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本课题以项目“船载无线激光通信系统”为应用背景,建立船舶运动的线性系统模型,研制了用以模拟船舶运动的运动平台。该模拟运动平台可以再现船舶在波浪中的各种摇荡运动,为无线激光通信系统提供逼真的实验环境。用模拟运动平台在实验室做模拟实验具有节能、安全、可控、无破坏、成本低、易操作等优点,对船舶运动模拟研究具有重要的理论研究意义和实际应用价值。
本文通过对船舶运动进行受力分析,得到船舶运动微分方程组。通过设定的条件,在小振幅条件下线性化并去耦合,把运动微分方程组简化成六个相互独立的线性微分方程。采用信号与系统的理论分析该线性微分方程,建立波浪与船舶摇荡运动的数学模型。在波浪运动已知的情况下,利用该模型计算出船舶摇荡运动的幅度值。该数学模型是本课题搭建模拟运动平台,设计控制程序的基础。
本文所研制的模拟运动平台系统由控制程序、运动控制器和模拟运动平台三部分组成。控制程序采用VB语言进行开发,包括船舶运动原理的计算、串口通信功能和人机交互界面设计三部分。运动控制器负责利用RS232通信协议,把运动指令转换为运动平台的位置信号,传送给运动平台。模拟运动平台则依据该位置信号,执行相应的命令,完成运动模拟。
本文最后分别在频域和时域内对该模拟运动平台的仿真结果进行分析。频域内该模拟平台的波浪谱和船舶摇荡运动谱的特性与理论一致。时域内该模拟运动平台的波浪和船舶摇荡运动平均幅度值及周期与理论值基本一致,误差在允许范围之内。仿真结果表明该运动平台可以完成对船舶在波浪中运动的模拟,为船载无线激光通信系统提供比较真实的实验环境。