面向湖泊监测的无人帆船控帆策略研究

发布时间：2021-04-24 03:10

　　针对我国目前湖泊水体污染严重,水体动态参数监测手段不足的现状,本文以面向湖泊监测的无人帆船为研究对象,以无人帆船对湖泊水体环境的自主监测为研究目的,通过理论、仿真和试验相结合的方法,对执行湖泊水质监测任务时常见的虚拟锚定工况和巡航工况开展风帆控制策略改进研究。首先,完成面向湖泊监测的无人帆船设计。采用母型船放缩法确定目标船型平台主尺度,并采用MAXSURF软件进行船舶型线设计和稳性分析,确保无人帆船满足在9m/s风速以下横倾角小于15°等航行要求:基于风帆修形设计法设计目标风帆的关键特性参数;搭建硬件电路系统,形成以STM32F103ZET6为控制器,集风向风速传感器、姿态及位置传感器、无线通信模块以及太阳能发电单元等多模块为一体的硬件控制系统。为风帆控制策略试验验证提供了可靠的试验基础。其次,完成目标风帆空气动力特性研究。采用STAR-CCM+软件对目标风帆进行数值模拟,获得目标风帆升力系数和阻力系数,并结合帆船受力分析结果进行联合评判,建立最大助推力下风帆攻角控制策略,提出25°～180°相对风向角范围为目标帆船可航行区域。为搭建帆船运动模型和对比试验奠定基础。再次,针对无人帆船执... 

【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校

【文章页数】：90 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 选题背景和意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 湖泊监测技术发展
        1.2.2 无人帆船控制技术发展
    1.3 主要研究内容和技术路线
        1.3.1 主要研究内容
        1.3.2 研究技术路线
2 面向湖泊监测的无人帆船设计与实现
    2.1 面向湖泊监测的无人帆船设计指标
    2.2 平台机构设计
        2.2.1 风帆动力装置
        2.2.2 船体设计
        2.2.3 船舵选型
        2.2.4 机构制作与实现
    2.3 控制系统硬件电路设计
        2.3.1 控制系统硬件架构
        2.3.2 器件选型
        2.3.3 主要功能模块电路设计
    2.4 小结
3 目标风帆空气动力特性研究
    3.1 风帆空气动力特性理论分析
        3.1.1 风帆受力理论分析
        3.1.2 风帆攻角控制策略分析
    3.2 目标风帆空气动力性能计算
        3.2.1 控制方程
        3.2.2 近壁处理
        3.2.3 计算模型
        3.2.4 目标风帆数值模拟结果
    3.3 目标风帆最大助推力下风帆攻角计算
    3.4 小结
4 虚拟锚定及巡航工况下的风帆攻角控制策略研究
    4.1 无人帆船运动数学模型及仿真模型
        4.1.1 运动数学模型
        4.1.2 运动仿真模型
        4.1.3 模型验证
    4.2 虚拟锚定工况风帆攻角控制策略研究
        4.2.1 虚拟锚定工况的评价指标分析
        4.2.2 最小回转直径指标下的风帆攻角控制策略
    4.3 巡航工况风帆攻角控制策略研究
        4.3.1 巡航工况的评价指标分析
        4.3.2 最大航速指标下的风帆攻角控制策略
    4.4 小结
5 无人帆船控帆策略试验研究
    5.1 试验总体方案设计
    5.2 试验坐标系规定
    5.3 无人帆船航行对比测试试验
        5.3.1 虚拟锚定工况下回转航行对比测试试验
        5.3.2 巡航工况下定航向航行对比测试试验
    5.4 小结
6 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
附录A 船体稳性计算
附录B 风帆特性参数对气动性能影响规律
附录C 无人帆船定航向航行对比试验轨迹
致谢
作者简历及攻读硕士学位期间的科研成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于速度选择切换型视线法的无人帆船循迹航行[J]. 袁鹏,徐泓燊,张雪飞,谭俊哲,王树杰,惠文海.  中国舰船研究. 2020(01)
[2]我国高分辨率卫星在湖泊监测和保护中的应用[J]. 孙亚勇,马建威,黄诗峰.  卫星应用. 2019(11)
[3]基于模糊PID的无人帆船航向控制方法[J]. 张雪飞,袁鹏,谭俊哲,王树杰,徐泓燊,孙烨.  中国舰船研究. 2019(06)
[4]输入受限的非仿射无人帆船航向系统自适应动态面控制[J]. 沈智鹏,邹天宇,郭坦坦.  控制理论与应用. 2019(09)
[5]均匀风下帆船的操纵可控区[J]. 张圆,沈智鹏.  大连海事大学学报. 2019(01)
[6]无人帆船研究现状与展望[J]. 俞建成,孙朝阳,张艾群.  机械工程学报. 2018(24)
[7]水质监测无人船路径规划方法研究[J]. 吕扬民,陆康丽,王梓.  智能计算机与应用. 2019(01)
[8]基于CFD技术的无人帆船控帆策略研究[J]. 秦广菲,李鑫,刘如磊,董立佳.  科技创新与应用. 2018(33)
[9]中国湖泊环境治理与保护的思考[J]. 郑丙辉.  民主与科学. 2018(05)
[10]无人帆船长途路径规划研究[J]. 杜明树,许劲松.  船舶工程. 2018(04)

博士论文
[1]风翼—柴油机混合动力船舶运动控制研究[D]. 王迪.大连海事大学 2018

硕士论文
[1]基于无人船的湖泊水质监测布局优化[D]. 徐俊.广西大学 2019
[2]110尺双体帆船方案设计研究[D]. 张洋.大连理工大学 2019
[3]无人帆船路径规划研究[D]. 康梦萁.上海交通大学 2016
[4]无人帆船循迹航行的控制研究[D]. 王倩.上海交通大学 2015
[5]大型远洋风帆助航船舶航向控制系统设计及仿真研究[D]. 王国刚.武汉理工大学 2013
[6]玻璃钢船体方案设计系统研究[D]. 王勇.哈尔滨工业大学 2012



本文编号：3156556