无人艇的喷水推进与航行控制设计研究

摘要

小型应急救援设备具有移动方便、前进阻力小等特点，对该类型设备的研究可以促进对水上救援的研究和发展，为人们提供安全救援保障，具有研究意义和应用价值。目前，与一些发达国家相比，国内厂家对该类型设备的研发设计仍有很大的差距。但无人艇设计所涉及的学科较多，故本论文将重点聚焦在无人艇的推进系统以及运动控制方法上。 为了更好研究上述重点，本文首先提出了救援无人艇的总体设计方案，完成了艇体以及控制功能等模块的设计;随后通过理论分析、数值模型及试验验证等方式，对喷水推进器的推力展开研究;接着建立了多推进双体船在波浪干扰下的三自由度非线性运动模型，对无人艇的航速航向开环控制展开分析;最后基于自适应滑模设计控制器，实现了在有界干扰和参数摄动情况下稳定地航行控制。具体内容如下: 1)从救援无人艇的工况和用途出发，提出了设计目标，确定了该无人艇的艇体方案设计，完成了控制系统功能模块的设计与选型。所设计的救援无人艇采用多喷水推进双体船形式，其控制功能模块包括操控中心模块、导航定位模块、通讯模块、能源管理模块等。 2)通过理论分析、数值建模及试验验证等方式，研究了电机转速和无人艇航速对喷水推进器推力的影响。建立推进器数值模型，通过对推进器进行系泊试验测得流量，验证了数值模型的准确性。分析了不同工况下推进器的推力，分析结果表明，随着无人艇航速的增加，喷水推进器的能量损失略有增加。以仿真数据集为基础，应用多元多项式的回归方法，得到不同工况下推进器推力拟合方程。 3)通过对无人艇进行受力分析，针对多推进、双体船等特点，建立多推进双体船在风浪干扰下的非线性运动模型，分析了不同环境下推力与航速、推力矩与角速度的关系。分析结果表明，在波浪干扰下，航速和艏摇角速度均不能达到稳定，且波动百分比随合推力/合力矩增加而逐渐减小;当回转力矩存在时，无论是否存在波浪干扰力，实际航速追踪设计航速的速度都会变慢。 4)围绕欠驱动运动系统的航速航向控制展开研究。在航速控制方面，分别基于滑模和自适应滑模设计航速控制器，分析了航速跟踪性能;结果表明，两者均可实现航速追踪，但后者的速度较快，航速保持时，能耗较少。在航向控制方面，分别基于反步法和反步自适应滑模设计航向控制器;分析表明，两者均能实现航向跟踪，但后者具有航向追踪能力快，且合力矩幅度变化小，能耗小。 5)建立航速航向综合控制系统，分别从定航速定航向及定航速变航向两个角度，分析了航速航向的非线性耦合作用对追踪能力和瞬态响应的影响;结果表明，综合控制已较好完成对固定航速和航向的追踪;通过推进器推力的快速变化，仍能实现对固定航速的保持和变化航向的追踪。

目录

声明

致谢

摘要

1．1课题的背景及意义

1．2国内外研究综述

1．2．1船用喷水推进器推进性能研究概况

1．2．2无人艇运动控制研究概况

1．3课题存在的技术难点

1．4课题的主要研究内容

2．1引言

2．2救援无人艇的设计目标

2．2．1功能实现

2．2．2设计技术要求

2．3无人艇艇体的方案设计

2．3．1艇型的选择与设计

2．3．2艇体材料的选择

2．4无人艇控制功能模块的方案设计

2．4．1操控中心模块

2．4．2导航定位模块

2．4．3推进系统与执行模块

2．4．4通讯模块

2．4．5能源管理模块

2．5无人艇电机驱动电路设计

2．6本章小结

3．1引言

3．2喷水推进器的推力分析

3．2．1喷水推进器的结构与原理

3．2．2喷水推进器的推力分析

3．3喷水推进器推进性能数值模型

3．3．1喷水推进器模型的建立

3．3．2计算域与网格划分

3．3．3边界条件设定

3．3．4计算工况

3．4喷水推进器数值模型的试验验证

3．4．1喷水推进器系泊试验设置

3．4．2喷水推进器试验结果与性能分析

3．5喷水推进器推力拟合

3．6本章小结

4．1引言

4．2坐标系统的建立与船舶运动模型的选择

4．2．1坐标系统的建立及坐标间相互转换

4．2．2 船舶运动模型的选择

4．3多推进双体船的空间运动水动力分析

4．3．1非线性惯性类水动力和力矩分析

4．3．2非线性粘性类水动力和力矩分析

4．4波浪干扰的数学模型建立

4．4．1波面模型

4．4．2波浪力和力矩模型

4．5多推进双体船三自由度的操纵模型建立

4．5．1风浪干扰下的双体船操纵模型建立

4．5．2双体船开环控制特性分析

4．6本章小结

5．1引言

5．2无人艇的控制结构组成

5．2．1无人艇航速航向的数学模型

5．2．2无人艇的推力分配原则

5．3基于自适应滑模的航速控制器的设计

5．3．1滑模航速控制器设计

5．3．2自适应滑模航速控制器设计

5．3．3仿真结果与分析

5．4基于自适应滑模的航向控制器的反步设计

5．4．1航向控制器的反步设计

5．4．2自适应滑模航向控制器的反步设计

5．4．3仿真结果与分析

5．5航速航向的综合控制

5．5．1航速航向综合控制器设计

5．5．2仿真结果与分析

5．6本章小结

6．1论文研究工作总结

6．2工作展望

参考文献