[發明專利]一種基于無人帆船風帆攻角確定最大航速的方法

有效

• 申請號: 202010969127.X
• 申請日: 2020-09-15
• 公開（公告）號: CN113408097B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發明（設計）人: 黃朝明;王迪;劉如磊;閆獻廷;黃順;劉榮豪;安云圣
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/28;G06T17/00;B63H9/04;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 大連至誠專利代理事務所(特殊普通合伙) 21242
• 代理人: 楊威;楊爽

本發明公開了一種基于無人帆船風帆攻角確定最大航速的方法，以風帆作用力系數與風帆攻角內在聯系為基礎，綜合考慮風帆助推力和側推力，結合目標帆船參數，建立帆船模型；綜合舵受力因素，建立舵受力模型；利用響應型三自由度船舶操縱分離(MMG)方法建立帆船運動模型，從而計算無人帆船在不同的相對風向角下達到最大航速需要的條件。利用此獲得目標帆船的最大航速下風帆攻角的策略，為無人帆船在期望航向上以最大航速穩定地航行提供了更加可靠的保障。

技術領域

本發明涉及船舶航行技術領域，尤其涉及一種基于無人帆船風帆攻角確定最大航速的方法。

背景技術

無人帆船是一種以海洋清潔能源(風能)為驅動的多用途新型動觀測平臺，可以勝任遠海作業、具有實時數據傳輸功能、低營運成本的優勢。無人帆船與傳統無人艇的主要區別在于其沒有內在動力系統，僅靠風對風帆作用力作為航行的動力。風速和風向的變化，不僅影響帆船的航向，還會影響帆船的航行速度。在一定風速下，帆船推進力的大小會受風向，攻風帆角和船舶航向的共同影響。目前，無人帆船風帆攻角控制策略的研究普遍只考慮助推力的作用，但風帆為船體提供助推力的同時，也會產生側推力及偏航力矩，較大的側推力和偏航力矩會增大帆船的漂角和舵角，使船舶阻力增加，進而使航速減小。因此，要是無人帆船能夠達到最大航速，需要綜合考慮風帆助推力和側推力對其產生的影響。

發明內容

本發明提供一種基于無人帆船風帆攻角確定最大航速的方法，以克服上述技術問題。

本發明一種基于無人帆船風帆攻角確定最大航速的方法，包括：

設定目標帆船、所述目標帆船的參數；根據所述目標帆船的參數建立所述目標帆船的帆船模型；

設定不同的風帆攻角，并根據所述目標帆船的參數得到不同的升力系數與阻力系數；根據所述不同升力系數與阻力系數，計算得到不同所述風帆攻角下的升力與阻力；

根據設定的絕對風速和相對風向角得到相對風速；將所述相對風速及所述升力、阻力、升力系數、阻力系數輸入所述帆船模型，計算得到助推力、側推力及助推力系數、側推力系數；

選取所述助推力系數大于零所對應的相對風向角區間，作為所述目標帆船的航行區范圍；在所述航行區范圍內設定期望航向，建立舵受力模型并設定舵角，使帆船保持在所述期望航向上；

建立所述目標帆船的運動模型和運動坐標系；將所述絕對風速、相對風向角、期望航向、助推力及側推力輸入所述運動模型，獲得所述目標帆船的航速、舵角及漂角；

選取在所述期望航向上，通過所述運動模型獲取的所述目標帆船的最大航速所對應的所述風帆攻角。

進一步地，所述根據所述不同升力系數與阻力系數，計算得到不同所述風帆攻角下的升力與阻力，包括：

計算不同所述風帆攻角下的升力F_L與阻力F_D的表達式為：

式中，ρ_a為空氣密度；S_W為風帆的側向投影面積；V_a為相對風速；C_L為升力系數；C_D為阻力系數。

進一步地，所述將所述相對風速及所述升力、阻力、升力系數、阻力系數輸入所述帆船模型，計算得到助推力、側推力及助推力系數、側推力系數，包括：

設定船首指向為x，右舷指向為y，將風帆升力F_L與阻力F_D進行分解，得到沿著船舶航向的助推力X_W和垂直于船舶航向的側推力Y_W，計算表達式為：