气垫船安全航行运动预报与约束控制方法研究

发布时间：2020-09-14 09:25

　　随着科技的进步与不断的发展,陆地上的资源已经无法再满足人类的需求。海洋本身是拥有丰富资源的宝库,已经引起了人类的重视。随着对海洋探索的不断深入,普通型船舶的能力已无法承担所有的探索项目,所以出现了高性能船舶。气垫船正是高性能船舶,具有较高的航行速度、运输能力和环境适应力。全垫升气垫船的适用条件虽然比普通船舶普遍,但因其自身水动阻力小,使得在其高速航行时更易受到环境干扰力的影响。并且全垫升气垫船无法通过横倾产生的向心力进行回转,而且没有水下回转设备导致了其回转向心力不足,这都会导致气垫船回转半径增大。而复杂多变的航行海域条件和高速的航速,都会加大驾驶员的控制难度,容易导致侧滑、甩尾和翻船的危险情况。所以,关于气垫船的安全航行成为了一个重要的研究领域。本文以气垫船为研究对象,具体研究过程如下:首先,建立固定与运动坐标系。根据对某型气垫船的实验数据与参数建立数学模型。其中主要有全垫升气垫船动力学模型和环境海浪模型。动力学模型由水动力模型、空气动力模型、操纵面模型、气垫力模型等组成。通过对各部分数学模型组合,建立完整的六自由度气垫船模型,并通过仿真验证该模型的合理性。其次,考虑到气垫船航行中会受到自身系统和外界干扰的噪声影响,使得气垫船传感器测得的运动数据包含噪音,存在异常值。所以采用数据预处理方式剔除野值,并使用改进后的小波阈值函数滤除噪声,平滑数据。采用实测数据仿真验证该方法的有效性。再次,采用集成预测方法对气垫船运动数据进行预测,本文采用了灰色系统理论和改进Elman神经网络相结合的集成预测方法。通过仿真实验证明,该方法可以准确的对气垫船航行中的运动数据进行预测。最后,针对气垫船的安全航行问题,对其运动参数提出约束、设定安全限界。将气垫船模型进行简化,并基于该模型设计滑模控制器,将该控制器与集成预测模型相结合,实现对气垫船的约束控制,提升其安全航行性。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U674.943;U676.1
【部分图文】：

气垫船,俄罗斯,美国,战略物资

第 1 章绪论为推进器，航速可以达 70 节，货物载重量为 60 吨。作海军已经拥有了 91 艘，并且在日本地区还布置了 6 艘美国海军仅仅使用了 20 艘气垫登陆船、55 航次，就将的战略物资运送上岸，充分体现了气垫船在登陆战斗里然在不遗余力的进行新型号气垫船的开发，已经将新概以上，同时提出了用与扫雷、反潜护航、导弹发射、冰

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除了气垫船的控制方式外，控制过程中的控制器和导引算法也同样重要Koichi OSUKA 提出采用多节控制，并成功改善垫升系统控制效果。同时，他讨了将协调控制应用于气垫船，减小了气垫船各个组成部分间的影响，提升了可控制性[42; 43]。Antrjnio Pedro Aguiar 等人提出采用反步法设计控制环节，并证对曲线路径的跟踪控制[44]。2002 年，Hebertt Sira-Ramirez 则使用二阶动态滑自抗扰控制两种方式对气垫船进行操纵，仿真实验证明了这两种方法的有效性现气垫船的稳定航迹控制[45]。2003 年，Antonio Pedro Aguiar 再一次的使用了器，并使用自抗扰与之相结合。在完成了气垫船的仿真实验基础上，成功的降扰动对气垫船稳定性的影响[46]。2011 年 M.M.EI-khatib 在气垫船航迹控制环节控制方法，实现气垫船的航迹控制与避障[47]。2015 年 Gerasimos 等人通过选择原理方法，构建了无导数非线性卡尔曼滤波器这一新的滤波器。成功的解决了静态反馈线性化的问题，实现了气垫船稳定的航迹控制[48]。国内方面，对于气迹控制也同样进行深入的研究。1995 年吴瀚声等提出专家控制系统，该方法可对气垫船进行升沉控制，提升了气垫船的稳定性[49]。2005 年黄勇、边信黔等模糊控制策略相组合，完成气垫船的航向控制[50]。2011 年施小成等人采用遗

气垫船,全垫升气垫船,海平面,基准点

第 2 章全垫升气垫船运动数学模型第 2 章全垫升气垫船运动数学模型描述气垫船本身的结构原理与航行特点，导致其船模与传统船舶模型不垫升气垫船模型。传统情况中，一般的水面舰艇的水平方向的控制数学模型。但是因为气垫船可能存在由侧滑导致的翻船情况等危险倾状态进行研究。并且在气垫船适航性方面，需要对其纵向的升沉在本章将创建全垫升气垫船的六自由度数学模型。升气垫船运动学数学模型定坐标系及运动坐标系

【参考文献】