[發(fā)明專利]一種適用于可回轉(zhuǎn)多槳無(wú)人船的運(yùn)動(dòng)建模方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110055578.7
• 申請(qǐng)日: 2021-01-15
• 公開（公告）號(hào): CN112685840A
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱巡;高迪駒;徐曉濱;劉恩欣
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海海事大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/15
• 分類號(hào): G06F30/15
• 代理公司: 上海互順專利代理事務(wù)所(普通合伙) 31332
• 代理人: 裴姣姣

1.一種適用于可回轉(zhuǎn)多槳無(wú)人船的運(yùn)動(dòng)建模方法，所述無(wú)人船為雙體船，包含一個(gè)矩形搭載平臺(tái)，船體左右兩側(cè)各有一個(gè)浮力裝置，安裝在矩形搭載平臺(tái)的兩條長(zhǎng)邊上；矩形搭載平臺(tái)的兩條短邊各對(duì)稱安裝兩個(gè)可回轉(zhuǎn)槳；以靜止?fàn)顟B(tài)下螺旋槳產(chǎn)生的推力方向?yàn)榇枷颍灿蚁蠟橐惶?hào)槳，左舷為二號(hào)槳；船首左舷為三號(hào)槳，右舷為四號(hào)槳；其特征在于，所述適用于可回轉(zhuǎn)多槳無(wú)人船的運(yùn)動(dòng)建模方法包括以下步驟：

步驟1，分析無(wú)人船受力：

無(wú)人船在靜水中的受力可表示為：

其中，下標(biāo)P表示為推進(jìn)器的水動(dòng)力和力矩；下標(biāo)H表示船體所受的水動(dòng)力和力矩可以表示為：

其中，Y_v、Y_r、N_v、N_r等統(tǒng)稱為水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)，Y_v表示力Y(u,v,r,δ)對(duì)v的一階偏導(dǎo)在展開點(diǎn)u＝u₀,v＝r＝δ＝0處的值，即式中Y_vvv、Y_rrr、N_vvv、N_rrr稱為橫向力和力矩的高階導(dǎo)數(shù)，即式中，Y_vvr、Y_vrr、N_vvr、N_vrr稱為橫向力和力矩的高階耦合導(dǎo)數(shù)，即

步驟2，建立簡(jiǎn)化的無(wú)人船動(dòng)力學(xué)模型

在步驟1所描述的無(wú)人船坐標(biāo)系中，根據(jù)MMG建模方法，無(wú)人船運(yùn)動(dòng)方程可以表示為：

其中，m為無(wú)人船質(zhì)量，I_z為Gz軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，F(xiàn)_x，F(xiàn)_y和M_z可表示為：

將式(1)，式(2)和式(4)代入式(3)，并略去式中Δu，v，r，δ二階以上的量，將其線性化，經(jīng)整理得：

步驟3，建立各螺旋槳推力模型

四個(gè)螺旋槳對(duì)稱安裝在所述無(wú)人雙體船上，一號(hào)槳、二號(hào)槳分布在船艉，三號(hào)槳、四號(hào)槳分布在船艏；設(shè)螺旋槳直徑均為D，轉(zhuǎn)速為n_n，則每個(gè)槳在靜水中產(chǎn)生在槳軸方向上的推力為：

設(shè)其回轉(zhuǎn)柱距離船舶重心G處均為x_G，距離船舶艏艉線均為y；則此四槳的坐標(biāo)可表示為：一號(hào)槳：(x_G,y)；二號(hào)槳：(x_G,-y)；三號(hào)槳：(-x_G,-y)；四號(hào)槳：(-x_G,y)；則每個(gè)槳在隨船坐標(biāo)系G-xyz上的分量：

式中y_n、x_Gn為槳的坐標(biāo)，η_n為槳的回轉(zhuǎn)角度；合并式(7)表示的四個(gè)式子，得到四槳同時(shí)作用下的推力：

步驟4，螺旋槳推力簡(jiǎn)化；

在回轉(zhuǎn)角度不大的情況下，回轉(zhuǎn)角的正弦和余弦可近似為sinθ≈θ和對(duì)式(8)作進(jìn)一步簡(jiǎn)化：

對(duì)式(8)中的第一式：

對(duì)(8)式中的第二式：

對(duì)(8)式中的第三式：

步驟5，推進(jìn)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)方程推導(dǎo)

將式(9)和式(10)代入式(5)中的第一式和第二式，消去v得到u對(duì)槳的回轉(zhuǎn)角度的響應(yīng)方程，即推進(jìn)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)方程，化簡(jiǎn)得：

式(12)在操縱不是很頻繁的情況下，可以近似使用一階K、T方程來(lái)替代：

將式(10)和式(11)帶入式(5)的第二式和第三式，消去v得到r對(duì)槳回轉(zhuǎn)角度的響應(yīng)方程，即回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)方程，化簡(jiǎn)得：

式(14)在操縱不是很頻繁的情況下，可以近似使用一階K、T方程來(lái)替代：