国内拖轮作业运动数学模型研究进展与展望

船舶运动数学模型作为关键技术关系到航海模拟器的行为真实感。本文梳理了国内拖轮自航及作业运动数学模型的研究进展,总结了现阶段拖轮作业运动数学模型存在的不足以及后续研究趋势。

基于串并混联的机械手运动数学模型建立与数值仿真

串并混联机械手融合了串联机械手和并联机械手各自优势,在结构设计稳定性和运动轨迹控制方式上做出了优化与改良,但串并混联机械手的结构更复杂,同时控制难度也在增大。在仿真环境下,模拟了五自由度串并混联机械手的空间位姿变化,并构建空间范围内的运动数学模型。将串并混联机械手运动过程中的驱动向量进行分解,将其拆分成惯性矩阵、离心力耦合矩阵和重力矩阵的和,分别从不同的层面分析机械手运动的轨迹偏差,混联机械手绕多个空间轴旋转,最终姿态控制为机械手各关节旋转角速度的矢量和。数值仿真结果显示,机械手数学模型各参数设计合理,轨迹控制偏差和关节旋转角度控制偏差相对于传统控制方式更低。

基于串并混联的机械手运动数学模型建立与数值仿真

冲压加工在机械加工中占据着重要作用,而机械手的好坏直接影响到冲压加工的效率。为提高其效率,研究设计了一款新型串并混联的冲压上下料机械手。对其的构型设计主要包括大臂、中臂、小臂,以及端拾器四部分。通过混联将其依次连接起来,并对机构的速度雅可比进行求解,建立相应的运动数学模型。仿真结果表明,机械手的工作空间在x,y,z三个方向上的移动空间距离为8000mm、400mm、300mm,完全满足机械手的转动需求。机械手的关节移动最大速度接近190mm/s,末端参考点最大速度为4100mm/s。其最大转速为0.36rad/s,转动关节的最大速度接近1.18rad/s,该机械手的运动学性能满足要求。本次研究的上下料机械手具有创新性、实用性及高效性。

基于特征模型的船舶运动数学模型

为了获得形式简洁而精度较高的船舶运动数学模型,将航空航天领域的特征模型移植到航海领域。利用部分实船试验数据辨识出特征模型的参数,通过船舶Z形试验验证了在航海领域使用特征模型的可行性。该精度稍高于目前使用的Nomoto模型,且保留了其简洁的形式。

基于运动数学模型的割草装置控制系统研究

以自动化割草装置为研究对象,分析现阶段割草装置存在的自动化程度不高、运动控制精确度低、无法适应复杂的多种使用环境条件及自动续航能力低等缺陷,提出一种基于运动数学模型建立的自动化割草装置控制系统。在运动数学模型建立的条件下,搭建割草装置对草地的模式识别模型,实现割草过程中的障碍规避;建立运动控制过程数学模型,以机器视觉信号为反馈,形成闭环控制,计算出行进过程中存在的角度偏差,不断调整自动行走姿态;结合机器视觉和运控数学模型,实现割草装置的自动回归控制,并进行自动充电。试验结果表明:割草装置在生长茂密和稀疏两种草地中,能够进行草地的精确识别;在自动行走过程中,控制系统计算出的角度偏差与预先设置的角度偏差几乎相同。由此可为割草装置研究提供理论基础。

基于无迹卡尔曼滤波的船舶运动数学模型辨识

针对一艘目标三体船,构建MMG运动数学模型结构,利用无迹卡尔曼滤波器结合自航试验数据对模型中的参数进行辨识。为减轻动力相消带来的影响,结合三体船特点对模型结构进行化简,并设计不同的控制方式进行分步辨识。通过模型预报数据与自航试验观测值的对比,以及部分参数的试验测量值与辨识值的比较,验证了本文辨识方法的有效性和优越性。

喷水推进船操纵运动数学建模仿真分析

喷水推进船具有高航速、浅吃水等特点,回转性能优越。该文以喷泵和喷水推进船为研究对象,首先采用称重法,开展喷泵流量标定试验;而后基于裸船体和带四个喷泵的船体,开展水池中约束模平面运动机构模型试验,如斜航运动、横荡运动、摇首运动及自航操舵试验等,获取船体水动力和喷口流量;再采用最小二乘法,回归分析得到相关的水动力导数,建立整体式和分离式操纵运动数学模型,编制喷水推进船的操纵运动程序,数值模拟30°回转运动和10°/10°z形试验,并与外场自由自航模操纵性进行比较。数值模拟结果显示:通过整体式运动数学模型和分离式运动数学方法,战术直径误差在5.5%以内,第一超越角误差为2°左右,这两种方法都能较好地吻合模型试验结果。相较而言,基于整体式运动数学模型的模型试验或CFD数值计算的难度更高且经济成本较大,而在实际工程数值模拟中,基于分离式运动数学模型的数值模拟更容易实施。

规则波中船舶运动六自由度数学模型

为了提高船舶操纵模拟器的精度,应用船舶操纵性分离建模理论,基于傅汝德-克雷诺夫假设,将船舶近似为箱型船,估算波浪对船舶六自由度运动的干扰力与力矩,并将波浪的干扰力与力矩作为外力与力矩的一部分,叠加到分离型船舶运动数学模型中,建立了船舶在规则波作用下六自由度船舶运动的数学模型,给出5级海况下船舶全速旋回运动响应的时间历程仿真曲线。仿真结果显示:仿真结果与相关文献结果相近,运动趋势一致,能够满足大型船舶操纵模拟器对船舶运动数学模型仿真的精度要求,同时船舶运动数学模型由3自由度增至6自由度,提高了模拟的逼真度。

吊舱推进船舶运动数学模型及其在航海模拟器中的应用

应用MMG分离建模思想,建立配备吊舱推进器的半潜船四自由度运动数学模型,利用回归公式估算POD桨的推力和扭矩,用经验公式估算伴流分数和推力减额.在航海模拟器中,通过硬件信号控制POD桨的转速和旋转角度,并将其传输给船舶运动数学模型模块,采用四阶龙格—库塔法积分求解船舶运动微分方程组,获得实时船舶运动态势,再将其传递给航海模拟器中的其他模块,实现人—机交互.以半潜船"泰安口"为例,建立POD桨的水动力性能数学模型以及半潜船的运动数学模型.与实船海试试验结果比对,不确定度在20%以内,能够满足航海教学培训和工程论证需要.

可调螺距螺旋桨船舶的操纵运动数学模型

为利用模拟器对可调螺距螺旋桨(CPP)船舶操纵运动进行仿真,应用船舶操纵性分离建模理论,基于荷兰船模试验水池B系列螺旋桨的敞水试验结果,利用Akima插值获得了不同类型的CPP在不同螺距比时的四象限推力系数和扭矩系数,求得CPP的推力和扭矩,建立了CPP船舶的平面运动数学模型.模型充分考虑了风、流对船舶操纵的影响,并可适用于CPP船舶常速域和低速域的操纵运动仿真.仿真结果与实船试验结果吻合较好,能够满足大型船舶操纵模拟器对船舶运动数学模型仿真精度的要求.

船舶运动干扰力和力矩数学模型

为了准确计算船舶运动参数,以提高航海模拟器的模拟精度,本文基于欧拉理论建立船舶运动干扰力和力矩数学模型,考虑了水流压力、水力矩、风压力、风力矩、螺旋桨推力、螺旋桨力矩等力学参数对船身运动的影响。以某试验船为实例进行计算研究。结果表明,本文建立的数学模型与相关文献计算结果较为一致,本文建立的船舶运动干扰力和力矩数学模型具有较好的准确性。

脉冲电浮水处理过程中的运动学数学模型

针对脉冲电浮水处理装置的特点，分析了影响该技术处理效果的因素，根据絮凝过程运动学的理论，以钢球模型的简化方式建立自由粒子浮选去除模型，仿真得到自由粒子浓度随时间变化过程。该数学模型为设计絮凝池尺寸参数，以及选择电浮处理参数提供理论依据。结果表明：当处理时间为20-25min时，可以使自由粒子去除率达到90％以上，这与实验数据相当吻合。

人体无支撑运动的数学模型

基于Hanavan[1]人体模型，本文建立了人体空中运动的一般数学模型，并利用微分方程数值解法对某些实际运动进行了模拟．结果表明该模型能用于反映人体空中无支撑运动的运动过程，并可应用于宇航、体操、技巧、跳水、舞蹈等等运动的研究．

一个人体运动的数学模型

本文采用L-E法和铰分解法研究了人体运动的数学模型问题，给出了一种人体运动的规范建模方法。该方法适用于多种拓扑结构形式的人体运动（如空翻、步行、滑行等），所得方程具有适合于计算机程式求解的特点。

“新数学运动”对大学数学教育改革的启示

对“新数学运动”的失败进一步反思，从中提出了当前大学数学教育改革的新思想及新方法．

“建构主义教学”:慎防重蹈“新数学运动”的复辙

一、建构主义及建构主义教学 近年“建构主义”在各地变成一种风尚,亦有一些国家与地区(如台湾)的数学课程标明是沿用建构主义的教学方式.与此同时,所谓建构主义课程又带来不少批评.究竟问题出自推行上之偏差呢?还是建构主义根本不应搬到课程的层面来?建构主义与建构主义教学又是什么呢?

湘江株洲枢纽库尾整治河段船舶操纵运动模拟

为解决散乱浅滩弯曲河段水流条件复杂、船舶航行困难且易受浅水效应影响的问题,建立平面二维水流数学模型及船舶操纵运动数学模型,以湘江株洲枢纽库尾鱼弄子滩为例,通过实测资料验证数学模型的可靠性,对典型工况进行船舶运动数值模拟,计算相应航行参数,评估航道整治效果及通航条件。结果表明:疏浚受散乱浅滩影响的弯曲航道能有效优化航道水流流态,明显改善船舶通航条件。该数值模拟可为评估散乱浅滩弯曲航道的整治效果提供科学依据和指导。

试论“新数学”运动对数学教育改革的启迪

讨论了“新数学”运动失败的经验教训．并据此提出了在数学教育改革中应该注意的几个问题．

太阳电池阵展开运动的数学模拟

分析了太阳电池阵的展开运动过程,并根据力学原理建立了模拟太阳电池阵展开运动规律的数学模型.根据某型卫星的数据,进行了地面模拟展开过程计算,并给出了模拟计算和地面展开运动试验的比较.结果表明,这一简化的模型和数值方法对于刚性太阳电池阵展开运动模拟的可行性.