高速船训练模拟器延迟补偿技术研究

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高速船速度快,航行稳定性差,要求驾驶人员具有较高的操纵技能,其训练模拟器是利用现代仿真技术模拟真实高速船舶航行、登陆操纵的装置,可以使得驾驶员很快掌握其操纵技能,它与用真实的高速船进行训练相比,具有减少实际航海任务时间、节省燃料、不受场地和气候条件限制、提高训练效率等突出优点。为了对驾驶员进行有效地训练,要求高速船训练模拟器的操纵性能与实船保持一致,其中模拟器传输延迟是降低它逼真度的主要原因之一。本文对高速船训练模拟器的系统总体组成及各分系统功能进行了分析介绍,根据高速船训练模拟器的工作流程,从不同的节点分析了传输延迟产生的原因及其影响,研究了其补偿方法,主要研究内容如下:首先针对高速船训练模拟器中存在的传输延迟,采用经典的lead/lag补偿法,并针对其补偿传输延迟方面的不足,进行了改进设计,用近似的方法计算它的两个时间常数来取代经典的时间常数计算方法,分析了不同延迟时间、不同增益下的补偿效果,仿真结果表明改进的lead/lag补偿器可以更有效的补偿高速船训练模拟器中存在的传输延迟,但是对于长时传输延迟补偿的能力却很弱。其次针对改进的lead/lag的不足之处,设计了基于最小二乘法的自适应McFarland传输延迟补偿器,用最小二乘法来取代正弦调整法设计McFarland补偿器的三个速度系数,使得基于最小二乘法的McFarland传输延迟补偿法的应用范围更为广泛,应用仿真结果证明了基于最小二乘法设计的McFarland传输延迟补偿法可以有效的补偿高速船训练模拟器中的长时传输延迟,从而弥补了改进的lead/lag补偿对长时传输延迟的补偿能力弱的缺点。然而基于最小二乘的McFarland传输延迟补偿法迭代次数多,这样计算量和存储量也会增大,在此基础上设计了实时自适应McFarland传输延迟补偿算法,该算法修改了最基于小二乘法的McFarland传输延迟补偿法的代价函数,在保持最小二乘法的遗忘因子的基础上,另外还定义了一个参数实时自适应因子,该参数自身会随着高速船训练模拟系统偏差的大小而调节,应用仿真结果证明了实时自适应McFarland传输延迟补偿法可以有效的补偿高速船训练模拟器中的传输延迟,弥补了改进的lead/lag补偿对长时传输延迟的补偿能力弱和基于最小二乘法的McFarland传输延迟补偿法的不足,对短时传输延迟和长时传输延迟都具有同样强的补偿能力。
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