摘 要

六自由度船舶运动模拟平台是基于Stewart平台开发的并联机器人的一种，目前已经被广泛应用，从海军的舰载武器舰船外形，到海洋科学研究例如水下拖拽体，再到民用船舶的船舶定型都有了很多的应用，采用这种平台可以基本不用考虑场地等问题，而且可及时进行，反复试验，一直被追捧是目前比较热门的研究课题。

本文对六自由度船舶模拟平台的运动特性进行了反解的伸缩量，速度和加速度的求解建模，再介绍虎克铰，正解建模和运用牛顿迭代法求唯一解以及变搜索初值法求解，最后在通过Matlab的Multibody库进行仿真模型搭建。

最后经过模拟验证得到上述研究成果在相应的条件下是准确可靠的。

关键字：六自由度；反解；正解；Multibody建模

Abstract

The six-degree-of-freedom ship motion simulation platform is a kind of parallel robot based on the Stewart platform. It has been widely used at present, ranging from naval warship shape of ship-borne weapons to marine scientific research such as underwater towing bodies. There are many applications in the design of civil ships. It is a hot research topic to adopt this kind of platform, which can basically not consider the site and other problems, and can be carried out in time, and repeatedly tested, which has always been a hot research topic at present.

In this paper, the motion characteristics of a six-degree-of-freedom ship simulation platform are modeled by solving the inverse expansion, velocity and acceleration.A description of the Hooke's hinge, the modeling of positive solutions and the use of the Newton's iterative method to solve the problem and to solve the problem of the initial value of the variable search. finally , the simulation model is built through the Multibody library of Matlab.

Finally, the simulation results show that the above research results are accurate and reliable under the corresponding conditions.

Keywords：Six degrees of freedom； inverse solution；forward solution；Sim-Mechanics modeling

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1研究背景目的及意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究目的 2

1.1.3研究意义 2

1.2研究现状 3

1.2.1国内研究现状 3

1.2.2国外研究现状 3

1.3本论文主要研究内容 4

1.4本文研究过程 4

1.5本章小结 5

第2章 船舶模拟平台运动特性的反解 6

2.1简易模型的建立 6

2.2各个支杆伸缩量的反解分析 7

2.3各个支杆伸缩的速度模型 9

2.4 各支杆加速度建模 9

2.5本章小结 10

第3章船舶运动模拟平台正解分析 11

3.1 虎克铰 11

3.2各支杆正解方程建模 12

3.2.1欧拉角转换RPY角，由R求RPY角 12

3.2.2正解建模 13

3.3 Newton-Raphson迭代法方法介绍 15

3.4运用变搜索初值迭代法求解唯一真实运动学正解 17

3.5本章小结 18

第4章 船舶运动模拟器Multibody 建模 19

4.1Multibody建模原理 19

4.2 模拟器 Multibody模型 20

4.2.1 模型的搭建 20

4.2.2 模块属性参数设置 22

4.3 PID控制器搭建 26

4.4链接数学模型模块并完成整体模型的搭建 27

4.5本章小结 28

第5章 总结与展望 29

5.1总结 29

5.2展望 29

参考文献 31

致 谢 33

第1章 绪论

1.1研究背景目的及意义

1.1.1研究背景

在今天的大环境背景下，海洋逐渐成为人们所探索的对象，我国由于客观原因对于海洋的开发探索也是在近几年展开的，而对于海洋开发的需要我国需要各种各样的科研船舶来进行海洋探索，同时对于“一带一路”的经济战略的快速实施，航海业也将迎来自己的第二春，由上述的原因不难想到船舶的需求会大大的增加，而且根据目前我国的国防需求，我国正在从黄水海军到走向深蓝进行跨越，大型和各种特殊结构外形船舶的需求也十分迫切。在这种背景下六自由度船舶模拟平台技术显得十分重要，是解决目前船只需求的最有效途径，也是对于未来海洋发展的必然选择。

其一，由于多领域的同时发展，而我国有试验能力的港口有限，对船舶的外形测式的时间就会延长，限制了各个领域的发展，而船舶模拟平台可以几乎不考虑场地限制在内陆也可以完成船舶的外形定型测试，而且对于一些有实力的内陆高校也可以进行船舶方面的研究，提高学术竞争为我国航海事业，海洋工程提供新鲜的血液和活力。

其二，船舶模拟平台不仅对船舶设计有空前的帮助和可发展空间，同时对海上工作人员培训也有着巨大的帮助，通过和VR技术的结合可以建立更贴近海上真实的工作环境的模拟舱，不仅可以减少事故率提高安全意识，还能提高在紧急情况下的事故应变能力，缩短培训时间，能够在短时间内为航海业海洋工程和海军提供大量的满足要求的入职人员。

其三，由于船舶模拟平台不仅可以对极端天气和极端条件的海况进行模拟，从而来提高救援人员的业务水平，而且对于海上医疗来讲可以可发为反摇晃系统来保证医疗环境的平稳可靠为医疗人员和患者创造良好的医疗环境，对于海上救援海上医疗也有很大的帮助。

1.1.2研究目的

为满足国家在国防和经济发展战略的需求，并且随着近几年国家的科技发展迅速和经济飞速发展国家对于特种船舶的需要也是愈加强烈，例如南极科考船雪龙号和深海探测器蛟龙号等科研船的近几年的出现，但是虽然这些高精尖科研船隶属于我国的船舶，但大部分核心技术都是俄罗斯的，这与国内所讲的中国制造是完全不相符合的，所以对于特种船舶的设计制造显得十分重要，近几年虽然国内的造船业有着突飞猛进的进步，但由于船舶的大型性和航行条件的特殊性对新型船体结构的需求就会增多，但在设计船舶初期对船体外形的确定是及其的不方便，然而六自由度船舶平台的建立将可以模拟船舶工作海况对其船体结构进行仿真测试来达到与其飞机实验所用的同样目的不但减少设计成本还节约实验时间，较大程度上可在陆地上完成全部预期实验。所以六自由度船舶模拟平台是解决国内船舶设计试验周期过长的最佳、最有效的方法。