水面无人艇的建模与运动特性仿真
发布时间：2021-11-24 01:42
水面无人艇（Unmanned Surface Vehicle）的航迹控制对提升无人艇艇载设备侦察观测效果以及多任务作战能力具有十分重要的意义。由于受到风、浪、流等干扰环境影响,水而无人艇将产生六自由度的操纵运动,具有很强的非线性和随机性。这将致使无人艇的航向航迹及姿态控制具有一定的难度,因此需要对水面无人艇建立六自由度操纵模型,更好地实现对无人艇的控制。采用经典的MMG分离建模思想,依托浜本刚实提出的水平附体坐标系,建立水面无人艇的六自由度操纵运动方程。分析无人艇艇体、桨、舵所受的流动动力和力矩,分别建立流体惯性力模型、流体粘性力模型、螺旋桨推力模型及舵机模型。考虑海况和气象环境的影响,分析风、浪作用于无人艇上的干扰力。将随机风简化为定常风,建立风的干扰力数学模型；采用傅汝德-克雷洛夫（Froude-Krylov）假设,研究规则波中无人艇受到的干扰力,建立波浪的干扰力数学模型。在数学模型的基础上建立基于MATLAB/Simulink的仿真模型,并进行典型的回转试验,分别分析不同海况下的无人艇的回转情况。无人艇自主航行时,在不同海况下,绘制出其航速及艏摇角的变化曲线。通过总结分析,推论出...
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景和研究意义
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 国外无人艇研究现状
1.2.2 国内无人艇研究现状
1.3 系统数学模型分类
1.4 系统模型化过程及其仿真关系
1.5 本文主要内容
第2章 无人艇操纵运动数学模型
2.1 无人艇运动的坐标系统和运动学
2.1.1 坐标系统
2.1.2 无人艇运动方程式
2.1.3 运动参量的无因次化
2.2 作用于无人艇上的流体动力和力矩
2.2.1 作用于无人艇上惯性类流体动力和力矩
2.2.2 作用于无人艇上粘性类流体动力和力矩
2.3 螺旋桨及主机特性计算
2.3.1 有界形式的四象限螺旋桨工作特性
2.3.2 螺旋桨处推力减额系数和伴流系数的计算
2.3.3 螺旋桨工作特性曲线的解析形式
2.3.4 无人艇主机工作特性
2.4 作用于舵上流体动力和力矩
2.4.1 考虑无人艇、螺旋桨对舵的干涉时正压力FN的计算
2.4.2 舵有效来流速度及有效冲角的计算
2.4.3 舵力及力矩中其它舵系数计算
2.4.4 舵机特性计算模型
第3章 无人艇运动的干扰力数学模型
3.1 风的干扰力数学模型
3.1.1 作用于无人艇上的平均风压力和力矩计算
3.2 波浪干扰力数学模型
3.2.1 规则波的数学模型
3.2.2 波浪干扰力和力矩的计算
第4章 水而无人艇PID航向控制
4.1 PID控制原理
4.1.1 PID控制器的参数整定
4.2 PID航向控制仿真系统
第5章 水面无人艇模型运动特性仿真
5.1 水面无人艇仿真模型
5.2 仿真实验
5.2.1 无人艇旋回试验
5.2.2 无人艇PID航向控制
结论
参考文献
附录A 剩余阻力系数的回归公式的系数及幂次
附录B 螺旋桨推力和转矩Chebyshev多项式系数
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]船舶在风、流环境下的操纵性数字模型[J]. 于升杰,朱克强,赵金鹏,沈小龙,张亚,张长永. 舰船科学技术. 2013(01)
[2]水面无人艇发展与应用[J]. 李家良. 火力与指挥控制. 2012(06)
[3]船舶动力定位海洋环境的建模与仿真[J]. 施小成,王元慧. 计算机仿真. 2006(11)
[4]大风浪中船舶航向优选方法探讨[J]. 熊云峰,毛筱菲. 世界海运. 2005(01)
[5]风浪中舰船横浪及随浪稳性计算[J]. 蔡烽,张永胜,周波,侯建军,石爱国,杨宝璋. 航海技术. 2004(04)
[6]规则波浪中舰船操纵运动计算[J]. 朱军,庞永杰,徐玉如. 哈尔滨工程大学学报. 2004(01)
[7]螺旋桨特性四象限Chebyshev拟合式的建立与深潜艇直航全工况运动仿真的实现[J]. 李殿璞,王宗义,池海红. 系统仿真学报. 2002(07)
[8]Chebyshev Fitting Way and Error Analysis for Propeller Atlas across Four Quadrants[J]. LI Dian-pu, WANG Zong-yi, CHI Hai-hong College of Automation , Harbin Engineering University, Harbin 150001, China. Journal of Marine Science and Application. 2002(01)
[9]船舶在波浪中的操纵运动预报[J]. 范佘明,盛子寅,陶尧森,祝伟敏,於家鹏. 中国造船. 2001(02)
[10]多用途货船的操纵性预报计算[J]. 周昭明,盛子寅,冯悟时. 船舶工程. 1983(06)
硕士论文
[1]船舶运动建模与特性仿真研究[D]. 李修强.武汉理工大学 2010
[2]船舶运动的风浪影响建模与仿真研究[D]. 孙凌丽.哈尔滨工程大学 2010
[3]波浪中船舶六自由度操纵运动数值仿真[D]. 莫建.哈尔滨工程大学 2009
[4]船舶风流压差的仿真研究[D]. 张润涛.大连海事大学 2008
[5]港内低速时船舶舵效的研究[D]. 代如亮.大连海事大学 2007
[6]全回转式拖轮非线性建模与仿真[D]. 李同山.大连海事大学 2007
[7]风浪流环境中滑行艇操纵性研究[D]. 吉春正.哈尔滨工程大学 2007
[8]高速无人艇的建模与控制仿真[D]. 高双.哈尔滨工程大学 2007
[9]船舶电力推进装置仿真研究[D]. 高闽娟.上海海事大学 2006
[10]船舶在大风浪中非线性摇荡运动建模与仿真[D]. 李子富.大连海事大学 2004
本文编号：3515042
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景和研究意义
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 国外无人艇研究现状
1.2.2 国内无人艇研究现状
1.3 系统数学模型分类
1.4 系统模型化过程及其仿真关系
1.5 本文主要内容
第2章 无人艇操纵运动数学模型
2.1 无人艇运动的坐标系统和运动学
2.1.1 坐标系统
2.1.2 无人艇运动方程式
2.1.3 运动参量的无因次化
2.2 作用于无人艇上的流体动力和力矩
2.2.1 作用于无人艇上惯性类流体动力和力矩
2.2.2 作用于无人艇上粘性类流体动力和力矩
2.3 螺旋桨及主机特性计算
2.3.1 有界形式的四象限螺旋桨工作特性
2.3.2 螺旋桨处推力减额系数和伴流系数的计算
2.3.3 螺旋桨工作特性曲线的解析形式
2.3.4 无人艇主机工作特性
2.4 作用于舵上流体动力和力矩
2.4.1 考虑无人艇、螺旋桨对舵的干涉时正压力FN的计算
2.4.2 舵有效来流速度及有效冲角的计算
2.4.3 舵力及力矩中其它舵系数计算
2.4.4 舵机特性计算模型
第3章 无人艇运动的干扰力数学模型
3.1 风的干扰力数学模型
3.1.1 作用于无人艇上的平均风压力和力矩计算
3.2 波浪干扰力数学模型
3.2.1 规则波的数学模型
3.2.2 波浪干扰力和力矩的计算
第4章 水而无人艇PID航向控制
4.1 PID控制原理
4.1.1 PID控制器的参数整定
4.2 PID航向控制仿真系统
第5章 水面无人艇模型运动特性仿真
5.1 水面无人艇仿真模型
5.2 仿真实验
5.2.1 无人艇旋回试验
5.2.2 无人艇PID航向控制
结论
参考文献
附录A 剩余阻力系数的回归公式的系数及幂次
附录B 螺旋桨推力和转矩Chebyshev多项式系数
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]船舶在风、流环境下的操纵性数字模型[J]. 于升杰,朱克强,赵金鹏,沈小龙,张亚,张长永. 舰船科学技术. 2013(01)
[2]水面无人艇发展与应用[J]. 李家良. 火力与指挥控制. 2012(06)
[3]船舶动力定位海洋环境的建模与仿真[J]. 施小成,王元慧. 计算机仿真. 2006(11)
[4]大风浪中船舶航向优选方法探讨[J]. 熊云峰,毛筱菲. 世界海运. 2005(01)
[5]风浪中舰船横浪及随浪稳性计算[J]. 蔡烽,张永胜,周波,侯建军,石爱国,杨宝璋. 航海技术. 2004(04)
[6]规则波浪中舰船操纵运动计算[J]. 朱军,庞永杰,徐玉如. 哈尔滨工程大学学报. 2004(01)
[7]螺旋桨特性四象限Chebyshev拟合式的建立与深潜艇直航全工况运动仿真的实现[J]. 李殿璞,王宗义,池海红. 系统仿真学报. 2002(07)
[8]Chebyshev Fitting Way and Error Analysis for Propeller Atlas across Four Quadrants[J]. LI Dian-pu, WANG Zong-yi, CHI Hai-hong College of Automation , Harbin Engineering University, Harbin 150001, China. Journal of Marine Science and Application. 2002(01)
[9]船舶在波浪中的操纵运动预报[J]. 范佘明,盛子寅,陶尧森,祝伟敏,於家鹏. 中国造船. 2001(02)
[10]多用途货船的操纵性预报计算[J]. 周昭明,盛子寅,冯悟时. 船舶工程. 1983(06)
硕士论文
[1]船舶运动建模与特性仿真研究[D]. 李修强.武汉理工大学 2010
[2]船舶运动的风浪影响建模与仿真研究[D]. 孙凌丽.哈尔滨工程大学 2010
[3]波浪中船舶六自由度操纵运动数值仿真[D]. 莫建.哈尔滨工程大学 2009
[4]船舶风流压差的仿真研究[D]. 张润涛.大连海事大学 2008
[5]港内低速时船舶舵效的研究[D]. 代如亮.大连海事大学 2007
[6]全回转式拖轮非线性建模与仿真[D]. 李同山.大连海事大学 2007
[7]风浪流环境中滑行艇操纵性研究[D]. 吉春正.哈尔滨工程大学 2007
[8]高速无人艇的建模与控制仿真[D]. 高双.哈尔滨工程大学 2007
[9]船舶电力推进装置仿真研究[D]. 高闽娟.上海海事大学 2006
[10]船舶在大风浪中非线性摇荡运动建模与仿真[D]. 李子富.大连海事大学 2004
本文编号：3515042
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