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技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。显著提高了全垫升气垫船航行安全性。显著提高了全垫升气垫船航行安全性。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及全垫升式气垫船控制
，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。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中存在的问题，本专利技术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。
[0004]本专利技术的目的通过以下技术方案实现。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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
；使用方向PID控制模型计算两个推力空气螺旋桨需要产生的自旋动力，通过标定好的推力空气螺旋桨转速与产生推力的关系，在保证F
左
与F
右
之和不变的情况下，控制两个推力空气螺旋桨分别达到对应的转速r
左
、r
右
，并使两个推力空气螺旋桨产生相反方向的扭矩，在发生角速度过大、运动速度远大于设定值的情况下，控制升力空气螺旋桨对应的转速r
升
来产生刹车的效果；循环执行上述步骤，保证在航行状态下的船舶朝向计划航向，速度维持在计划航速。
[0008]在船体上安装若干对称布置的推力空气螺旋桨、一个或多个提供升力的升力空气螺旋桨，并在船体上安装船首方向传感器、六轴加速度传感器和速度传感器、升力舱气压传感器、升力高度传感器，分别用来实时监测船首方向、船舶加速度、船舶速度、充气气垫气压、起升高度。
[0009]所述速度PID控制模型具体包括如下步骤：基于已标定的推力空气螺旋桨转速与产生推力的关系，分别获得两螺旋桨推力F
左
、F
右
；利用船加速度传感器获得当前船舶加速度a，并根据当前船舶加速度与推力数值，计算出当前气垫船所受阻力F
r
；根据计划速度V
p
与实际速度v(t)，计算出船舶所需要的实时加速度a(t)，通过已标定的推力空气螺旋桨转速与推力关系，获得螺旋桨的目标转速；重复执行上述步骤，直到实际速度与计划速度相同。
[0010]所述方向PID控制模型具体包括如下步骤：通过船首向传感器获得实际船首朝向D(t)；根据船舶计划航向D
p
，确定推力空气螺旋桨旋转方向，进而计算出螺旋桨旋转加速度；通过已标定推力空气螺旋桨转速与产生推力的关系，获得两推力螺旋桨的转差，当航速出现过大、角速度过大的情况下，通过紧急减少升力空气螺旋桨的转速来提高摩擦力来实现刹车，待航速、角速度恢复正常后，再次恢复升力空气螺旋桨转速；重复执行上述步骤，使船体航向保持稳定。
[0011]相比于现有技术，本专利技术的优点在于：本专利技术提供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，利用速度PID控制模型和方向PID控制模型，实现了对全垫升气垫船航行角度和航行姿态的精确控制，保证气垫船航行轨迹的稳定性和平顺性，
对船身姿态控制效果更佳，使全垫升气垫船的控制过程具有更高的灵活性和机动性，通过控制升力间接控制摩擦力，实现类似于刹车的效果，弥补了全垫升气垫船的安全短板；本专利技术摒弃传统基于人工经验的气垫船控制方法，设计面向全垫升式气垫船的转速及转向自动化控制理论，对船体静态及航行中的运动姿态进行实时监测及调整，船舶控制精度及船身姿态的调整速度得到大幅提高，船身姿态调整的延迟时间得到大幅压缩，船身控制的灵活性增强，本专利技术显著改善了气垫船难以被精确控制的问题。
[0012]本专利技术将船身姿态控制划分为静态控制及动态控制两个过程，不但大幅降低船体控制难度，而且有利于提高气垫船的姿态控制精度，通过将船体大角度姿态调整过程全部基于静态控制方式进行，这将有效改善气垫船控制的安全性，很大程度上解决全垫升式气垫船容易出现的侧滑及自旋问题。
附图说明
[0013]图1为本专利技术提供的全垫升式气垫船控制方法的流程图；图2为本专利技术提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于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。2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：A1）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
；A2）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；A3）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；循环执行步骤A1）—A3），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。3.根据权利要求2所述的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，其特征在于：B1）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
；B2）使用方向PID控制模型计算两个推力空气螺旋桨需要产生的自旋动力，通过标定好的推力空气螺旋桨转速与产生推力的关系，在保证F
左
与F
右
...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙杰，马枫，陈晨，王红亮，秦健，孙平，
申请(专利权)人：南京智慧水运科技有限公司，
类型：发明
国别省市：