Efficient Time-Domain Simulation of USV Motions in Short-Crested Irregular Waves Using an IRF-Based Framework

📄 arXiv: 2606.24130v1 📥 PDF

作者: Fei Duan, Zihao Wang, Yaohua Zhou, Qing Xiao

分类: physics.flu-dyn, cs.RO

发布日期: 2026-06-23

💡 一句话要点

提出基于脉冲响应函数的框架以高效模拟USV在不规则波中的运动

🎯 匹配领域: 支柱七：动作重定向 (Motion Retargeting) 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 无人水面艇 脉冲响应函数 时间域预测 不规则波 海洋工程 运动模拟 计算效率

📋 核心要点

  1. 现有方法在不规则波下的船舶运动预测计算成本高，难以满足实时应用需求。
  2. 本研究提出了一种基于脉冲响应函数的框架，通过频域分析和卷积方法高效预测USV运动。
  3. 实验结果表明，所提框架在运动幅度和周期预测上与实际测量值高度一致，具有良好的实用性。

📝 摘要（中文）

传统的不规则波下船舶运动的时间域预测通常依赖于多个规则波分量的叠加，这在长时间模拟和实时应用中计算成本高昂。针对无人水面艇（USV），本研究应用基于脉冲响应函数（IRF）的时间域框架来预测短波不规则波中的船舶运动。通过频域分析获得的Froude-Krylov、衍射和辐射载荷被转化为时间域，利用卷积基础的力重构直接评估瞬时响应，从而减少重复的规则波模拟需求。框架经过与模型试验和实际海况下USV的全尺度测量的验证，结果显示预测的运动幅度、零交叉周期和运动时间历程与测量值高度一致。

🔬 方法详解

问题定义：本论文旨在解决传统时间域船舶运动预测方法在不规则波下计算成本高的问题，尤其是在长时间模拟和实时应用中面临的挑战。现有方法依赖于多个规则波分量的叠加，导致计算效率低下。

核心思路：论文提出了一种基于脉冲响应函数（IRF）的时间域框架，通过将频域分析得到的载荷转化为时间域，利用卷积方法直接评估瞬时响应，从而减少了对重复规则波模拟的需求。

技术框架：整体架构包括三个主要模块：首先进行频域分析以获得Froude-Krylov、衍射和辐射载荷；然后将这些载荷转化为时间域；最后通过卷积方法进行瞬时响应的重构。

关键创新：最重要的技术创新在于通过脉冲响应函数实现了高效的时间域预测，显著降低了计算复杂度，与传统方法相比，能够在保持准确性的同时提高计算效率。

关键设计：在设计中，考虑了瞬时湿表面压力的积分以包含弱非线性恢复效应，并使用方向波谱来表示真实海况。此外，研究还探讨了方向谱离散化的影响，发现30度的方向间隔在预测精度和计算成本之间提供了实用的平衡。

📊 实验亮点

实验结果显示，所提框架在运动幅度、零交叉周期和运动时间历程的预测上与实际测量值高度一致，验证了其有效性。运动幅度对方向分辨率的敏感性适中，而运动周期则相对不敏感，30度的方向间隔在预测精度和计算成本之间达成了良好的平衡。

🎯 应用场景

该研究的框架可广泛应用于无人水面艇的运动预测、海洋工程中的船舶设计与评估、以及海洋环境下的控制系统开发。通过提高预测效率，能够为实际海况下的操作提供更为可靠的支持，推动相关领域的技术进步。

📄 摘要（原文）

Traditional time-domain prediction of vessel motions in irregular waves usually relies on superposing responses from many regular-wave components, which is computationally expensive for long-duration simulation and real-time applications. This issue is particularly relevant to unmanned surface vehicles (USVs), for which efficient and realistic motion prediction is needed for seakeeping assessment, simulation-based testing, and control-system development. This study applies an impulse response function (IRF)-based time-domain framework to predict vessel motions in short-crested irregular waves. Froude-Krylov, diffraction, and radiation loads are obtained from frequency-domain analysis and transformed into the time domain. Instantaneous responses are then evaluated directly through convolution-based force reconstruction, reducing the need for repeated regular-wave simulations. Weak nonlinear restoring effects are included by instantaneous wetted-surface pressure integration, and directional wave spectra are used to represent realistic sea states. The framework is validated against model-test measurements of an offshore supply vessel in long-crested beam irregular waves and full-scale measurements of a USV operating in real sea conditions. Predicted significant amplitudes, mean zero-crossing periods, standard deviations, and motion time histories agree well with measurements. The effect of directional-spectrum discretization is also examined. Results show that motion amplitudes are moderately sensitive to directional resolution, whereas motion periods are relatively insensitive. A 30 deg directional interval provides a practical balance between prediction accuracy and computational cost. The proposed framework offers an efficient tool for high-fidelity time-domain prediction of USV motions in realistic directional irregular seas.