一种无人帆船的航速估算方法技术

本发明专利技术公开了一种无人帆船的航速估算方法，涉及无人帆船测速技术领域。本发明专利技术包括如下步骤：步骤S1：建立全局坐标系OOx0y0z0和船体坐标系Oxyz；步骤S2：帆船平衡状态下，计算漂角β；步骤S3：利用速度三角形求得相对风速和相对风向角，建立空气动力模型；步骤S4：确定四自由度船舶动力学模型、附加质量和转动惯性矩；步骤S5：计算船体受力；步骤S6：检测各个力的平衡。本发明专利技术通过使用全局坐标系和船体坐标系建立帆船动力学模型，计算船体受力和风帆受力，由推力和阻力计算更新航速，由偏航力矩调整舵角，为帆船的路径规划提供合理的航速输入；合理估算帆船整个航程的航行时间，方便监测人员对于无人帆船执行任务做出合理的时间调度。调度。调度。

【技术实现步骤摘要】
一种无人帆船的航速估算方法


[0001]本专利技术属于无人帆船测速
，特别是涉及一种无人帆船的航速估算方法。

技术介绍

[0002]无人帆船以自然风能为动力在海面航行，特别适合于海气界面环境要素的长期连续观测，可为探究海洋前沿问题提供数据支撑。近年来，小型无人帆船已经被广泛应用到诸多海事领域，并取得了卓有成效的进展。
[0003]无人帆船自主航行系统由观测、决策、控制三个模块组成，决策模块根据任务信息、海洋地理信息、速度预报信息和实时观测结果进行决策，动态生成局部路径完成对碍航物的规避。
[0004]现有的无人帆船控制系统中预测帆船航速大部分以当前观测值为主，缺乏准确性及时效性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种无人帆船的航速估算方法，通过使用全局坐标系和船体坐标系建立帆船动力学模型，计算船体受力和风帆受力，由推力和阻力计算更新航速，由偏航力矩调整舵角，解决了现有的帆船航行时速预测不准确、缺乏准确性和时效性的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]本专利技术为一种无人帆船的航速估算方法，包括如下步骤：
[0008]步骤S1：建立全局坐标系OOx0y0z0和船体坐标系Oxyz；
[0009]步骤S2：帆船平衡状态下，计算漂角β；
[0010]步骤S3：利用速度三角形求得相对风速和相对风向角，建立空气动力模型；
[0011]步骤S4：确定四自由度船舶动力学模型、附加质量和转动惯性矩；
[0012]步骤S5：计算船体受力；
[0013]步骤S6：检测各个力的平衡，若不平衡则将步骤S2至步骤S5的计算结果带入步骤S1后重复计算。
[0014]作为一种优选的技术方案，所述步骤S1中，全局坐标系中x0轴正向指向正北、y0轴正向指向正东、z0轴正向指向地心，船体坐标系中原点O位于船舶重心、x轴正向位于船体中纵剖面指向前、y轴正向位于船体中横剖面指向右、z轴正向位于船体中纵剖面指向上。
[0015]作为一种优选的技术方案，所述步骤S2中，漂角β的计算公式如下：
[0016]χ＝β+ψ
[0017][0018]式中，β为漂角，χ为帆船航向角，ψ为帆船艏向角，Φ为横倾角，u为帆船沿船体坐标系x轴的速度分量，v为帆船沿船体坐标系y轴的速度分量。
[0019]作为一种优选的技术方案，所述步骤S3中，相对风向角和相对风速计算公式如下：
[0020]V
AWx
＝V
Twn cosψ+V
TWe sinψ
‑
u
[0021]V
AWy
＝
‑
V
Twn sinψcosφ+V
TWe cosψcosφ
‑
v
[0022][0023][0024]式中，V
TW
为绝对风速，V
TWn
、V
TWe
分别为绝对风速V
TW
在大地坐标系北向轴和东向轴上的分量；β
TW
为绝对风向角；V
AW
为相对风速；β
AW
为相对风向角。
[0025]作为一种优选的技术方案，所述步骤S4中，四自由度船舶动力学模型公式如下：
[0026][0027][0028][0029][0030]式中，m、m
x
、m
y
分别为船体质量、纵向附加质量、横向附加质量；u、v、r、p分别为纵向速度、横向速度、转首角速度、横摇角速度；I
zz
、J
zz
分别为船体绕z轴的转动惯性矩、船体绕z轴的附加转动惯性矩；I
xx
、J
xx
分别为船体绕x轴的转动惯性矩、船体绕x轴的附加转动惯性矩；X
H
、X
K
、X
R
、X
S
分别为表示船体、龙骨、舵、帆受到的纵向力；Y
H
、Y
K
、Y
R
、Y
S
分别为表示船体、龙骨、舵、帆受到的横向力；N
H
、N
K
、N
R
、N
S
分别为表示船体、龙骨、舵、帆受到的转首力矩。
[0031]作为一种优选的技术方案，所述步骤S5中，船体受力的计算，包括船体纵向力计算、船体横向力及力矩计算、船体横倾力矩计算；
[0032]所述船体纵向力计算公式如下：
[0033]c
m
＝1.75C
b
‑
0.525；
[0034]式中，C
b
为方形系数；
[0035]所述船体横向力计算公式如下：
[0036]Y
H
＝Y
v
v+Y
r
r+Y
vv
|v|v+Y
rr
|r|r+Y
vvr
v2r+Y
vrr
vr2[0037]所述船体横向力矩计算公式如下：
[0038]N
H
＝N
v
v+N
r
r+N
vv
|v|v+N
rr
|r|r+N
vvr
v2r+N
vrr
vr2；
[0039][0040][0041][0042][0043][0044][0045][0046][0047][0048][0049][0050][0051]式中，L为水线面船长，B为水线面船宽，d为吃水，C
b
为方形系数；
[0052]所述风帆受力计算公式如下：
[0053]α
S
＝β
AW
‑
σ
s
[0054][0055][0056]式中，F
LS
为风帆升力
S
，F
DS
为风帆阻力，c
L
、c
D
是对应风帆攻角的升力、阻力系数，α
S
为风帆的攻角，β
AW
为对风向角，σ
S
为帆角，ρ
A
为空气密度，V
AW
为相对风速，S
S
为风帆的面积。
[0057]本专利技术具有以下有益效果：
[0058]本专利技术通过使用全局坐标系和船体坐标系建立帆船动力学模型，计算船体受力和风帆受力，由推力和阻力计算更新航速，由偏航力矩调整舵角，为帆船的路径规划提供合理的航速输入；合理估算帆船整个航程的航行时间，方便监测人员对于无人帆船执行任务做出合理的时间调度。
[0059]当然，实施本专利技术的任一产品并不一定需要同时达到以上所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人帆船的航速估算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：建立全局坐标系OOx0y0z0和船体坐标系Oxyz；步骤S2：帆船平衡状态下，计算漂角β；步骤S3：利用速度三角形求得相对风速和相对风向角，建立空气动力模型；步骤S4：确定四自由度船舶动力学模型、附加质量和转动惯性矩；步骤S5：计算船体受力；步骤S6：检测各个力的平衡，若不平衡则将步骤S2至步骤S5的计算结果带入步骤S1后重复计算。2.根据权利要求1所述的一种无人帆船的航速估算方法，其特征在于，所述步骤S1中，全局坐标系中x0轴正向指向正北、y0轴正向指向正东、z0轴正向指向地心，船体坐标系中原点O位于船舶重心、x轴正向位于船体中纵剖面指向前、y轴正向位于船体中横剖面指向右、z轴正向位于船体中纵剖面指向上。3.根据权利要求1所述的一种无人帆船的航速估算方法，其特征在于，所述步骤S2中，漂角β的计算公式如下：χ＝β+ψ式中，β为漂角，χ为帆船航向角，ψ为帆船艏向角，Φ为横倾角，u为帆船沿船体坐标系x轴的速度分量，v为帆船沿船体坐标系y轴的速度分量。4.根据权利要求1所述的一种无人帆船的航速估算方法，其特征在于，所述步骤S3中，相对风向角和相对风速计算公式如下：相对风向角和相对风速计算公式如下：相对风向角和相对风速计算公式如下：相对风向角和相对风速计算公式如下：式中，V
TW
为绝对风速，V
TWn
、V
TWe
分别为绝对风速V
TW
在大地坐标系北向轴和东向轴上的分量；β
TW
为绝对风向角；V
AW
为相对风速；β
AW
为相对风向角。5.根据权利要求1所述的一种无人帆船的航速估算方法，其特征在于，所述步骤S4中，四自由度船舶动力学模型公式如下：四自由度船舶动力学模型公式如下：四自由度船舶动力学模型公式如下：四自由度船舶动力学模型公式如下：
式中，m、m
x
、m
y
分别为船体质量、纵向附加质量、横向附加质量；u、v、r、p分别为纵向速度、横向速度、转首角速度、横摇角速度；I
zz
、J
zz
分别为船体绕z轴的转动惯性矩、船体绕z轴的附加转动惯性矩；I
xx
、J
xx
分别为船体绕x轴的转动惯性矩、船体绕x轴的附加转动惯性矩；X
H
、X

【专利技术属性】
技术研发人员：胡井侠，
申请(专利权)人：东翼长启科技重庆有限公司，
类型：发明
国别省市：