基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法技术

本发明专利技术提出了一种基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，属于船舶运动控制技术领域，利用仿鱼侧线的方法消除岸壁效应影响，控制船舶近岸行驶时的艏向，实现步骤包括：(1)在船舶近岸侧及远离岸壁侧的船体上分别安装仿鱼侧线装置；(2)利用流体力学中流体作用于曲面时的压力计算原理，计算岸壁效应对船体产生的力F及力矩M；(3)将F及M带入船舶操纵运动方程，计算补偿舵角；(4)计算舵角，并将舵角输入船舶的自动舵装置，控制船舶运行方向。本发明专利技术具有普遍适用性，不受船体曲面、岸壁形状的限制；运用传感器测量，结果更加精准；实时获取数据，可在线、实时补偿岸壁效应的不利影响，实现艏向的前馈补偿控制。

【技术实现步骤摘要】
基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法
本专利技术属于船舶运动控制
，具体涉及一种基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法。
技术介绍
船舶在近岸行驶的情况下，船体与岸壁之间的水流状态会发生激烈的变化，其流速加快，由伯努利方程知此时船舶两侧的压强分布不对称，从而产生一个横向力和转艏力矩，这就是“岸壁效应”。岸壁效应产生的干扰力和力矩会使得船舶的航态尤其是艏向发生变化，使船舶的操作性恶化，甚至会导致碰撞事故，严重威胁船上的人员生命及财产安全。目前国内外对岸壁效应的研究主要是集中在理论方面。一种是在系列实船试验的基础上总结出计算岸壁效应引起的干扰力及力矩的经验公式，然后利用所总结的公式进行岸壁效应的仿真及预报。另一种就是利用流体力学中势流理论、数值计算软件进行建模及仿真研究。2008年，文献“船舶受限水域岸壁效应仿真研究”中通过建立船舶在受限水域的操纵运动数学模型，对船舶在受限水域的航行进行了仿真，根据经验公式研究航道宽度、水深、船速、船舶偏离航道中心线等因素对船舶岸壁效应的影响，并对船舶在受限水域的保向性进行了讨论。然而，经验公式都是以一定船型的实船试验总结而来，不同船舶的船型、尺度相差较大，直接引用误差较大。2010年，文献“船舶近岸航行岸壁效应数值研究”中采用一种一阶三维Rankine源面元法对岸壁效应进行研究，计算浅水中近岸航行船舶受到的横向力和首摇力矩。该方法理论应用比较合理，对岸壁效应的理论具有较大的参考性。然而，不同的船需要重复计算，且建模需要船舶的详细数据、岸壁附近精确的水文资料，应用于实际航行的难度较大。2017年，文献“Numericalestimationofbank-propeller-hullinteractioneffectonshipmanoeuvringusingCFDmethod”中利用CFD软件进行岸壁效应仿真，并将仿真结果与在同等条件下实船试验结果相比较，得出影响岸壁效应的因素。此方法得到的结果具有较强的说服力，精度也有了较大的提高，但是建模计算过程比较复杂，需要比较精准的模型。综上所述，以上提到的理论研究方法有一个共同的局限性，都是将岸壁的形状理想化为规则的垂直岸壁和倾斜岸壁，这与实际中岸壁的非规则性不符，因此在实际应用中误差较大，很难满足工程应用精度。针对以上问题，本专利技术基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，提出一种岸壁效应的动态补偿机制，基于仿鱼侧线实现“岸壁效应”影响下对船舶艏向的前馈补偿控制，提升其艏向控制性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种将仿鱼侧线装置应用到消除岸壁效应影响上，使得船舶在近岸行驶时，不受岸壁的影响，提高航行的安全性的基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术提出了一种基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，利用仿鱼侧线的方法消除岸壁效应影响，控制船舶近岸行驶时的艏向，具体包括以下步骤：(1)在船舶近岸侧及远离岸壁侧的船体上分别安装仿鱼侧线装置；(2)利用流体力学中流体作用于曲面时的压力计算原理，计算岸壁效应对船体产生的力F及力矩M；(3)将F及M带入船舶操纵运动方程，计算补偿舵角Δδ；(4)计算舵角δ＝δ0+Δδ，并将舵角输入船舶的自动舵装置，控制船舶运行方向；其中δ0为不受岸壁效应影响时的控制舵角。优选的，步骤(1)中所述的仿鱼侧线装置包括传感器模块、数据采集模块及上位机系统；传感器模块安装在船体上，数据采集模块集中采集传感器测量值并将数据传输给上位机系统。优选的，所述的传感器模块中的传感器的数量由船体的型号、体积决定；所述的传感器为压力传感器。对于基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，安装仿鱼侧线装置时确定传感器的数量及安装位置具体包括以下步骤：(1.1)确定船舶近岸侧及远离岸壁侧船体的吃水线位置，吃水线以下船体为传感器分布区域；(1.2)根据船体周围水流的变化对吃水线以下船体区域进行划分，每块区域在中横剖面的投影面积为Si；(1.3)在船体上划分的每块区域的中心位置安装一块传感器，传感器的总数量为船体上划分的区域的总数量。优选的，安装仿鱼侧线装置时确定传感器的数量及安装位置具体包括以下步骤：(1.1)确定船舶近岸侧及远离岸壁侧船体的吃水线位置，吃水线以下船体为传感器分布区域；(1.2)根据船体周围水流的变化对吃水线以下船体区域进行划分，每块区域在中横剖面的投影面积为Si；(1.3)在船体上划分的每块区域的中心位置安装一块传感器，传感器的总数量为船体上划分的区域的总数量。优选的，步骤(2)中所述的其中，pi为传感器测量值，规定船舶左舷的数据为正，右舷的数据为负，Ai为传感器对应区域的压强作用面积，xi为pi作用点的位置坐标。优选的，所述的步骤(3)中将F及M带入船舶操纵运动方程，使船舵产生的力矩与岸壁效应产生的干扰力矩平衡，实时解算出补偿舵角Δδ。对于基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，所述的步骤(4)具体包括以下步骤：(4.1)根据现有艏向控制解算出控制舵角δ0；(4.2)根据步骤(3)中解算出的补偿舵角Δδ计算舵角δ＝δ0+Δδ；(4.3)将舵角δ输入船舶的自动舵装置，自动舵装置操作相应舵角，控制船舶航向，同时产生一个与干扰力矩大小相等、方向相反的补偿力矩，使船舶收到的力矩平衡，主动消除岸壁效应的影响，实现前馈控制。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出了一种基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，该方法将仿鱼侧线应用于岸壁效应的测量与船舶艏向保持中，与现有的岸壁效应研究方法相比具有以下优势：(1)不需要复杂的建模计算过程，所以不受船体曲面、水文以及岸壁形状的限制，具有普遍适用性；(2)与通过计算得到的干扰力和力矩相比，本专利技术提出的用传感器测量的结果精准度更高；(3)本方法中测量得到的数据是实时获取的，可以在线、实时补偿岸壁效应的不利影响，实现艏向的前馈补偿控制，使得艏向控制效果更好。附图说明图1为本专利技术中基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法的原理示意图；图2为本专利技术中传感器安装示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述。结合图1，本专利技术公开了一种基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，将仿鱼侧线应用到消除岸壁效应影响上，以控制船舶近岸行驶时的艏向，主要步骤包括：(1)在船体两侧(近岸侧和远离岸壁侧)指定位置布置一定数量的压力传感器，并且经过压强传感器数据采集系统将数据传输给上位机，即形成了仿鱼侧线装置；(2)根据流体力学中，流体作用于曲面时的压力计算原理，可以计算出岸壁效应在船体上产生的力及力矩其中，pi为传感器测出的压强，为了建模方便，规定左舷的数据为正、右舷的数据为负，Ai为压强作用面积，xi为pi作用点的位置坐标；(3)将F与M代入船舶操纵运动方程，使干扰力矩与舵产生的力矩平衡，即可解算出补偿舵角Δδ；(4)将舵角δ＝δ0+Δδ给船舶的自动舵装置，使其操相应舵角，即可主动补偿岸壁效应的影响，避免岸壁效应持续作用下导致航态尤其是艏向发生变化，其中，δ0表示不受岸壁效应影响时的控制舵角。优选的，步骤(1)中先将船体两侧吃水线附近及以下划分为若干区域，每块区域在中横剖本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，其特征在于，利用仿鱼侧线的方法消除岸壁效应影响，控制船舶近岸行驶时的艏向，具体包括以下步骤：(1)在船舶近岸侧及远离岸壁侧的船体上分别安装仿鱼侧线装置；(2)利用流体力学中流体作用于曲面时的压力计算原理，计算岸壁效应对船体产生的力F及力矩M；(3)将F及M带入船舶操纵运动方程，计算补偿舵角Δδ；(4)计算舵角δ＝δ0+Δδ，并将舵角输入船舶的自动舵装置，控制船舶运行方向；其中δ0为不受岸壁效应影响时的控制舵角。

【技术特征摘要】
1.一种基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，其特征在于，利用仿鱼侧线的方法消除岸壁效应影响，控制船舶近岸行驶时的艏向，具体包括以下步骤：(1)在船舶近岸侧及远离岸壁侧的船体上分别安装仿鱼侧线装置；(2)利用流体力学中流体作用于曲面时的压力计算原理，计算岸壁效应对船体产生的力F及力矩M；(3)将F及M带入船舶操纵运动方程，计算补偿舵角Δδ；(4)计算舵角δ＝δ0+Δδ，并将舵角输入船舶的自动舵装置，控制船舶运行方向；其中δ0为不受岸壁效应影响时的控制舵角。2.根据权利要求1所述的基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，其特征在于：步骤(1)中所述的仿鱼侧线装置包括传感器模块、数据采集模块及上位机系统；传感器模块安装在船体上，数据采集模块集中采集传感器测量值并将数据传输给上位机系统。3.根据权利要求2所述的基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，其特征在于：所述的传感器模块中的传感器的数量由船体的型号、体积决定；所述的传感器为压力传感器。4.根据权利要求1或2所述的基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，其特征在于，安装仿鱼侧线装置时确定传感器的数量及安装位置具体包括以下步骤：(1.1)确定船舶近岸侧及远离岸壁侧船体的吃水线位置，吃水线以下船体为传感器分布区域；(1.2)根据船体周围水流的变化对吃水线以下船体区域进行划分，每块区域在中横剖面的投影面积为Si；(1.3)在船体上划分的每块区域的中心位置安装一块传感器，传感器的总数量为船体上划分的区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜文，廖煜雷，范佳佳，成昌盛，李姿科，李志晨，沈海龙，秦洪德，
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