全垫升气垫船路径跟随控制方法研究

发布时间：2020-10-14 23:31

　　 全垫升气垫船作为高性能船舶的一种,以空气舵和空气螺旋桨作为操纵装置,通过向气垫围裙中补充气体,使其供给静态压力支撑船体。全垫升气垫船在两栖性与快速性方面表现良好,可以在浅滩、沼泽等特殊环境快速航行,具有广阔的发展前景与应用需要。相较于常规水面船舶,气垫船没有水下回转构件,船体几乎悬浮于水面之上,在进行路径跟随行驶过程中,没有构件提供足够的回转向心力,而且受到空气阻力的影响较大,导致其操纵难度大,易于产生侧滑,严重时甚至引发事故。因此,设计一款安全可靠的气垫船路径跟随控制系统具有必要性与研究价值。本文围绕气垫船路径跟随这一核心,从建立运动数学模型、规划航行运动路径、引导跟随规划路径、设计跟随控制器等方面进行研究,研究内容主要包含为以下四个方面:首先,为满足路径跟随问题研究的需要,运用模块化建模的思想,对气垫船船体构件进行深入分析建模,根据力学原理,将空气动力、水动力、螺旋桨、空气舵等模块进行矢量合成,最终建立四自由度运动数学模型。另外建立海风模块,引入环境干扰,模拟实际海况。最后,针对所建立的气垫船运动数学模型,进行操纵性仿真实验,分析验证其正确性。其次,针对气垫船航路规划问题,通过对Dijkstra算法原理的研究,分析其操作步骤与算法优缺点,结合蚁群算法,设计出蚁群-Dijkstra优化算法,在模拟海面障碍物的条件下,进行航路规划。再次,结合最短规划路径,对引导跟随路径问题进行研究,在常规LOS导引法的基础上,进行优化设计与改进,提出可以对航迹偏差积分的前视视线导引法,设计滑模控制器,对前视LOS导引法引导跟随路径效果进行仿真分析,为设计控制器方法的深入研究提供基础。最后,针对路径跟随控制器设计方法进行研究,根据对滑模控制方法的理论分析与应用研究,引入非奇异快速终端滑模控制方法,实现在有限时间内航迹快速收敛于规划路径。考虑气垫船海上航行的实际情况,针对外部环境干扰,结合扰动观测器,提出基于扰动观测器的非奇异快速终端滑模的控制方法,实现对干扰的有效观测与补偿,并且通过Lyapunov稳定性理论对所提出的控制器设计方法进行稳定性验证,确保设计的安全性与合理性。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U674.943
【部分图文】：

对较短的方法策略，有着尤为重要的作用与意义。现状的频繁应用以及应用区域的广阔，其理论研究试验以气垫船、运动数学模型和航行控制技术等方面的研概况方面的典型船舶，气垫船最初发展要回溯于英国造船是在船舶航行建造方面，英国造船行业人员以及研凡影响力和前瞻性。早在 1953 年英国工程师 Christo的周边射流理论。该理论对气垫船产设计基础起到奠，气垫船实验模型首次出现于世人眼前。此后，第一完成了穿越英吉利海峡的壮举，这对于气垫船的发

第 1 章 绪论具有实用性。到上世纪 70 年代末期，由于气垫船技术定性问题，气垫船开始进入量产阶段。由于大量气垫船气垫船固定航线，进行民用方面载人载物，具有了经济已发展建造多种气垫船应用于不同方面。在护航运输雷艇以及拥有 193m 声呐的 BH.7 猎雷艇。在中型吨位登陆艇，还装备了 BH7 型气垫艇，其拥有良好的反潜用运输方面，世界最大气垫船渡船“SRN4-MK3”就在运输效率高。

图 1.2 英国 Griffon8000 TD 型气垫船大国，美国在气垫船上的造诣独树一帜。在气垫船研普遍不热衷于乘坐短途高速水面舰艇，而偏向于长途此美国对其的研究大部分应用在军事上。由于美国拥底蕴浓厚，美国在军用气垫上的进展非常迅速。
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本文编号：2841353