[发明专利]一种基于转差转速双驱动与升力匹配模式的全垫升气垫船控制方法

说明书

本发明公开了一种基于转差转速双驱动与升力匹配模式的全垫升气垫船控制方法，通过控制升力空气螺旋桨转速来控制航行摩擦力，通过控制推力空气螺旋桨来控制水平推力与水平角动量。本发明让气垫船所有的运动矢量都处于有效地控制之中，解决了传统全垫升气垫船航向及速度难以控制、角速度易失控而发生强烈自旋的问题，显著提高了全垫升气垫船航行安全性。

技术领域

本发明涉及全垫升式气垫船控制技术领域，特别是一种基于转差转速双驱动与升力匹配模式的全垫升气垫船控制方法。

背景技术

众所周知，全垫升气垫船是一种利用特殊船体结构在船底产生足够的空气净升压力，并在其支撑下进行航行的高性能船舶。由于全垫升气垫船船体与水面被隔离开来，大大减少了水面阻力，因此其具有高速性、两栖性的特点。传统的气垫船航向操纵方式主要是在船舶空气推进装置后安装转向桨板或者专用空气舵等，实现对船舶航向的控制。当驾驶员需要调整航向时，通过操作空气桨板方向或空气螺旋桨朝向的方式，改变推力方向实现航向调整，空气螺旋桨本身的转速较为固定。然而，全垫升气垫船所受到的水面阻力大大减少，导致此类气垫船在用空气桨板和空气螺旋桨调整航向时，没有足够的转向力矩进行支撑，容易出现船体漂移的问题。并且，随着推力方向的改变与船体重心位置的变化，会出现迅速增大的转向扭矩造成难以控制的船体侧滑、水平角动量过大等失控现象；一旦发生角动量过大、侧滑等失控情况，现有气垫船缺乏快速制动手段。至今，全垫升气垫船依然被认为危险性较高的水面航行器，限制了它的进一步应用。因此，对全垫升气垫船的控制问题进行研究、优化，具有重要的工程应用价值。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种通过对升力空气螺旋桨的精确控制，控制航行摩擦力；通过对平衡对置的若干推力空气螺旋桨转速的精确控制，控制水平推力与水平旋转扭矩；通过内置的组合算法，实现升力、驱动力、自选扭矩的平衡，达到自动控制的效果。该设计为全垫升式气垫船提供了一种自收敛、自平衡的方向控制与航向保持方法，以解决气垫船航向难以控制的问题，降低航行风险的基于转差转速双驱动与升力匹配模式的全垫升气垫船控制方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于转差转速双驱动与升力匹配模式的全垫升气垫船控制方法，通过控制升力空气螺旋桨转速来控制航行摩擦力，通过控制推力空气螺旋桨来控制水平推力与水平角动量。

在启动和变向阶段，使用船首方向传感器获得当前船首方向D(t)和计划船首方向D_p；

设计速度PID控制模型，控制多个推力空气螺旋桨的转速，左右两侧的推力空气螺旋桨的转速分别为r_左、r_右，若干升力控制螺旋桨的转速r_升，根据已标定好的推力空气螺旋桨转速与推力关系，使船舶两侧推力空气螺旋桨的推力数值分别达到期望值F_左、F_右，使得气垫船克服摩擦力，获得加速度而逐步加速，通过PID控制模型逐步达到速度恒定，当发生当前速度远大于设定速度的时候，借助PID控制模型自动降低r_左、r_右，或者通过控制r_升来降低船体高度，提高船体与接触面的摩擦力F_摩来迅速降低运动速度，实现刹车效果；

设计方向PID控制模型，通过控制两个推力空气螺旋桨的转速差，得到对应的自旋动力，使船体获得转矩，开始自旋，逐步达到预设航向，当前自旋角速度出现过大趋势时，降低r_左、r_右之差消除转矩，或者通过控制r_升来降低船体高度，提高船体与接触面的摩擦力F_摩来迅速降低角速度，确保不发生失控；

循环执行上述步骤，直到控制船首朝向计划航向角度，运行速度达到设定的运动速度。

在航行阶段，利用船首向传感器获得当前船首向D(t)和计划船首向D_p；