喷水推进无人艇六自由度运动建模与仿真研究

摘要

水面无人艇（Unmanned Surface Vehicle，简称USV）是一种无人操作且具备自主航行能力的水面舰艇，具有高智能性、航速快、航程远、机动性强和隐蔽性好等优点。近年来，各国政府和研究机构出于对周边海域的军事、商业和科研方面的需要，加大了对无人艇相关技术的研发力度。但是，由于无人艇动态特性的非线性、随机性、高阶性、强耦合性和易受环境影响等特点，大大增加了对其研发工作的难度和危险性。因此，为了使研究者能够准确地预测和掌握无人艇的操纵运动特征，对无人艇本身的运行特性进行研究并建立相应的无人艇运动数学模型显得尤其重要，同时，也具有重要的实际应用价值。
　　本文在总结前人的船舶运动数学模型和无人艇运动的研究成果的基础上，并结合实船试验数据，对某机构研发的9米喷水推进无人艇的六自由度运动建模与仿真进行了研究，并做出了如下工作:
　　1.分析无人艇的运动学和动力学特征，讨论作用在无人艇上的各种力和力矩的计算方法，并根据MMG（船舶操纵运动数学模型研讨小组）建模思想，建立无人艇六自由度运动数学模型。首先，针对无人艇水动力受力特点，对其进行了受力分析，按照受力性质，将实际海况中无人艇的受力分为重力、喷水推进力、流体水动力和环境干扰力。然后，针对流体水动力进行了深入地研究和讨论，提出了将艇体所受的水动压力和水动阻力合并为水动压阻合力来统一计算，并利用理论公式和试验数据拟合方法，给出了各项水动力的数学模型。介绍了喷水推进器的结构和原理，根据动能定理和动量定理，给出了喷水推进力模型，并提出了流量分析法，得到了喷水口偏角和倒车斗开合度对推进力的影响。最后，根据MMG分离机理建模思想，将各模型组合为完整的喷水推进无人艇六自由度运动数学模型。
　　2.根据某喷水推进无人艇的船体参数，在Matlab/Simulink中建立相应的无人艇仿真运动模型，并利用实船海测数据，对模型进行验证。首先对无人艇进行介绍，并给出主要船体参数。然后，在上述数学模型的基础上，利用Matlab/Simulink工具建立无人艇运动仿真模型，并按照实船海测的试验流程进行仿真实验。最后，通过将仿真结果与实船海测数据进行比较，吻合度很好，验证了本文建立的数学模型的有效性和准确性。
　　3.在上述验证仿真实验的基础上，对该模型进行了多种运动状况的仿真实验，包括:直航变速运动、主动制动/倒车运动、全速域回转运动和环境干扰力影响下的运动仿真实验，并根据无人艇的运动学和动力学原理，对其六个自由度运动状态的仿真结果进行分析。分析表明:该模型的仿真结果与理论相符，与实际相近，可用于无人艇的运动性能特性的计算与预报。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 无人艇的研究现状

1．2．1 国外无人艇的研究现状

1．2．2 国内无人艇的研究现状

1．3 无人艇的艇型选择

1．4 滑行艇动力特性与运动建模的研究概述

1．5 本文研究的主要内容

第2章 无人艇运动非线性数学模型

2．1 概述

2．2 无人艇的运动特点及受力分析

2．2．1 滑行艇的结构和运动特点

2．2．2 滑行艇的受力分析

2．3 无人艇六自由度运动非线性数学模型的建立

2．3．1 参考坐标系与符号定义

2．3．2 无人艇六自由度空间运动方程

2．3．3 无人艇六自由度运动数学模型的结构

2．3．4 无人艇六自由度运动数学模型的计算公式

2．4 本章小结

第3章 无人艇运动模型的实现与验证

3．1 研究对象的主要参数

3．2 无人艇运动仿真模型的实现

3．2．1 运动模型中各运动状态参量的积分计算

3．2．2 无人艇运动仿真模型的建立

3．3 无人艇运动仿真模型的仿真验证

3．3．1 直航运动仿真验证

3．3．2 启动＼制动运动仿真验证

3．3．3 回转运动仿真验证

3．4 本章小结

第4章 无人艇运动模型的仿真与分析

4．1 无人艇全速域直航变速运动仿真与分析

4．1．1 低速域至中速域直航变速运动

4．1．2 中速域至高速域直航变速运动

4．1．3 低速域至高速域直航变速运动

4．2 无人艇主动制动／倒车运动仿真与分析

4．2．1 油门推量50％时主动制动／倒车运动

4．2．2 油门推量90％时主动制动／倒车运动

4．3 无人艇全速域回转运动仿真与分析

4．3．1 油门推量30％时变舵角回转运动

4．3．2 油门推量60％时变舵角回转运动

4．3．3 油门推量90％时变舵角回转运动

4．4 环境干扰力影响下的无人艇运动仿真与分析

4．4．1 环境风干扰力影响下的无人艇运动仿真与分析

4．4．2 环境浪干扰力影响下的无人艇运动仿真与分析

4．4．3 环境流干扰力影响下的无人艇运动仿真与分析

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢