基于自由自航数据的无人帆船动力学模型系统辨识

基于一艘无人帆船的自由自航实测数据，采用贝叶斯回归方法辨识得到帆船四自由度动力学模型，并通过静态速度预报算法获得该帆船的速度极曲线图。通过将系统辨识结果与约束模型水池试验结果进行对比，验证该系统辨识方法具有足够的准确性，是构建小型无人帆船动力学模型的一种合理方法。     

基于CFD的无人帆船襟翼帆空气动力研究

为推进无人帆船在海洋环境保护和资源勘测等方面的应用，为一款海上自动航行帆船设计了风帆结构，并进行气动性能分析。建立无襟翼帆、分离式襟翼帆和嵌入式襟翼帆3种翼帆模型，通过Fluent软件进行计算流体力学（CFD）计算分析，比较3种风帆的气动性能，分析变角度襟翼帆对风帆气动性能和对帆船推力提升理论的影响规律。结果表明，嵌入式襟翼帆对无人帆船风帆整体的气动性能具有提升的作用；随着襟翼帆偏转角的增大，风帆的升力系数和升阻比随之增大、帆船的推力系数明显增强，对帆船性能的提升具有较优的影响，促进无人帆船在推力提升方面的研究。     

基于速度选择切换型视线法的无人帆船循迹航行

[目的]风帆的力矩以及海浪作用会造成帆船相比其他形式的动力船舶更容易偏离期望轨迹,这便要求无人帆船的循迹航行算法具有较强的抗干扰能力。[方法]对实船进行等比例建模并通过VPP速度预测程序获得帆船在不同航向下的较大速度,提出一种无人帆船速度选择切换型视线法,在保证无人帆船依靠风力获取速度的同时,再利用切换型视线法使无人帆船的航向角收敛于期望航向角,从而使无人帆船可以快速不断地驶向期望航向点。[结果]Matlab对比仿真研究表明,速度选择型视线法具有偏航误差小、抗干扰能力强且收敛速度较快的优点。[结论]无人帆船在不同风向下的湖上试验验证了速度选择型视线法的可行性,结果具有一定的工程应用价值。     

无人帆船短途路径规划研究

针对无人帆船短途路径规划问题提出速度最优法,并与传统的A*算法进行对比研究。两种方法的模拟计算结果对比,证明了速度最优法在短途路径规划的合理性,在逆风工况和风场变化频繁条件下明显优于传统A*算法。进一步的帆船模型湖上试验结果验证了速度最优法的实时性,与自动循迹控制程序具有良好的匹配性,可以满足无人帆船的短途航行要求。     

基于CFD的风帆助航船阻力特性研究

现有关于风帆船的研究大多针对帆型的优化,而对风帆助航船阻力特性的研究相对较少.文中以风帆助航船的阻力预报为研究背景,利用数值模拟软件STAR CCM+,对风帆船的阻力特性进行模拟研究.首先,选取椭圆弧形风帆,利用重叠网格技术模拟计算出不同风向、不同几何攻角下的风帆受力情况.然后,将帆与船作为一个整体,应用VOF方法对不同风向、不同漂角下风帆船的阻力性能进行预报.在研究中得到了不同风向下获得较好助推性能所对应的几何攻角;发现了船舶阻力随漂角的增大而增大,且增大的幅度越来越大;得出了该风帆船在设计航速下,通过风帆角度的调整可使阻力减少23.3%.     

无人帆船自主避障算法

针对无人帆船短途航行的避障需求构建了无人帆船自主避障系统,提出了基于A*的帆船避障路径规划算法以及基于LOS的帆船循迹控制算法。案例帆船的仿真测试和航行测试均成功实现多个障碍物场景下的自主避障航行,较为充分地证明了方法的可行性与实时性,对无人帆船应用具有重要意义。     

基于模糊PID的无人帆船航向控制方法

[目的]无人帆船在复杂海况下会出现航向状态不稳定的现象,为提高帆船在多变和未知环境下的抗干扰能力与航行的稳定性,实现对帆船航向的准确控制,提出一种结合传统PID技术的模糊自适应控制方法。[方法]建立响应型三自由度的Nomoto运动数学模型,借助Matlab的Simulink建模工具搭建模糊规则和仿真控制器,对PID控制参数进行实时在线优化调整。分别在不同航速和加入随机扰动下,与传统PID控制进行对比研究,分析不同的控制方法对航向的影响情况,并通过试验进行对比验证。[结果]结果表明,应用模糊PID方法控制小型无人帆船的航向,具有较好的自适应能力和较强的鲁棒性。[结论]研究成果可为无人帆船的航向控制设计提供参考。     

无人帆船循迹航行的控制研究

提出一种适用于无人帆船循迹航行的控制器,并应用于一条1.5m长风帆艇的湖上航行测试。该控制器包含三个独立模块,局部路径策略模块决定帆艇的转向过程;帆自动控制模块根据帆位角和相对风向角的对应关系获取最佳推进力;舵自动控制模块基于从航海经验中提炼的245条模糊控制规则实现航迹调整。1.5m帆艇的湖上测试结果表明,该控制器在多种风场条件下都可有效完成帆艇的循迹航行,具有在无人帆船上实现长程航行的应用前景。     

无人帆船四自由度运动建模与试验分析

建立无人帆船的运动学模型是开展无人帆船操纵性和运动控制研究的基础。为简便快速地建模，在保证模型准确性的基础上，降低模型开发的难度，以“海鸥”号无人帆船为例，采用船舶操纵数学模型小组（MMG）分离建模方法建模，综合考虑风和浪环境扰动，根据经验公式和计算流体力学（CFD）方法进行参数计算。在此基础上，根据试验数据进行试验复现，以验证模型的准确性。结果表明，建立的无人帆船模型和提出的参数计算方法适用于“海鸥”号无人帆船，跟踪536 m长轨迹，航速误差为13.41%，横摇角误差在10%以内。建立的四自由度无人帆船模型能反映无人帆船实体的速度和位姿，可基本复现试验现象。     

关于国际海上避碰规则帆船条款是否适用于翼型帆的探讨

风帆助航船和现代高性能竞技帆船均使用了刚性翼型帆,然而现行《1972年国际海上避碰规则》中的帆船相关条款仅适用于传统帆船,并不适合于安装刚性翼型帆的船舶,风帆助航船与翼型帆竞技帆船定位模糊,应对避碰规则进行适当修订。     

Sail optimization for upwind sailing: application in a Tornado, the Olympic class catamaran

A study of a boat's motion is carried out in order to analyze the aerodynamic properties of the optimal sail for obtaining the maximum velocity when sailing to windward. The mechanics study shows the optimal C _L and C _D for a given sail and how the shape of the aerodynamic polar of the sail should be. A parametrical analysis of the aerodynamics of a sail is then carried out varying the maximum camber, position of the maximum camber in the chord direction and position of the maximum camber in the mast direction. The parametric analysis is done numerically with a vortex lattice method (VLM) and experimentally in a wind tunnel. The results show that the influence of the relevant parameters studied can be reduced to the variation of two parameters, A and B, defining the polar of the sail, C _D = B + A ² C _L ²; and the influence of parameters A and B on the maximum VMG obtainable are calculated.     

绿色能源双体无人艇艇型综合优化分析

为了实现绿色能源双体无人艇的艇型最优设计,本文对艇型设计的多目标策略和智能优化算法进行研究。首先综合考虑太阳能和风帆以及快速性、操纵性、耐波性和抗倾覆性四大性能对艇型设计的影响,建立综合优化数学模型;然后基于遗传算法改编的综合优化设计软件确定总目标函数最优情况下的遗传次数、种群规模、变异概率和交叉概率;最后采用外部分层策略对遗传算法结合粒子群和混沌算法,进行了混合算法的比较分析。结果表明,相比于单一遗传算法,混合算法的优化效果更好,且在不同载波概率情况下,遗传算法+粒子群算法的优化效果均为最佳,外部分层策略可以有效提高寻优效果。     

网络环境下无人水面艇航向控制器设计

无人水面艇自主航行中受到外部环境干扰及在控制中心-执行器网络通道中存在网络诱导特性(如网络诱导时延、数据丢包等)的影响,会降低系统性能,影响航向控制系统的稳定性.为了能使无人艇按照设定航向快速、稳定地航行,提出一种基于网络的无人艇航向控制策略.首先,建立基于网络的无人艇航向控制系统模型.基于这个模型,运用Lyapunov稳定性理论和凸分析方法导出能使网络环境下无人水面艇航向控制系统渐进稳定的控制律,并设计基于网络的航向控制器.通过仿真验证所提出方法和设计控制器的有效性.     

基于VPP帆板最佳航线的研究

根据最大推力原理计算各条航线的最大船速,计算出从起点到航段终点航行时间最短所对应的三角形的两个风向角,对最大船速和风向角进行回归,以求得最佳航线。     

流激围壳结构的低频噪声数值模拟研究

围壳结构是最重要的突出结构,其噪声水平关乎水下航行器的使用效果。本文通过有限元结合边界元数值计算的方法,对多种围壳结构不同条件下的典型流激围壳辐射噪声进行理论数值仿真研究,研究结果表明,不同航速和不同结构下的流激围壳辐射噪声特性存在一定差异,为围壳结构的线型设计及实际操纵提供重要的理论依据,具有一定的工程应用价值。     

Field experiments and new design of a spilled oil tracking autonomous buoy

It is important to forecast the location of oil spills to realize effective and adequate oil spill response operations when huge oil spilsl occur. In order to enhance the accuracy of oil drifting simulations, one needs to obtain the meteorological and oceanographic data around the oil slick. In general, the drifting velocity vector of an oil spill contains a wind velocity vector and a water current velocity vector. SOTAB-II was developed for autonomous tracking of oil slicks drifting on the sea surface. It is equipped with a sail whose size and direction are controllable to drift along with the oil slick autonomously. In addition, SOTAB-II transmits its location and necessary measured data around it to the land base in real-time. The results of field experiments using SOTAB-II with a cylindrical hull brought us the effectiveness of the sail and its control. However, the drifting speed of SOTAB-II was lower than a theoretical speed for the oil slick. In order to overcome this problem, SOTAB-II was redesigned. A yacht shape was adopted to reduce the hydrodynamic drag in the water in the advancing direction. Transverse stability, scales of brake board and sail, maneuverability, and performance of tracking spilled oil on the sea surface were considered in the process of the design.     

潜艇指挥室围壳顶部型线构型

采用求解RANS方程的数值计算方法,运用计算流体力学数值计算手段,对不同的指挥室围壳顶部外型进行阻力、流场、压力分布数值模拟及数值优化分析,并验证了数值计算方法的可靠性。     

基于北斗/INS的移动型水质监测系统设计与实现

移动型水质监测系统由无人巡航船和陆面监控平台组成。无人巡航船利用"北斗一号"传输水质信息,利用"北斗二号"和惯性导航系统输出的导航信息。无人巡航船可实现自主移动、采集水质信息和发送信息;陆面监控平台可接收水质信息,该信息能在以Lab VIEW为环境开发的上位机软件上显示、存储和查询。对系统进行了测试,3个通信试验的平均丢包率分别为2.42%、2.5%和2.3%,通信丢包率低,无人巡航船运行轨迹和预设轨迹基本重合,能准确巡迹。     

A novel tracking control approach for unmanned underwater vehicles based on bio-inspired neurodynamics

A novel hybrid control approach is presented for trajectory tracking control of unmanned underwater vehicles in this paper. The kinematic and dynamic controllers are integrated by the proposed control strategy. The paper has two objectives. Firstly, an improved backstep method is proposed to generate the virtual velocity using a bio-inspired neurodynamics model in the kinematic controller. The bio-inspired neurodynamics model is intended to smooth the virtual velocity output to avoid speed jumps of the unmanned underwater vehicle caused by tracking errors and to meet the thruster control constraints. Secondly, a new sliding-mode method is added to the dynamic controller, which is robust against parameter inaccuracy and disturbances. The combined kinematic–dynamic control law is applied to the trajectory tracking problem of two different types of unmanned underwater vehicle. Finally, simulation results illustrate the performance of the proposed controller.