一种利用艏喷管实现全垫升气垫船航向控制的方法技术

本发明专利技术提供的是一种利用艏喷管实现全垫升气垫船航向控制的方法。(1)、由全垫升气垫船的位置坐标系和位置感应器得出气垫船的实际位置；(2)、获取全垫升气垫船的实时运动数据，通过实际位置和期望位置计算出气垫船位置偏差，所述实时运动数据包括艏向角、回转率、纵摇、横摇、横倾角；(3)、通过控制器来控制全垫升气垫船的艏喷管的角度，通过调整艏喷管的角度，对气垫船的回转率、纵摇、横摇、横倾角、艏向角进行调整，使气垫船的实际位置和期望位置的偏差为零。本发明专利技术实现了全垫升气垫船的航向控制，通过艏喷管实现对气垫船的航向进行控制，提高气垫船航行的稳定性和准确性。

A method for heading control of hovercraft by using bow nozzle

The invention provides a method for realizing the heading control of a full hovercraft with a bow nozzle. (1) The actual position of the hovercraft can be obtained from the position coordinate system and position sensor of the hovercraft; (2) The real-time motion data of the hovercraft can be obtained, and the position deviation of the hovercraft can be calculated from the actual position and the expected position. The real-time motion data include the heading angle, the turning rate, pitch, rolling, and the roll angle. (3) Controlling the angle of the bow nozzle of the hovercraft by the controller, adjusting the angle of the bow nozzle, adjusting the turning rate, pitch, roll, roll angle, bow angle of the hovercraft, so that the deviation of the actual position and expected position of the hovercraft is zero. The invention realizes the course control of the full-cushion hovercraft, realizes the course control of the hovercraft through the bow nozzle, and improves the stability and accuracy of the hovercraft navigation.

【技术实现步骤摘要】
一种利用艏喷管实现全垫升气垫船航向控制的方法
本专利技术涉及的是一种垫升气垫船航向控制方法，具体涉及的是一种利用艏喷管对全垫升气垫船的航向进行控制的方法。
技术介绍
气垫船推动装置采用安装于艇尾的螺旋桨推动。但是，当其在低速运行时，因为螺旋桨推力较小、尾流速度低，导致空气舵的性能不佳。当气垫船航行时，气垫船和航行面是分开的，所受的摩擦力非常小，此时，如果用舵来抵挡侧面风的作用，那么容易产生侧滑，所以船的抗风性差。为解决此问题，各国运用了不同的技术措施。英国、美国等国采用艏喷管设计，俄罗斯则采用了在船的侧面安装侧风门的方法。艏喷管能作为辅推装置，还能改善船的耐波性。由于艏喷管能改善气垫船的操纵性能，提供多种操纵模式，因此被广泛应用。而在国内外的公开文献中，未见有将此方法应用到全垫升气垫船控制方法中的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够提高气垫船航行的稳定性和准确性的利用艏喷管实现全垫升气垫船航向控制的方法。本专利技术的目的是这样实现的：(1)、由全垫升气垫船的位置坐标系和位置感应器得出气垫船的实际位置；(2)、获取全垫升气垫船的实时运动数据，通过实际位置和期望位置计算出气垫船位置偏差，所述实时运动数据包括艏向角、回转率、纵摇、横摇、横倾角；(3)、通过控制器来控制全垫升气垫船的艏喷管的角度，通过调整艏喷管的角度，对气垫船的回转率、纵摇、横摇、横倾角、艏向角进行调整，使气垫船的实际位置和期望位置的偏差为零。本专利技术还可以包括：1、所述通过控制器来控制全垫升气垫船的艏喷管的角度具体包括：在PID控制器中，航行方向与设定方向进行比较得出航向偏差，航向偏差送向控制器，按照PID规律计算出舵力矩，之后送到舵角伺服机构，控制艏喷管工作，调整航向；当误差错落倒阈值范围以内时，采用模糊PID控制，在模糊PID控制器中，选择气垫船的航向偏差e和偏差变化率ec作为控制输入变量，舵力矩u作为控制输出变量。2、所述全垫升气垫船的艏喷管是对称位于船艏两侧，能360°回转的喷管设备，艏喷管由风扇供气，艏喷管是由和风扇出口直接相连的减缩直通管、四分之一圆的弯管、涡轮风扇共同组成。经过船模实验得到气垫船艏喷管喷管产生的力为：Tnj＝Cn×Qnj2其中，Qnj——第j个艏喷管流量，j＝1、2；Cn——艏喷管推力系数；全垫升气垫船的艏喷管的数学力模型为：其中Ftj—是第j个艏喷管的推力，j＝1,2；Qj—是第j个艏喷管的流量，j＝1，2；Pj—气垫船升风扇的压力，j＝1,2；C1—喷管的流量系数；C2—垫升风扇的压力系数；设艏喷管的安装位置是(xn,yn,zn)，则艏喷管的数学模型为：其中，为喷管角。3、所述PID控制器的数学模型为：其中δ为偏舵矩，ψ为航向偏差，Kp为PID控制的比例系数，Kd为PID控制微分系数，Ki为PID控制积分系数；系统的期望位置和实际位置做差即为偏差：e(t)＝r(t)-y(t)将e(t)的P、I、D、环节经过组合形成控制量，用来操控被控对象，控制量的表达式为：系统的传递函数形式为：其中Ti为比例时间常数，Td为微分时间常数，KP为比例系数。本专利技术提供了一种新的气垫船航向控制的方法，它实现了全垫升气垫船的航向控制，通过艏喷管实现对气垫船的航向进行控制，提高气垫船航行的稳定性和准确性。本专利技术的主要特征在于：1、气垫船位置及姿态的获取通过系统测得气垫船当前的位置信息，通过姿态传感器，电罗经等组成的姿态传感系统测得气垫船的艏向、回转率、横摇等姿态信息。对获取的信息进行处理，得到精准的气垫船位置及姿态信息。2、构建艏喷管模型艏喷管是对称位于船艏两侧，能360°回转的喷管设备。艏喷管通常由风扇供气，它由和风扇出口直接相连的减缩直通管，四分之一圆的弯管，涡轮风扇共同组成。它的动力装置是涡轮风扇产的高速气体从管口喷出获得的，进而能对气垫船进行辅助推行、制动、回转、抗侧漂等辅助运动，还能提供一定的横稳性或横倾能力的装置。艏喷管的风源来自于离心风扇的蜗壳出口。艏喷管的优点在于管头部分轻，所受到的力不大，构成比较简单，灵活性高。缺点是其喷气管的的喷气比比较低，需要更多的能源。艏喷管除了作为辅推装置外，还能改善船的耐波性。由于艏喷管能改善气垫船的操纵性能，提供多种操纵模式，因此被广泛应用。3、对控制器进行设计对于气垫船的控制器来说，在系统中设计两种控制器来对气垫船的航向进行控制，分别为PID控制器和模糊PID控制器，两种控制器。在PID控制器中，航行方向和设定方向进行比较得出航向偏差，航向偏差送向控制器，按照PID规律计算出舵力矩，之后送到舵角伺服机构，控制艏喷管工作，调整航向。在模糊PID控制器,选择气垫船的航向偏差e和偏差变化率ec作为控制输入变量，舵力矩u作为控制输出变量。4、对所设计的利用艏喷管实现的全垫升气垫船运动控制进行仿真验证。以某型全垫升气垫船为控制对象进行仿真。采用PID控制器和模糊PID控制器，将期望艏向与当前航行艏向的差值作为控制器的输入。在仿真实验前，设定航路点及一定的海洋环境干扰条件。最后，绘制出气垫船航迹变化曲线，以及横向速度、横倾角、回转角速度、侧滑角的变化曲线，检验该控制方法的正确性及有效性。本专利技术包括以下有益效果：1、本专利技术引入了航向控制的方法，对于气垫船的航向控制增加了一种新的控制方法-利用艏喷管来对全垫升气垫船的航向进行控制，从而提高了气垫船的稳定性和安全性。2、本专利技术所引入的航向控制方法为PID控制和模糊PID控制，在控制效果方面进行了比较，对于气垫船的控制方法的比较选出品质更高的控制方法。3、本专利技术通过对气垫船加以期望艏向角等，进行仿真实验，对艏喷管在气垫船控制方向上的作用做仿真图，从仿真图看出艏喷管对气垫船航向控制有明显的控制效果。附图说明图1是本专利技术中系统控制系统框图。图2气垫船不同喷管角航迹变化曲线。图3气垫船不同喷管角下的纵向速度、侧滑角、回转角速度、横倾角变化曲线。图4不同控制器在气垫船运动控制中的影响。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的描述。本专利技术的目的按以下步骤实现：1、气垫船位置及姿态的获取通过系统测得气垫船当前的位置信息，通过姿态传感系统测得船舶的艏向、回转率、横摇等姿态信息。对获取的信息进行处理，得到精准的气垫船位置及姿态信息。2、构建艏喷管模型艏喷管对称安装在全垫升气垫船船艏，能够360度旋转。它能对气垫船进行辅推、制动、回转、抗侧漂等辅助运动，还能提供一定的横倾性，改善船的耐波性，提供多种操纵模式。经过船模实验确定全垫升气垫船艏喷管的数学力模型：其中Ftj—是第j个艏喷管的推力，j＝1,2；Qj—是第j个艏喷管的流量，j＝1，2；Pj—气垫船升风扇的压力，j＝1,2；C1—喷管的流量系数；C2—垫升风扇的压力系数；假定艏喷管的安装位置是(xn,yn,zn)，则艏喷管的数学模型为：其中，为喷管角。3、气垫船控制器在系统中，采用两种控制方法，即PID控制和模糊PID控制。通过两种控制器在气垫船航向控制方面的影响选取较高品质的控制器PID控制器在气垫船运动控制中的数学模型为：其中δ为偏舵矩，ψ为航向偏差，Kp为PID控制的比例系数，Kd为PID控制微分系数，Ki为PID控制积分系数。系统的期望位置和实际位置做差即为偏差：e(t)＝r(t)-y(t)将e本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用艏喷管实现全垫升气垫船航向控制的方法，其特征是：(1)、由全垫升气垫船的位置坐标系和位置感应器得出气垫船的实际位置；(2)、获取全垫升气垫船的实时运动数据，通过实际位置和期望位置计算出气垫船位置偏差，所述实时运动数据包括艏向角、回转率、纵摇、横摇、横倾角；(3)、通过控制器来控制全垫升气垫船的艏喷管的角度，通过调整艏喷管的角度，对气垫船的回转率、纵摇、横摇、横倾角、艏向角进行调整，使气垫船的实际位置和期望位置的偏差为零。

【技术特征摘要】
1.一种利用艏喷管实现全垫升气垫船航向控制的方法，其特征是：(1)、由全垫升气垫船的位置坐标系和位置感应器得出气垫船的实际位置；(2)、获取全垫升气垫船的实时运动数据，通过实际位置和期望位置计算出气垫船位置偏差，所述实时运动数据包括艏向角、回转率、纵摇、横摇、横倾角；(3)、通过控制器来控制全垫升气垫船的艏喷管的角度，通过调整艏喷管的角度，对气垫船的回转率、纵摇、横摇、横倾角、艏向角进行调整，使气垫船的实际位置和期望位置的偏差为零。2.根据权利要求1所述的利用艏喷管实现全垫升气垫船航向控制的方法，其特征是所述通过控制器来控制全垫升气垫船的艏喷管的角度具体包括：在PID控制器中，航行方向与设定方向进行比较得出航向偏差，航向偏差送向控制器，按照PID规律计算出舵力矩，之后送到舵角伺服机构，控制艏喷管工作，调整航向；当误差错落倒阈值范围以内时，采用模糊PID控制，在模糊PID控制器中，选择气垫船的航向偏差e和偏差变化率ec作为控制输入变量，舵力矩u作为控制输出变量。3.根据权利要求2所述的利用艏喷管实现全垫升气垫船航向控制的方法，其特征是：所述全垫升气垫船的艏喷管是对称位于船艏两侧，...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁福光，王晓乐，王元慧，王成龙，刘向波，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23