无人艇的喷水推进与航行控制设计研究

发布时间：2020-06-30 10:17

【摘要】：小型应急救援设备具有移动方便、前进阻力小等特点,对该类型设备的研究可以促进对水上救援的研究和发展,为人们提供安全救援保障,具有研究意义和应用价值。目前,与一些发达国家相比,国内厂家对该类型设备的研发设计仍有很大的差距。但无人艇设计所涉及的学科较多,故本论文将重点聚焦在无人艇的推进系统以及运动控制方法上。为了更好研究上述重点,本文首先提出了救援无人艇的总体设计方案,完成了艇体以及控制功能等模块的设计;随后通过理论分析、数值模型及试验验证等方式,对喷水推进器的推力展开研究;接着建立了多推进双体船在波浪干扰下的三自由度非线性运动模型,对无人艇的航速航向开环控制展开分析;最后基于自适应滑模设计控制器,实现了在有界干扰和参数摄动情况下稳定地航行控制。具体内容如下:1)从救援无人艇的工况和用途出发,提出了设计目标,确定了该无人艇的艇体方案设计,完成了控制系统功能模块的设计与选型。所设计的救援无人艇采用多喷水推进双体船形式,其控制功能模块包括操控中心模块、导航定位模块、通讯模块、能源管理模块等。2)通过理论分析、数值建模及试验验证等方式,研究了电机转速和无人艇航速对喷水推进器推力的影响。建立推进器数值模型,通过对推进器进行系泊试验测得流量,验证了数值模型的准确性。分析了不同工况下推进器的推力,分析结果表明,随着无人艇航速的增加,喷水推进器的能量损失略有增加。以仿真数据集为基础,应用多元多项式的回归方法,得到不同工况下推进器推力拟合方程。3)通过对无人艇进行受力分析,针对多推进、双体船等特点,建立多推进双体船在风浪干扰下的非线性运动模型,分析了不同环境下推力与航速、推力矩与角速度的关系。分析结果表明,在波浪干扰下,航速和艏摇角速度均不能达到稳定,且波动百分比随合推力/合力矩增加而逐渐减小;当回转力矩存在时,无论是否存在波浪干扰力,实际航速追踪设计航速的速度都会变慢。4)围绕欠驱动运动系统的航速航向控制展开研究。在航速控制方面,分别基于滑模和自适应滑模设计航速控制器,分析了航速跟踪性能;结果表明,两者均可实现航速追踪,但后者的速度较快,航速保持时,能耗较少。在航向控制方面,分别基于反步法和反步自适应滑模设计航向控制器;分析表明,两者均能实现航向跟踪,但后者具有航向追踪能力快,且合力矩幅度变化小,能耗小。5)建立航速航向综合控制系统,分别从定航速定航向及定航速变航向两个角度,分析了航速航向的非线性耦合作用对追踪能力和瞬态响应的影响;结果表明,综合控制已较好完成对固定航速和航向的追踪;通过推进器推力的快速变化,仍能实现对固定航速的保持和变化航向的追踪。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U664.82
【图文】：

图２．１救援无人艇的布置示意图逡逑双体船一般由两个平行、对称布置并且线型相同的片体俎合在一起构成的。逡逑片体间的中心距离为２Ｃ０邋（见图２．２），片体内侧设计水线距离为Ｃ。所以该船体逡逑的两个片体宽度５小于船体的水面总宽度５0。逡逑逦逦逡逑ｊ逡逑，副跚．一＇Ｍｉｈｒｉ逡逑Ｐ逡逑Ｌ邋２Ｃ０逦＾逡逑—逦Ｂ0逦＾逡逑图２．２片体对称布局的双体船逡逑佛劳德数是水的惯性力与重力的比值，用来判断水流的流动状态。本课题采逡逑用圆舭方尾的ＮＰＬ船型作为该救援无人艇的母型［５６］，如果考虑快速性，当佛劳逡逑德数巧＞０．３时，选用双体船具有较好的优势；当佛劳德数Ｋ＝（Ｕ５？０．２８时，两逡逑种船型的性能相似；当佛劳德数尺＜０．２３时，单体船的性能则优于双体船。所以逡逑航行速度越快，双体船的优势越能突显出来。与此同时，当航速较低时，双体船逡逑片体之间形成的兴波干扰较为严重。有研究表明：当佛劳德数［＝０．４？０．７之间时，逡逑侧体间的兴波干扰使得双体船的纵倾角角度较大

逡逑图２．１救援无人艇的布置示意图逡逑双体船一般由两个平行、对称布置并且线型相同的片体俎合在一起构成的。逡逑片体间的中心距离为２Ｃ０邋（见图２．２），片体内侧设计水线距离为Ｃ。所以该船体逡逑的两个片体宽度５小于船体的水面总宽度５0。逡逑逦逦逡逑ｊ逡逑，副跚．一＇Ｍｉｈｒｉ逡逑Ｐ逡逑Ｌ邋２Ｃ０逦＾逡逑—逦Ｂ0逦＾逡逑图２．２片体对称布局的双体船逡逑佛劳德数是水的惯性力与重力的比值，用来判断水流的流动状态。本课题采逡逑用圆舭方尾的ＮＰＬ船型作为该救援无人艇的母型［５６］，如果考虑快速性，当佛劳逡逑德数巧＞０．３时，选用双体船具有较好的优势；当佛劳德数Ｋ＝（Ｕ５？０．２８时，两逡逑种船型的性能相似；当佛劳德数尺＜０．２３时，单体船的性能则优于双体船。所以逡逑航行速度越快，双体船的优势越能突显出来。与此同时，当航速较低时，双体船逡逑片体之间形成的兴波干扰较为严重。有研究表明：当佛劳德数［＝０．４？０．７之间时

【参考文献】

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本文编号：2735196