机动浮标在波浪增阻干扰下的航行控制方法研究

发布时间：2020-07-31 12:03

【摘要】：目前,由于海洋浮标在搜集海洋水质水文以及气象资料和执行反潜任务、搜集敌方情报等方面起着不可替代的作用,而逐渐成为许多国家研究的热点。本文的研究对象是一种与传统的无动力海洋浮标不同的机动浮标,其自身装载有推进装置,在执行自守位测量任务时能够依靠自身的动力保持在测量位置附近。机动浮标装备的供电设备是可充式锂电池组,提供的能量是有限的。因此,设计有效的控制系统与控制算法来减少能量损耗,提高航行效率具有实际工程应用意义。波浪增阻是造成机动浮标续航能力减弱的重要因素之一。本文针对机动浮标在近水面航行时的波浪增阻问题展开研究。首先建立机动浮标在近水面波浪影响下的水动力模型,然后研究产生波浪增阻的机理,最后通过设计机动浮标近水面航行路径规划算法和运动控制器来提升机动浮标自守位航行运动效率。具体研究工作如下:首先,根据机动浮标的外型结构设计及工作状态的特点,建立机动浮标的数学模型。通过对机动浮标的运动状态分析,简化数学模型,最终建立了水平面三自由度数学模型,用于设计航向控制器。此外,还建立了机动浮标横摇、垂荡、纵摇运动的数学模型,用于分析机动浮标近水面运动的实时海浪干扰预报。其次,通过对一般水面船的波浪增阻计算方法的研究,结合机动浮标的外形结构,总结出符合机动浮标的波浪增阻计算方法。使用MAXSURF软件,建立机动浮标三维模型,在不同海况和遭遇角的条件下进行仿真验证。通过对仿真数据分析,确立了波浪增阻与遭遇角之间的关系,使用最小二乘法拟合了波浪增阻与遭遇角的关系曲线并给出二者之间的函数表达式。通过研究机动浮标在静水中的阻力,结合在波浪干扰中的增阻,给出机动浮标在波浪干扰下的速度损失表达式。然后,根据建立的机动浮标横摇、垂荡、纵摇运动的数学模型,通过MATLAB仿真获取相对应运动的时间序列和RAO数据。采用MAR模型法获取相对应运动的交叉谱,结合交叉谱和RAO数据得到了机动浮标在两种海况下的实时海浪方向谱。并通过与实际海浪功率谱进行对比分析,验证了所得到的海浪方向谱的准确性。最后,针对机动浮标低能耗自守位航行的问题提出一种新的路径规划方法。通过设置虚拟节点,使用A*算法来规划机动浮标自守位航行能量消耗最少的路径。设计模糊PD航向控制器在不同海况下进行仿真验证。通过对比分析路径规划之前与规划之后的仿真数据。验证了采用A*算法规划能量消耗最优路径的有效性。
【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】：P715.2
【图文】：

浮标,气象,海洋浮标

第 1 章绪论第 1 章绪论1.1 课题的研究背景和意义我国拥有长达约 1.8 万千米的海岸线，有着广袤的海洋开发领域。为了充分利用和开发海洋资源，就需要知道相关海域的水文水质气象资料，因此海洋浮标应运而生。如图 1.1 所示的气象监测浮标和图 1.2 所示的水文水质监测浮标。随着国际形势的发展，近年来，我国南海领土争端问题严重威胁着我国的国土安全。海洋浮标也因此应用到军事上，用来执行反潜任务，搜集敌方情报等。目前，海洋浮标逐渐向着多功能、多应用的方向不断发展。海洋浮标与卫星、探测船、潜航器等高科技设备，共同组成了现代海洋环境的监控系统[1]。

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图 1.3 反潜巡逻机投掷声呐浮标图 1.4 锚定型浮标针对以上各类型的浮标存在的问题，哈尔滨工程大学自动化学院北飒所研制出一种新型机动浮标。该浮标装备有推进系统，可以依靠自身推进系统在近水面航行，不采用系留索装置也能自动保持在需要测量的位置附近，执行自守位测量任务。同时，该型号浮标可以搭载不同的水声测量装备进行测量任务。还可以将多个该型号浮标同时布放进行协同工作，在不确定的海洋环境干扰下，保持稳定的测量阵型。本课题以机动浮标为研究对象，根据实际湖上试验和海上试验遇到的情况，针对机动浮标在近水面航行时产生波浪增阻的问题展开研究。通过分析其在近水面航行时产生波浪增阻的根本原因，讨论机动浮标在波浪增阻干扰下的航速损失以及航行控制问题，设计机动浮标近水面航行路径规划算法和运动控制器来提高机动浮标自守位航行效率。1.2 国内外海洋浮标研究现状海洋浮标是进行海洋观测的一种有效方法之一，是当前搜集海洋资料信息的重要途径。此外，海洋浮标也逐渐向军事应用的方向快速发展，成为反潜战争中的重要组成部分。下面分别介绍国内外海洋浮标的研究现状。

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