[发明专利]一种适用于可回转多桨无人船的运动建模方法

说明书

本发明提出了一种适用于可回转多桨无人船的运动建模方法，根据船舶分离型运动建模方法，分析无人船在水面三自由度上的作用力，建立无人船动力学模型。通过略去Δu，v，r，δ二阶以上的量消除无人船在纵荡和横荡上与艏摇之间的耦合，对动力学模型进行化简；建立各螺旋桨的推力模型；合并各螺旋桨推力并化简，得到动力学模型中X_P、Y_P和N_P的具体表达式。由MMG方程推导出推进运动和回转运动响应方程。

技术领域

本发明涉及船舶运动模型领域，具体涉及一种适用于可回转多桨无人船的运动建模方法。

背景技术

在无人船运动建模的相关研究中，文献^[1]为了提高路径跟踪控制的性能，提出了一种不考虑角惯性矩阵和阻尼矩阵的更精确的USV模型。文献^[2]在传统三自由度运动模型的基础上，添加动态扰动项得到改进模型，并通过仿真实验验证了模型的有效性。文献^[3-4]均对可回转吊舱推进器对建立三自由度运动模型，对路径跟踪问题展开了研究。文献^[5-6]同根据MMG建模方法，分别对双推进双体无人船建立三自由度运动模型，且均通过路径跟踪控制验证了模型的有效性。但关于可回转四桨推进无人船运动控制的建模研究目前还不多。

为了提高无人艇的机动性和动力性，将具有推进和回转功能的可回转桨配备在无人艇上。然而，在可回转桨的作用下，无人船的推力力矩和转船力矩出现耦合情况，特别是在多桨的情况下，由于推力或者回转方向不一致，产生相互干扰，这对无人船的可靠控制带来了困难。为了获得这类配备可回转多桨推进无人船的高效、可靠和精确控制，有必要对其推进系统进行建模研究。

发明内容

本发明提出了一种适用于可回转多桨无人船的运动建模方法，根据船舶分离型运动建模方法，分析无人船在水面三自由度上的作用力，建立无人船动力学模型。通过略去Δu，v，r，δ二阶以上的量消除无人船在纵荡和横荡上与艏摇之间的耦合，对动力学模型进行化简，建立各螺旋桨的推力模型。合并各螺旋桨推力并化简，得到动力学模型中X_P、Y_P和N_P的具体表达式。由MMG方程推导出推进运动、回转运动响应方程。

主要包括以下步骤：

所述无人船为双体船，包含一个矩形搭载平台，船体左右两侧各有一个浮力装置，安装在矩形搭载平台的两条长边上；矩形搭载平台的两条短边各对称安装两个可回转桨；以静止状态下螺旋桨产生的推力方向为船艏向，船尾右舷为一号桨，左舷为二号桨；船首左舷为三号桨，右舷为四号桨；

步骤1，无人船受力分析

无人船在静水中的受力可表示为：

其中，下标H表示船体所受的水动力和力矩，下标P表示为推进器的水动力和力矩。对于可回转推进无人船来说，桨舵一体的推进器取代了传统船舶上的舵，下标H还可以理解为除推进器外的其它一切外力作用在船上的力和力矩，并可以表示为：

步骤2，建立简化的无人船动力学模型；

在船舶运动和控制领域，主要研究航向角和航行轨迹的变化，即船舶的水平面运动。对于无人船来说，垂荡、纵摇和横摇运动对水平面内的运动影响很小，可以忽略不计，从而只考虑在纵荡、横荡和艏摇三个自由度上的运动。根据MMG建模方法，无人船运动方程可以表示为：

其中，m为无人船质量，I_z为Gz轴的转动惯量，F_x，F_y和M_z可表示为：