双吊舱船舶运动建模与仿真

doi:10.16182/j.issn1004731x.joss.24-1164

摘要/Abstract

摘要：

面向大连海事大学智能研究与实训两用船“新红专”轮的自主航行控制需求，开展该双吊舱船舶运动模型的设计工作。采用MMG模型结构，分别计算船体流体粘性力、单/双桨推力、作用于双吊舱的流体动力。以实船试航记录与螺旋桨敞水试验数据为依据，通过数据拟合辅助求取直航阻力，提出基于仿真旋回试验与PSO算法求取部分水动力系数的方法，对现有经验公式结果进行修正。所建模型的操纵性能指标与实船数据相近，MAPE为7.05%。基于该机理建模与数据驱动结合的方法建立的“新红专”轮三自由度MMG模型，结构完整且准确性高。

关键词: 智能船舶, MMG模型, 船舶运动数学模型, 粒子群优化, 吊舱式全回转推进装置

Abstract:

Aiming at the autonomous navigation control requirements of the Dalian Maritime University's dual-purpose intelligent research and training ship "Xin Hong Zhuan," the design of the motion model for this dual-podded-propulsion ship is carried out. Utilizing an MMG model structure, it calculates the hull's hydrodynamic viscous forces, single/dual-propeller thrust, and hydrodynamic forces acting on the podded propulsion units. Based on data from sea trials and open-water propeller tests, straight-navigation resistance is derived via data fitting, while a method using simulated turning circle tests and PSO algorithms is proposed to determine some hydrodynamic coefficients, refining existing empirical formulas. The model's maneuvering performance metrics are similar to actual ship data, with a MAPE of 7.05%. The 3-DOF MMG model of the "Xin Hong Zhuan" ship, established based on this hybrid mechanism-data-driven approach, has a complete structure and high accuracy.

Key words: i-ship, MMG model, ship motion mathematical model, PSO, podded propulsion units

中图分类号:

TP391.9

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图/表 20

图 1

图2

图 3

图4

表1

船舶主要参数

参数	量值	参数	量值
L/m	69.833	$∇$ /m³	1 457.6
B/m	10.900	S/m²	966.7
d/m	3.500	$D P$ /m	1.8
$C b$	0.571 8	$x B$ /m	$- 3.75 % L$

表1

表2

经验公式计算结果

系数	量值	系数	量值	系数	量值
$m$	1.456 3×10⁶	$X r r'$	0.005 99	$w P 0$	0.128 64
$I z z$	4.438 6×10⁸	$Y v'$	-0.282 41	$C f$	0.001 71
$m x$	5.177 0×10⁴	$Y r'$	0.078 73	$Δ C A R$	0.000 39
$m y$	1.248 1×10⁶	$N v'$	-0.100 24	$t R$	0.235 24
$J z z$	3.696 7×10⁸	$N r'$	-0.044 08	$a H$	0.531 33

表2

图 5

图 6

图 7

表 3

寻优所得系数

系数	量值	系数	量值
$Y v'$	-0.266 905	$X r r'$	0.000 13
$Y r'$	0.075 435	$K p$	4 552.61
$N v'$	-0.093 683	$K q$	4 495.443
$N r'$	-0.050 67

表 3

图8

表4

图9

表5

各命令转速下快速性指标相对误差

$n c$ /(r/min)	相对误差	$n c$ /(r/min)	相对误差
77.20	0.035 27	248.40	-0.019 55
99.40	-0.000 21	297.20	0.035 11
145.60	-0.063 97	337.35	0.015 60
220.50	-0.044 21	384.55	-0.019 95
226.90	-0.049 51

表5

图10

表6

图11

图12

图13

表7

Z形性能指标

仿真	性能指标	仿真值	实际值	相对误差
I	$t i n i t$	10.4 s	10.0 s	0.04
	$O A 1$	6.0°	5.8°	0.034
	$O T 1$	19.8 s	21.0 s	-0.057
	$O A 2$	8.79°	12.90°	-0.319
	$O T 2$	51 s	61 s	-0.164
II	$t i n i t$	14.6 s	17.0 s	-0.141
	$O A 1$	12.73°	10.50°	0.212
	$O T 1$	28 s	28 s	0
	$O A 2$	15.3°	15.3°	0
	$O T 2$	70.6 s	71.0 s	-0.006
III	$t i n i t$	39.6s	41s	-0.034
	$O A 1$	15.20°	12.40°	0.226
	$O T 1$	67.2 s	67 s	0.003
	$O A 2$	15.62°	13.50°	0.157
	$O T 2$	174.8 s	181.0 s	-0.034

表7

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指标	滑行距离/ m	滑行时间/s
仿真值	616.19	147.6
实际值	656.66	155.0
相对误差	-0.062	-0.048

仿真	性能指标	仿真值	实际值	相对误差
右旋	进距	214.97 m	232.66 m	-0.076
	横距	132.43 m	119.50 m	0.108
	旋回初径	308.74 m	342.55 m	-0.098 8
	稳定直径	295.78 m	296.71 m	-0.003
	终末u	10.35 kn	10.40 kn	-0.005
	稳态r	2.06 (°)/s	2.03 (°)/s	0.014 8
左旋	进距	217.17 m	249.63 m	-0.130
	横距	133.26 m	101.50 m	0.313
	旋回初径	310.16 m	330.78 m	-0.062
	稳定直径	298.40 m	306.04 m	-0.025 0
	终末u	8.21 kn	8.40 kn	-0.022 6
	稳态r	-1.62 (°)/s	-1.62 (°)/s	0

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