[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(kāi)（公告）號(hào): CN112685840A
• 公開(kāi)（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

本發(fā)明提出了一種適用于可回轉(zhuǎn)多槳無(wú)人船的運(yùn)動(dòng)建模方法，根據(jù)船舶分離型運(yùn)動(dòng)建模方法，分析無(wú)人船在水面三自由度上的作用力，建立無(wú)人船動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)略去Δu，v，r，δ二階以上的量消除無(wú)人船在縱蕩和橫蕩上與艏搖之間的耦合，對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行化簡(jiǎn)；建立各螺旋槳的推力模型；合并各螺旋槳推力并化簡(jiǎn)，得到動(dòng)力學(xué)模型中X_P、Y_P和N_P的具體表達(dá)式。由MMG方程推導(dǎo)出推進(jìn)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)方程。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及船舶運(yùn)動(dòng)模型領(lǐng)域，具體涉及一種適用于可回轉(zhuǎn)多槳無(wú)人船的運(yùn)動(dòng)建模方法。

背景技術(shù)

在無(wú)人船運(yùn)動(dòng)建模的相關(guān)研究中，文獻(xiàn)^[1]為了提高路徑跟蹤控制的性能，提出了一種不考慮角慣性矩陣和阻尼矩陣的更精確的USV模型。文獻(xiàn)^[2]在傳統(tǒng)三自由度運(yùn)動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，添加動(dòng)態(tài)擾動(dòng)項(xiàng)得到改進(jìn)模型，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性。文獻(xiàn)^[3-4]均對(duì)可回轉(zhuǎn)吊艙推進(jìn)器對(duì)建立三自由度運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)路徑跟蹤問(wèn)題展開(kāi)了研究。文獻(xiàn)^[5-6]同根據(jù)MMG建模方法，分別對(duì)雙推進(jìn)雙體無(wú)人船建立三自由度運(yùn)動(dòng)模型，且均通過(guò)路徑跟蹤控制驗(yàn)證了模型的有效性。但關(guān)于可回轉(zhuǎn)四槳推進(jìn)無(wú)人船運(yùn)動(dòng)控制的建模研究目前還不多。

為了提高無(wú)人艇的機(jī)動(dòng)性和動(dòng)力性，將具有推進(jìn)和回轉(zhuǎn)功能的可回轉(zhuǎn)槳配備在無(wú)人艇上。然而，在可回轉(zhuǎn)槳的作用下，無(wú)人船的推力力矩和轉(zhuǎn)船力矩出現(xiàn)耦合情況，特別是在多槳的情況下，由于推力或者回轉(zhuǎn)方向不一致，產(chǎn)生相互干擾，這對(duì)無(wú)人船的可靠控制帶來(lái)了困難。為了獲得這類配備可回轉(zhuǎn)多槳推進(jìn)無(wú)人船的高效、可靠和精確控制，有必要對(duì)其推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行建模研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一種適用于可回轉(zhuǎn)多槳無(wú)人船的運(yùn)動(dòng)建模方法，根據(jù)船舶分離型運(yùn)動(dòng)建模方法，分析無(wú)人船在水面三自由度上的作用力，建立無(wú)人船動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)略去Δu，v，r，δ二階以上的量消除無(wú)人船在縱蕩和橫蕩上與艏搖之間的耦合，對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行化簡(jiǎn)，建立各螺旋槳的推力模型。合并各螺旋槳推力并化簡(jiǎn)，得到動(dòng)力學(xué)模型中X_P、Y_P和N_P的具體表達(dá)式。由MMG方程推導(dǎo)出推進(jìn)運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)方程。

主要包括以下步驟：

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；

步驟1，無(wú)人船受力分析

無(wú)人船在靜水中的受力可表示為：

其中，下標(biāo)H表示船體所受的水動(dòng)力和力矩，下標(biāo)P表示為推進(jìn)器的水動(dòng)力和力矩。對(duì)于可回轉(zhuǎn)推進(jìn)無(wú)人船來(lái)說(shuō)，槳舵一體的推進(jìn)器取代了傳統(tǒng)船舶上的舵，下標(biāo)H還可以理解為除推進(jìn)器外的其它一切外力作用在船上的力和力矩，并可以表示為：

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

在船舶運(yùn)動(dòng)和控制領(lǐng)域，主要研究航向角和航行軌跡的變化，即船舶的水平面運(yùn)動(dòng)。對(duì)于無(wú)人船來(lái)說(shuō)，垂蕩、縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)對(duì)水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)影響很小，可以忽略不計(jì)，從而只考慮在縱蕩、橫蕩和艏搖三個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)。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：