三体船嵌入式姿态控制系统设计与实现

发布时间：2020-06-04 18:15

【摘要】：三体船是一种新型的船舶类型,由于其优良的特性得到了学界的一致认可,各个国家都在对其进行较为深入的研究。三体船由一个主体以及两个侧片附体组成,共享一个主甲板及上层结构,其甲板空间大、稳定性高、耐波性能强。与常规单体船相比,三体船拥有航速高、低能耗、高稳定性以及出色的操作总行等特点,特别适合军事领域的应用。所以,三体船逐渐得到大力的发展。但是,在高速航行过程中,三体船纵向运动的剧烈程度较高,制约了高速三体船的发展。本文针对相关问题,在已有上层控制算法的基础上,进行了三体船姿态控制系统的底层控制系统的设计与实现,采用多种传感器与多种电机控制三体船的航速航向稳定;同时采用T型翼与压浪板作为附体减摇装置,并通过现有解耦控制算法对T型翼以及压浪板的攻角进行控制。船舶航速航向控制是高性能船舶研究的重点课题,航速航向稳定性对三体船控制系统至关重要,其不仅对三体船航行稳定有重要意义,此外航速航向稳定还能减轻驾驶员的疲劳,并且能够有效节省燃料,所有实验都将依靠三体船操控的可靠性。本文采用LOS算法进行航迹跟踪,采用PID算法进行船舶定速巡航。只有保证底层控制系统的可靠性,才能验证已有上层控制算法的正确性。根据三体船相关实验的性能要求,本文将采用多种传感器、执行机构、动力装置搭建完整的航速航向底层控制系统,保证三体船相关实验的可靠性与稳定性。本文首先进行了三体船T型翼与压浪板的控制系统嵌入式控制系统设计、航速航向嵌入式控制系统设计。选取液压驱动作为主动式T型翼与压浪板的驱动方式;采用ARM7作为主控芯片进行液压系统硬件电路设计,采集液压系统、T型翼与压浪板的相关数据。采用DSP主控芯片进行船舶航速航向控制系统硬件电路设计,采集舵角和发动机转速信息、控制相关开关量。通过PID控制算法分别对舵角和航速进行控制。然后,进行液压系统建模以及T型翼以及压浪板进行位移和角度的映射;运用仿人智能PID控制算法对液压驱动的T型翼和压浪板进行攻角控制,通过仿真证明采用仿人智能PID控制算法对液压系统进行控制,其调节时间短,控制性能更加优良。最后,进行大量实验;进行航速航向、减摇等实验;验证上层控制算法的可行性,分析三体船嵌入式底层控制系统是否满足上层算法的要求。
【图文】：

英国,三体船

上个世纪 70 年代，相关国家就开始对三体船进行相关的理论研究。通过理论分析以及进行相关的模型水池试验，在水动力性能方面，证明了三体船较常规单体船具有明显的优点。上个世纪 90 年代，三体船的研究较为活跃，但研究重点依然是水动力性能以及兴波阻力方面。在此方面得出了三体船两片侧体的对称性拥有更好的抗兴波干扰能力，以及相对主体的位置靠近船尾以及主船体拥有更好的阻力性能，除此以外，随着三体船航速的增加，其侧体的最优位置将向后移动[5]。进入 21 世纪后，三体船建造过程中由于材料以及工艺的相关问题得以解决[7]。至此，世界强国均对三体船进行了更加深入的研究以及实际研发工作。世界上第一艘三体试验舰为英国建造的“海神”号三体船，1991 年 1 月 11 日“海神”号三体船开始被建造，2000 年 5 月 6 日，在沃·桑公司的伍尔斯通造船厂顺利下水。“海神”号三体船全长 98米，排水量为 1100 吨，最高额定航速 20kn，航程 3000 海里，至此三体船第一次从纸上浮到海上。2008 年大名鼎鼎的美国“独立”号濒海战斗舰下水，“独立”号舰长 127.6 米，舰宽 31.6 米，吃水深 4.3 米，其采用全铝合金建造，标准排水量 2176 吨，满载排水量2784 吨，是世界第一艘投入海军服役用于实战的三体军舰，至此，用于三体船实际应用于军事目领域。

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上个世纪 70 年代，相关国家就开始对三体船进行相关的理论研究。通过理论分析以及进行相关的模型水池试验，在水动力性能方面，证明了三体船较常规单体船具有明显的优点。上个世纪 90 年代，三体船的研究较为活跃，但研究重点依然是水动力性能以及兴波阻力方面。在此方面得出了三体船两片侧体的对称性拥有更好的抗兴波干扰能力，以及相对主体的位置靠近船尾以及主船体拥有更好的阻力性能，除此以外，随着三体船航速的增加，其侧体的最优位置将向后移动[5]。进入 21 世纪后，三体船建造过程中由于材料以及工艺的相关问题得以解决[7]。至此，世界强国均对三体船进行了更加深入的研究以及实际研发工作。世界上第一艘三体试验舰为英国建造的“海神”号三体船，1991 年 1 月 11 日“海神”号三体船开始被建造，2000 年 5 月 6 日，在沃·桑公司的伍尔斯通造船厂顺利下水。“海神”号三体船全长 98米，排水量为 1100 吨，最高额定航速 20kn，航程 3000 海里，，至此三体船第一次从纸上浮到海上。2008 年大名鼎鼎的美国“独立”号濒海战斗舰下水，“独立”号舰长 127.6 米，舰宽 31.6 米，吃水深 4.3 米，其采用全铝合金建造，标准排水量 2176 吨，满载排水量2784 吨，是世界第一艘投入海军服役用于实战的三体军舰，至此，用于三体船实际应用于军事目领域。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U674.951;TP273

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