一类艉机推进无人水面艇建模与验证

摘要

无人水面艇是在海洋环境下拥有自主航行能力，可以根据搭载多种功能模块完成特定使命的小型自主水面平台，在军事、水文测量、打捞救助等领域发挥着越来越重要的作用。区别于一般的大型船舶，无人水面艇艇体小、质量轻、速度快，易受风、浪、流等海洋环境的干扰。因此，面对复杂的海洋环境，建立适合的无人水面艇操纵运动数学模型，并准确的辨识其模型参数，是无人水面艇自主运动控制研究的重要内容之一。本文以大连海事大学“蓝信”号无人水面艇为研究对象，针对一类艉机推进的无人水面艇，对其操纵运动特性进行建模、辨识研究和实船验证。主要的研究内容有:
　　首先，建立无人水面艇运动参考坐标系，将其操纵运动数学模型分为运动学建模和动力学建模两部分，并建立了风、浪、流的环境干扰模型。针对无人水面艇的推进系统，通过对艉机推进系统和推进器推力的分析，建立了无人水面艇推进系统数学模型。
　　其次，建立了无人水面艇三自由度操纵运动模型，并采用分离模型的建模方法，结合一类艉机推进器结构特性，建立了描述“蓝信”号无人水面艇操纵运动控制输入输出关系的一、二阶线性响应模型和非线性响应模型，为模型参数辨识奠定理论基础。
　　最后，设计了“蓝信”号无人水面艇模型参数辨识与验证平台，采用递推最小二乘法的模型参数辨识方法，通过大量的实船操纵运动数据，对无人水面艇三自由度操纵运动模型和推进系统数学模型进行参数辨识，并对无人水面艇的线性响应模型和非线性响应模型的参数进行辨识。基于以上辨识的模型参数，搭建了蓝信号无人水面艇的操纵运动仿真平台，通过实船实验数据与模型仿真数据的比较和对操纵运动特性进行分析，验证了所建立的无人水面艇操纵运动数学模型和模型参数辨识的正确性，为无人水面艇控制仿真研究提供有效参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 无人水面艇研究的背景及意义

1．2 无人水面艇操纵运动建模研究进展

1．3 本文研究的内容及意义

第2章 无人水面艇操纵运动数学模型

2．1 “蓝信”号无人水面艇

2．2 无人水面艇运动学模型

2．2．1 无人水面艇参考坐标系

2．2．2 线性速度坐标转换

2．2．3 角速度坐标转换

2．3 无人水面艇动力学模型

2．3．1 无人水面艇刚体运动方程

2．3．2 流体动力和力矩

2．3．3 回复力和力矩

2．3．4 环境干扰建模

2．4 艉机推进器系统模型

2．4．1 推力减额系数的计算

2．4．2 伴流系数的计算

2．4．3 推力系数的计算

2．4．4 艉机操控模型

2．5 本章小结

第3章 无人水面艇三自由度模型与响应模型建模

3．1 无人水面艇三自由度数学模型

3．2 无人水面艇响应数学模型

3．2．1 作用于无人水面艇流体动力计算

3．2．2 流体动力线性化

3．2．3 线性响应数学模型

3．2．4 非线性响应数学模型

3．3 本章小结

第4章 “蓝信”号无人水面艇模型参数辨识平台

4．1 “蓝信”号无人水面艇平台

4．1．1 操纵控制系统

4．1．2 数据采集平台

4．2 基于递推最小二乘法的参数辨识

4．2．1 递推最小二乘算法的系统辨识

4．2．2 无人水面艇模型参数辨识

4．3 无人水面艇实船实验设计与数据采集

4．3．1 回转实验设计与数据采集

4．3．2 Z型实验设计与数据采集

4．4 本章小结

第5章 实船结果验证及操纵特性分析

5．1 参数辨识结果及验证

5．1．1 艉机推进系统模型参数及验证

5．1．2 三自由度模型参数及验证

5．1．3 Nomoto模型参数及验证

5．1．4 Norrbin模型参数及验证

5．2 无人水面艇运动特性分析

5．2．1 无人水面艇回转特性

5．2．2 无人水面艇Z型运动特性

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 存在的问题及展望

参考文献

致谢