采用六自由度Stewart平臺結(jié)構(gòu)與升降平臺相結(jié)合的方案,對整個六自由度船舶運動模擬試驗臺進行了總體設(shè)計;對機械系統(tǒng)進行了誤差建模和有限元分析,并對主要元器件如升降機、電動缸等進行選型計算;對控制系統(tǒng)進行了運動學(xué)、幅頻特性、相頻特性分析,并利用Visual C++編寫運動控制程序、姿態(tài)解算程序及管理界面程序等。最后,利用海克斯康的三軸激光測量系統(tǒng)對六自由度船舶運動模擬試驗臺的定位精度和重復(fù)定位精度進行了測試,測試結(jié)果滿足試驗臺的性能指標(biāo)要求,達到了預(yù)期的成果。
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