估计USV-Operation模拟波动特征的海洋状态3

文摘

提出了一种基于仿真技术的方法对波动特征的无人地面车辆(USV)操作下海洋状态3。为了模拟操作的USV海洋状态3,我们生成海洋表面的数据使用线性波理论,利用运动方程。波动的分析结果提出了模拟方法可以为设计提供重要信息USV稳定系统的关键设备。通过这些作品,是验证设计规范等一系列运动,最大速度和加速度估计可以使用模拟数据。

1。介绍

无人地面车辆(USV)是指一个物体移动自主或遥控在海洋表面不需要船员(1]。它最初是在1940年代开发的用于军事目的。随后,usv的应用已扩展到广泛的领域包括监视和侦察、端口监控,和海上调查。具体来说,usv通常用于任务由载人船只(例如打猎和消除地雷和间谍到敌方领土),危险的任务涉及到浅海区域具有挑战性的访问使用载人船只,或受污染的海域。他们也很受欢迎是高度有用的任务在船员的疲惫构成一个问题在海洋监测、海事调查和其他任务包括延长时间。虽然usv主要是用于军事目的,但最近对其公共使用的需求增加了。

在一些情况下,特殊设备USV使其利用率提供用于各种目的。然而,大多数的设备需要注意在操作过程中,对中断和安全必须考虑USV运动。最近,usv的操作条件是一般设置为海洋状态3。因此,它是非常重要的评估中断的特点应用于usv通过影响最大运行速度和大海的波浪状态,稳定这些条件(2,3]。为此,有必要获得的信息在指定的海况条件下波动特征。然而,这是非常具有挑战性的获得这些特征信息通过测量在实际环境中。在实际环境中,海况条件超出控制;因此,获取特征信息可以只有当执行海况条件有利。此外,正如波动特征对船的形状各不相同,只有数据获取和分析类似的船将会是有效的。它也是具有挑战性的收集各种操作条件波动特征数据,因为波动特征可能会改变根据USV操作条件。即测量数据分析波动特征对大海状态可只有当大海状态,满足船舶类型和操作条件。

基于仿真的方法可以克服这些问题在数据采集在实际环境中(2]。在模拟环境中,海洋国家可以自由调节,和船的类型,可以被定义为所需的操作条件。因此,本研究提出了一种方法来估计的波动和干扰特性对发生在海上USV-operation模拟状态3的条件。通过模拟方法生成数据,充足率USV仿真模型的实际运动在实际环境中直接相关的可靠性获得数据。大海的表面可以配置根据海洋状态通过合成波,提出了使用线性波理论(4- - - - - -7]。USV-operation模拟可以通过估算的姿势USV使用海面信息生成根据特定海况条件和计算的运动USV根据操作条件。USV-motion模拟执行,收集到的位置和方向计算和评估的特征应用于USV波动和干扰。

剩下的纸是组织如下:部分2介绍了线性波理论和模拟海状态3使用的理论。部分3解释的方法估计的位置和方向USV基于海洋表面的形式,探讨了USV-motion模型应用。部分4介绍了波动和干扰数据的USV通过一个实际的模拟。随后,在结论中,计划利用研究结果和未来发展方向。

2。为海洋状态3代的海面数据

2.1。线性波理论

海洋这一理论是一个复制的方法通过模拟和生成海洋表面上的数据合成波(4,6]。海国家可以通过这种方法来复制;因此,相应的船舶运动模拟,他们的特征也进行了分析。在线性波理论,海洋对海洋的表面状态是通过一个线性表达与不同频率波的叠加(1),如图1。

在这里,表示的振幅波,表示每一个频率,表示波数和分别表示方向和阶段的波浪。此外,和通常建模为随机变量分布介于0到吗 。

方程(1)包含随机的内部变量。海面的数据表示这也对应于一个随机变量。波的高度关于随机海面分布近似建模使用瑞利分布如下: 在哪里表示参数,平均高度相关

有效波高是一个非常关键的参数,与大海的状态。它指的是平均身高,这对应于最大高度的1/3的波发生在一定时间如下: 在这里,被定义为

海浪谱是海面建模相关的另一个关键因素。它代表了能量分布的频率范围内的波,构成海洋的表面。它提出了一个数学模型根据ITTC 1978和Pierson-Moskovitz模型。Pierson-Moskovitz光谱模型(9)表达(6),和图2显示了波谱分布的有效波高 。

2.2。海洋状态3模拟

关键数据,定义了海况参数包括有效波高,重要的时期,平均周期和风速。表1提出了海洋状态的特征数据1 - 5 Pierson-Moskovitz波频谱模型(10]。

基于线性波理论,海浪波频谱合成的必须由频率采样前表面生成数据。基于表1在海上,有效波高状态3对应1.2192 [m](4英尺)。因此,波谱分布生成(6)。随后,数据在2 - 7日[s](对应时期的重要范围在海上国家3)被用来获得一个平衡的30波相关的样本- - - - - -在0.8975 - -3.1415范围内(rad / s)。因此,有关这部分的频率范围。因此,对应于0.0748 (rad / s)在这种情况下。图3显示了Pierson-Moskovitz波谱分布状态3和30采样波(- - - - - -)。

为了生成海洋表面数据,振幅对波浪的通过采样(1)可以获得如下: 的波数的波和有关如下: 的方向和相位每一波都是随机变量,因此,初始值是通过随机抽样从0 -平衡分布定义的变量 。此后,他们使用随机游走过程,实现随时间不断变化边际范围内以随机的方式。

图4显示了海面仿真的结果通过使用(1)与30采样波,为海洋状态3。它生成一个面积150的[m]和在地球表面的方向。结果估计海面的形式,随时间变化及其特征数据类似于数据状态3。因此,这个验证过程的有效性的评估和分析USV波动特征通过一个模拟的海洋状态3采用线性波理论。

3所示。估计USV海上运动

3.1。估计USV位置

所有船只在海上操作,包括usv,涉及6个自由度(自由度)的运动(8,11,12]。三个自由度涉及运动有关的位置,而其他三个涉及定向运动。如图5,运动涉及一艘船的位置被定义为飙升(向后和向前),随风摇曳的(左和右),起伏(向上和向下)。此外,关于方向被定义为滚动运动(旋转向前和向后),投球(上下旋转),和首摇(左和右)。

USV的操作,通过干扰影响的元素从大海状态对应于垂荡运动(相关位置和滚动)和俯仰运动(方向)相关。因此,这三个运动元素对海洋表面的估计。响应面方法(RSM) [13,14)是用于这项研究获得的详细估算USV的位置和方向对大海的表面。RSM需要一个有限数目的测量分。点是受大海的表面由于浮力的USV被近似为椭圆,如图6,选为计量点。假设下的测量确定点的长度和宽度USV对测试与6 [m] 3 [m],分别。

的姿势估计USV用RSM通过执行以下过程:首先,数据计算了海洋表面的使用(1)对测量点如图246。执行下一步,最小二乘回归来获得一个平面方程,涉及到测量分和海表面上的数据对这些点。重心的测量数据对应于USV估计位置数据。平面的法向量数据是用来估计USV横滚和俯仰方向。图7显示USV的姿势和运动估计的使用这种方法。图中的红线表示用RSM法向量估计。红线表示梯度向量对重力的方向。大小的增加可能会导致发生扰动的偏航方向由于重力。然而,在这项研究中没有考虑这种影响。从海底表面上的数据仿真结果被用来验证是否USV的姿势和运动数据用RSM自然表达。

3.2。USV-Motion模型

关于USV six-DOF运动,定向基于位置的信息z -轴(上下方向)、滚动和俯仰估计使用数据表面上的大海。剩下的三个动作上的数据(即。,位置- - -相互重合和偏航数据,揭示了运动从左到右)明显受到USV的驱动系统;因此,他们使用USV-motion模型计算。旋转速度 ,不同的方向和速度关于进步的方向,是USV传动系统输入。输出因素受到相同的对应和位置和偏航角并使用差分方程得到表达的 在哪里

上面的方程被用来生成海洋表面通过模拟海洋状态3。USV姿态估计方法中使用类似的方式估计USV的运动对一个随机的方向进展和旋转速度 。这些都是用来预测扰动特征,如在操作过程中出现的波动。以下部分分析USV操作期间发生的波动的特点,根据海上USV仿真结果状态3。

4所示。USV海况下模拟3

为了评估的特征波动USV的操作期间,一个相对较高的速度= 35(节)和旋转速度= 0.35 (rad / s)应用。仿真了60 [s]。图8显示屏幕上描绘的USV轨迹模拟海上海洋表面的状态3。黄色表示USV盒;模拟在不同条件进行了应用随机的和值。

使用胀、滚动和俯仰运动数据收集的模拟,我们估计的频率特征变动USV运动通过快速傅里叶变换。图9显示了通过模拟数据收集的横滚和俯仰运动。图10显示了收集到的横滚和俯仰的频谱数据。的最大波动发生在操作= 35(结)= 0.35 (rad / s)下观察海洋状态3约2.5 - 3(赫兹)的滚动和俯仰方向。USV因此,稳定系统,运行在这些条件下应该吸收这些波动干扰,和执行机构响应动态系统必须大大超过波动的干扰。

此外,稳定系统的设计规范包括操作范围、最大速度和加速度可以确定基于USV-motion收集数据。特别是主动稳定系统生成一个运动的波动USV这样的外部干扰不会影响设备安装在USV。主动稳定系统必须设计操作更快速运动由于外部中断补偿USV的波动。因此,提出USV-operation模拟进行以评估外部波动干扰的程度。

涵盖所有可行的情况下,我们100 USV-operation模拟各种执行和值测量的位置、速度和加速度的滚,音高和升沉运动。构成位置的估计范围的信息用于确定稳定系统的工作范围。速度和加速度的信息范围确定的规格也是关键执行机构在活动的最大速度和转矩稳定系统。

图11显示的测量值最大的位置,速度和加速度均方根(RMS)卷,球场,100年USV-operation升沉运动模拟。基于这些信息,我们估计波动发生在USV操作的程度。表2介绍了轧辊的速度和加速度范围,音高,升沉运动源自100年的手术模拟的结果。因此,主动稳定系统的海况下USV 3应该旨在补偿运动规格表中给出2。

5。结论

本研究提出了一种基于仿真的过程,得出目标所需规格的稳定系统USV特殊使命的设计指定的海上条件下设备。基于仿真的方法有许多优势的方法收集数据通过实际实验;然而,充足的计算模拟影响获得的数据的可靠性。实现合理的可靠性、海洋环境复制指定海况使用线性波理论提出的线性波的叠加。USV在海洋环境的运动所产生的估计的姿势USV使用海面信息和计算微分方程根据操作条件。

发达模拟器被用来进行仿真速度的最大USV海况下3,这是本研究的主题。为了收集到的数据包含所有可行的情况下,100年USV-operation模拟进行各种操作条件下海洋状态3。在众多操作模拟使用获得的数据,我们可以估计波动特性,这是至关重要的规范设计稳定控制器。此外,操作范围、最大速度、加速度,和其他重要的规范设计主动稳定系统可以通过模拟推导出基于收集的数据。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是财务支持的国防采办项目管理(DAPA)和韩国国防科学研究所(ADD) (UC150005DD)。

引用

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