一种气垫船航迹向控制方法及控制系统技术方案

本发明专利技术提供一种气垫船航迹向控制方法及控制系统，该方法包括：建立用于模拟气垫船航行轨迹的数学模型；所述数学模型包括作用于气垫船航行的外力参数、气垫船的艏向角以及气垫船的航迹角；获取当前作用于气垫船航行的目标外力参数值；确定当前气垫船航行所需的目标航迹角值；根据所述数学模型，对气垫船进行调整，以使在当前的目标外力参数值的作用下，气垫船按照确定的所述目标航迹角值进行航行。根据本方案，可以保证气垫船按照所需的目标航迹角值进行航行，可以根据该数学模型对气垫船进行调整，从而提高了对气垫船的操纵性，可以有效防止气垫船发生侧漂等事故。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及海洋工程
，特别涉及一种气垫船航迹向控制方法及控制系统。
技术介绍
气垫船是采用空气推进器推进、且船体全部由气垫支撑、与水(地)面完全脱离的高性能船舶，它具有独特的水陆两栖性，其缺点是可操控性较差。现有技术中，主要是依靠人工观察气垫船的空间运动参数，直接操纵气垫船的多种执行机构来实现对气垫船的操纵。由于气垫船在风浪中航行时稳定性较差，航向和姿态较难控制，容易发生偏航与侧漂，同时气垫船围裙系统在高速航行时湿水较大，容易产生突然缩进的失稳现象。操纵不当，气垫船可能会发生高速回转、侧滑等问题，致使出现了很多埋首、翻船等事故。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种气垫船航迹向控制方法及控制系统，以提高对气垫船的操纵性，降低事故的发生率。第一方面，本专利技术提供了一种气垫船航迹向控制方法，包括：建立用于模拟气垫船航行轨迹的数学模型；所述数学模型包括作用于气垫船航行的外力参数、气垫船的艏向角以及气垫船的航迹角；获取当前作用于气垫船航行的目标外力参数值；确定当前气垫船航行所需的目标航迹角值；根据所述数学模型，对气垫船进行调整，以使在当前的目标外力参数值的作用下，气垫船按照确定的所述目标航迹角值进行航行。优选地，所述建立用于模拟气垫船航行轨迹的数学模型，包括：S1：建立气垫船在各个外力参数的作用下的合力的公式：Fx=Fxa+Fxh+Fxp+FxR+FxgFy=Fya+Fyh+Fyp+FyR+FygMx=Mxa+Mxh+Mxp+MxR+MxgMz=Mza+Mzh+Mzp+MzR+Mzg]]>其中，Fx用于表征气垫船所受到的在x轴方向的力；Fy用于表征气垫船所受到的在y轴方向的力；Mx用于表征绕x轴的力矩；Mz用于表征绕z轴的力矩；a用于表征空气动力；h用于表征水动力；p用于表征螺旋桨力；R用于表征舵力；g用于表征重力；S2：建立气垫船的四自由度运动微分方程组：m(u·-vr)=Fxm(v·+ur)=FyIxp·=MxIzr·=Mz]]>其中，Iz用于表征气垫船绕z轴的惯性矩；Ix用于表征气垫船绕x轴的惯性矩；m用于表征气垫船的质量；u用于表征气垫船的纵向速度；v用于表征气垫船的侧向速度；r用于表征气垫船的转首角速度；p用于表征气垫船的横摇角速度；用于表征气垫船的纵向加速度；用于表征气垫船的侧向加速度；用于表征气垫船的横摇加速度；用于表征气垫船的转首角加速度。优选地，进一步包括：根据气垫船在各个外力参数的作用下的合力以及气垫船的四自由度运动微分方程组，确定大地坐标系和船体坐标系之间速度关系如下式所示：φ·=pψ·=rcosφx·o=ucosψ-vsinψcosφy·o=usinψ+vcosψcosφ]]>其中，φ用于表征气垫船的航迹角；ψ用于表征气垫船的艏向角；用于表征气垫船的航迹角速度；用于表征气垫船的艏向角速度；用于表征气垫船x轴方向的速度；用于表征气垫船y轴方向的速度。优选地，进一步包括：通过如下语句，设定气垫船在实际航行时的控制规则，并在确定气垫船存在如下条件时，利用所述控制规则执行所述对气垫船进行调整的操作：IF<条件1>AND<条件2>AND……AND<条件n>THEN<结论1>AND<结论2>AND……AND<结论n>。优选地，所述设定气垫船在实际航行时的控制规则，包括：IF回转率AND回转率超过安全限界时，THEN控制舵角调整归零；和/或，IF舵角超过30°的绝对值时，THEN控制舵角调整为30°或-30°；和/或，IF低速时，THEN采用舵和螺旋桨共同控制气垫船；和/或，IF高速时，THEN采用舵对气垫船进行转向控制。第二方面，本专利技术提供了一种气垫船航迹向控制系统，包括：建立单元，用于建立用于模拟气垫船航行轨迹的数学模型；所述数学模型包括作用于气垫船航行的外力参数、气垫船的艏向角以及气垫船的航迹角；获取单元，用于获取当前作用于气垫船航行的目标外力参数值；确定单元，用于确定当前气垫船航行所需的目标航迹角值；调整单元，用于根据所述数学模型，对气垫船进行调整，以使在当前的目标外力参数值的作用下，气垫船按照确定的所述目标航迹角值进行航行。优选地，所述建立单元，具体用于通过如下方式用于模拟气垫船航行轨迹的数学模型：建立气垫船在各个外力参数的作用下的合力的公式：Fx=Fxa+Fxh+Fxp+FxR+FxgFy=Fya+Fyh+Fyp+FyR+FygMx=Mxa+Mxh+Mxp+MxR+MxgMz=Mza+Mzh+Mzp+MzR+Mzg]]>其中，Fx用于表征气垫船所受到的在x轴方向的力；Fy用于表征气垫船所受到的在y轴方向的力；Mx用于表征绕x轴的力矩；Mz用于表征绕z轴的力矩；a用于表征空气动力；h用于表征水动力；p用于表征螺旋桨力；R用于表征舵力；g用于表征重力；建立气垫船的四自由度运动微分方程组：m(u·-vr)=Fxm(v·+ur)=FyIxp·=MxIzr·=Mz]]>其中，Iz用于表征气垫船绕z轴的惯性矩；Ix用于表征气垫船绕x轴的惯性矩；m用于表征气垫船的质量；u用于表征气垫船的纵向速度；v用于表征气垫船的侧向速度；r用于表征气垫船的转首角速度；p用于表征气垫船的横摇角速度；用于表征气垫船的纵向加速度；用于表征气垫船的侧向加速度；用于表征气垫船的横摇加速度；用于表征气垫船的转首角加速度。优选地，所述建立单元，具体用于确定大地坐标系和船体坐标系之间速度关系如下式所示：φ·=pψ·=rcosφx·o=ucosψ-vsinψcosφy·o=usinψ+vcosψcosφ]]>其中，φ用于表征气垫船的航迹角；ψ用于表征气垫船的艏向角；用于表征气垫船的航迹角速度；用于表征气垫船的艏向角速度；用于表征气垫船x轴方向的速度；用于表征气垫船y轴方向的速度。优选地，进一步包括：存储单元，用于通过如下语句，设定并存储气垫船在实际航行时的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气垫船航迹向控制方法，其特征在于，包括：建立用于模拟气垫船航行轨迹的数学模型；所述数学模型包括作用于气垫船航行的外力参数、气垫船的艏向角以及气垫船的航迹角；获取当前作用于气垫船航行的目标外力参数值；确定当前气垫船航行所需的目标航迹角值；根据所述数学模型，对气垫船进行调整，以使在当前的目标外力参数值的作用下，气垫船按照确定的所述目标航迹角值进行航行。

【技术特征摘要】
1.一种气垫船航迹向控制方法，其特征在于，包括：
建立用于模拟气垫船航行轨迹的数学模型；所述数学模型包括作用于气
垫船航行的外力参数、气垫船的艏向角以及气垫船的航迹角；
获取当前作用于气垫船航行的目标外力参数值；
确定当前气垫船航行所需的目标航迹角值；
根据所述数学模型，对气垫船进行调整，以使在当前的目标外力参数值
的作用下，气垫船按照确定的所述目标航迹角值进行航行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述建立用于模拟气垫船航行轨迹的数学模型，包括：
S1：建立气垫船在各个外力参数的作用下的合力的公式：
Fx=Fxa+Fxh+Fxp+FxR+FxgFy=Fya+Fyh+Fyp+FyR+FygMx=Mxa+Mxh+Mxp+MxR+MxgMz=Mza+Mzh+Mzp+MzR+Mzg]]>其中，Fx用于表征气垫船所受到的在x轴方向的力；Fy用于表征气垫船
所受到的在y轴方向的力；Mx用于表征绕x轴的力矩；Mz用于表征绕z轴
的力矩；a用于表征空气动力；h用于表征水动力；p用于表征螺旋桨力；R
用于表征舵力；g用于表征重力；
S2：建立气垫船的四自由度运动微分方程组：
m(u·-vr)=Fxm(v·+ur)=FyIxp·=MxIzr·=Mz]]>其中，Iz用于表征气垫船绕z轴的惯性矩；Ix用于表征气垫船绕x轴的
惯性矩；m用于表征气垫船的质量；u用于表征气垫船的纵向速度；v用于表
征气垫船的侧向速度；r用于表征气垫船的转首角速度；p用于表征气垫船的

\t横摇角速度；用于表征气垫船的纵向加速度；用于表征气垫船的侧向加速
度；用于表征气垫船的横摇加速度；用于表征气垫船的转首角加速度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括：根据气垫船
在各个外力参数的作用下的合力以及气垫船的四自由度运动微分方程组，确
定大地坐标系和船体坐标系之间速度关系如下式所示：
φ·=pψ·=rcosφx·0=ucosψ-vsinψcosφy·0=usinψ+vcosψcosφ]]>其中，φ用于表征气垫船的航迹角；ψ用于表征气垫船的艏向角；用于
表征气垫船的航迹角速度；用于表征气垫船的艏向角速度；用于表征气
垫船x轴方向的速度；用于表征气垫船y轴方向的速度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
通过如下语句，设定气垫船在实际航行时的控制规则，并在确定气垫船
存在如下条件时，利用所述控制规则执行所述对气垫船进行调整的操作：
IF<条件1>AND<条件2>AND……AND<条件n>
THEN<结论1>AND<结论2>AND……AND<结论n>。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述设定气垫船在实际航
行时的控制规则，包括：
IF回转率AND回转率超过安全限界时，THEN控制舵角调整归零；
和/或，
IF舵角超过30°的绝对值时，THEN控制舵角调整为30°或-30°；
和/或，
IF低速时，THEN采用舵和螺旋桨共同控制气垫船；
和/或，
IF高速时，THEN采用舵对气垫船进行转向控制。
6.一种气垫船航迹向控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁媛，
申请(专利权)人：浪潮电子信息产业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37