一种船舶三自由度助航风帆的运动学正反解方法技术

本发明专利技术公开了一种船舶三自由度助航风帆的运动学正反解方法，考虑风力推进船舶在航行过程中由于船体姿态摇摆造成的风帆姿态偏移，分析了船体姿态偏移导致船舶助航风帆沿航向推力降低的不利影响。针对该不利影响，提出具有由内至外的方位、横摇、纵摇三自由度运动结构的助航风帆。通过所提出的三自由度助航风帆实现风帆的方位跟踪并隔离船体姿态偏移扰动。本发明专利技术设计了船舶三自由度助航风帆结构，并建立其运动学正反解模型，可实现风帆相对基坐标系的姿态稳定，保持风帆推力，从而优化船舶节能效果。能效果。能效果。

【技术实现步骤摘要】
一种船舶三自由度助航风帆的运动学正反解方法


[0001]本专利技术属于船舶风力推进
，具体涉及一种船舶三自由度助航风帆及其运动学正反解方法。

技术介绍

[0002]近年来，考虑到航运业的温室气体排放量迅速增加，国际海事组织(IMO)制定了减少污染物排放的发展战略，促进了航运业对船舶新型推进技术的研究和船舶新能源技术的开发。船舶风力推进技术作为一种新能源技术，被认为具有实现船舶节能减排的潜力。
[0003]海上风能具有分布广、储量大的特点，船舶风力推进技术可以充分利用风能这一可再生能源，有效降低燃料消耗。在机翼的基础上改进的风帆已应用于船舶推进。在风向发生变化时，船舶助航风帆根据最大推力的数学模型，转动到唯一最优的方位角，从而获得沿航向的最大推力。现有的研究主要集中在风帆的气动特性分析上，以及应用风帆的能量效率分析。然而，风和波浪引起的船舶摇摆是不可避免的。由于船体摇摆造成的风帆姿态偏移，会对风帆沿航向推力造成影响。针对该影响，在航行过程中如何使风帆稳定在目标方位并抑制船体摇摆引起的姿态偏移扰动，防止风帆沿航向推力降低，成为了一项迫切的要求。
[0004]考虑传统风帆仅实现方位运动，难以抵消船体摇摆运动造成的风帆推力降低。提出船舶三自由度助航风帆，以确保风帆的姿态稳定性，防止风帆的推力降低，从而有效降低船舶的燃油消耗，实现船舶节能。不同于传统风帆仅实现方位转动，所提出的三自由度助航风帆可实现风帆方位、横摇、纵摇的三自由度运动。针对风帆方位跟踪的核心目标，由内之外依次设计风帆方位、横摇、纵摇运动结构。当船体出现姿态偏移时，可通过风帆的三自由度运动，实现风帆的方位跟踪及姿态偏移抑制。针对助航风帆的三自由度姿态目标，需建立三自由度的运动学正反解，作为各框架转动的目标信号。
[0005]船舶三自由度助航风帆在运动过程中外部环境实时变化，需根据当前环境对风帆三个框架的驱动电机目标信号进行运动学在线反解。运动学反解中的数值解法运算周期长、精度低等缺点，仅适用于静态分析，且在运动过程中由于解区间的变化会导致算法的发散。相比数值解法，解析解法具有精度高、解算速度快、稳定性好等优点。考虑船舶航行过程中风速的随机性以及风帆姿态的快速跟踪需求，亟待提出一种船舶三自由度助航风帆的运动学正反解方法，并以解析法形式实现高速反解，提升船舶助航风帆的稳定性，实现节能效益最大化。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种船舶三自由度助航风帆及其运动学正反解方法。
[0007]本专利技术的目的通过如下技术方案来实现：
[0008]一种船舶三自由度助航风帆的运动学正反解方法，步骤如下：
[0009]步骤1：在助航风帆处于最优方位角情况下，分析船体姿态偏移对船舶助航风帆的不利影响；
[0010]步骤2：设计三自由度助航风帆结构，考虑风帆的结构特性以及方位跟踪目标，设计以内环为方位环，中环为横摇环，外环为纵摇环的三自由度运动机构；
[0011]步骤3：针对船舶三自由度助航风帆姿态目标，建立航向坐标系o
b
x
b
y
b
z
b
为基坐标系，以及船体坐标系o
s
x
s
y
s
z
s
、三自由度助航风帆各运动框架分别对应的纵摇环坐标系o
ψ
x
ψ
y
ψ
z
ψ
、横摇环坐标系方位环坐标系o
φ
x
φ
y
φ
z
φ
，并定义各坐标系之间的传递关系，绕各坐标系旋转正方向，初始状态下各坐标系坐标轴指向相同；
[0012]步骤4：以助航风帆相对基坐标系的真实姿态作为主要分析对象，考虑船体扰动情况下，建立运动学正解模型；
[0013]步骤5：根据助航风帆的方位环跟踪目标，以及船体扰动情况、进行三自由度运动学分析，建立三自由度助航风帆的运动学反解模型。
[0014]进一步地，所述步骤1具体为：
[0015]步骤1.1：当船舶助航风帆依据最大推力数学模型转动至最优方位角时，船舶在三自由度上的姿态摇摆均会导致风帆沿航向推力的降低，其中，不同自由度的姿态摇摆存在影响，船舶的艏摇、横摇会降低风帆的推力系数，船舶的纵摇会减小风帆的投影面积；
[0016]步骤1.2：建立船体航向坐标系o
s
x
s
y
s
z
s
为基坐标系，基坐标系与船体固联，其x轴指向船舶的目标航向，z轴与地心方向相反，y轴与x轴、z轴构成右手坐标系；船体相对基坐标系的姿态由艏摇坐标系o
α
x
α
y
α
z
α
、横摇坐标系o
β
x
β
y
β
z
β
、纵摇坐标系o
γ
x
γ
y
γ
z
γ
由外到内进行描述，各坐标系初始状态各方位轴指向相同，旋转次序为z
→
y
→
x，且旋转正方向遵循右手定则；则船体各坐标系绕相邻坐标系的旋转通过欧拉角α，β，γ描述，船体各坐标系传递关系由旋转矩阵T
sα
，T
αβ
，T
βγ
描述，其中：
[0017][0018]当船体相对基坐标系保持稳定情况下，助航风帆推力满足公式：
[0019][0020]根据上式，当风向角为θ时，助航风帆跟踪至最优方位角δ
best
情况下，其推力系数满足：
[0021]max{C
T
(δ，θ)}＝C
L
(90
°‑
δ
best
‑
θ)sinθ+C
D
(90
°‑
δ
best
‑
θ)cosθ
[0022]以矢量矩阵描述助航风帆姿态，当船体相对基坐标系稳定时，描述风帆姿态的矢量定义为初始向量定义为：
[0023]χ1＝[1 0 0]T
[0024]当船体以艏摇角α、横摇角β、纵摇角γ进行姿态偏移时，其相对初始位置的姿态变化为：
[0025][0026]此时，助航风帆方位角由δ
best
变化为δ
swing
，表示为：
[0027][0028]仅当船体艏摇角及横摇角满足α＝β＝0时，才满足χ1＝χ2，助航风帆方位才与最佳方位保持一致，获取沿航向的最大推力；然而当船舶航行过程中，此类情况极少出现；在大部分时间内，船舶风帆由于船体的艏摇及横摇运动，难以保持在目标方位角δ
best
，当风帆的方位角受摇摆影响变化为δ
swing
，考虑风帆最优方位角与风向存在唯一函数关系，在不同本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船舶三自由度助航风帆的运动学正反解方法，其特征在于：步骤如下：步骤1：在助航风帆处于最优方位角情况下，分析船体姿态偏移对船舶助航风帆的不利影响；步骤2：设计三自由度助航风帆结构，考虑风帆的结构特性以及方位跟踪目标，设计以内环为方位环，中环为横摇环，外环为纵摇环的三自由度运动机构；步骤3：针对船舶三自由度助航风帆姿态目标，建立航向坐标系o
b
x
b
y
b
z
b
为基坐标系，以及船体坐标系o
s
x
s
y
s
z
s
、三自由度助航风帆各运动框架分别对应的纵摇环坐标系o
ψ
x
ψ
y
ψ
z
ψ
、横摇环坐标系方位环坐标系o
φ
x
φ
y
φ
z
φ
，并定义各坐标系之间的传递关系，绕各坐标系旋转正方向，初始状态下各坐标系坐标轴指向相同；步骤4：以助航风帆相对基坐标系的真实姿态作为主要分析对象，考虑船体扰动情况下，建立运动学正解模型；步骤5：根据助航风帆的方位环跟踪目标，以及船体扰动情况、进行三自由度运动学分析，建立三自由度助航风帆的运动学反解模型。2.根据权利要求1所述的一种船舶三自由度助航风帆的运动学正反解方法，其特征在于：所述步骤1具体为：步骤1.1：当船舶助航风帆依据最大推力数学模型转动至最优方位角时，船舶在三自由度上的姿态摇摆均会导致风帆沿航向推力的降低，其中，不同自由度的姿态摇摆存在影响，船舶的艏摇、横摇会降低风帆的推力系数，船舶的纵摇会减小风帆的投影面积；步骤1.2：建立船体航向坐标系o
s
x
s
y
s
z
s
为基坐标系，基坐标系与船体固联，其x轴指向船舶的目标航向，z轴与地心方向相反，y轴与x轴、z轴构成右手坐标系；船体相对基坐标系的姿态由艏摇坐标系o
α
x
α
y
α
z
α
、横摇坐标系o
β
x
β
y
β
z
β
、纵摇坐标系o
γ
x
γ
y
γ
z
γ
由外到内进行描述，各坐标系初始状态各方位轴指向相同，旋转次序为z
→
y
→
x，且旋转正方向遵循右手定则；则船体各坐标系绕相邻坐标系的旋转通过欧拉角α,β,γ描述，船体各坐标系传递关系由旋转矩阵T
sα
,T
αβ
,T
βγ
描述，其中：当船体相对基坐标系保持稳定情况下，助航风帆推力满足公式：根据上式，当风向角为θ时，助航风帆跟踪至最优方位角δ
best
情况下，其推力系数满足：max{C
T
(δ,θ)}＝C
L
(90
°‑
δ
best
‑
θ)sinθ+C
D
(90
°‑
δ
best
‑
θ)cosθ以矢量矩阵描述助航风帆姿态，当船体相对基坐标系稳定时，描述风帆姿态的矢量定义为初始向量定义为：χ1＝[1 0 0]
T
当船体以艏摇角α、横摇角β、纵摇角γ进行姿态偏移时，其相对初始位置的姿态变化为：
此时，助航风帆方位角由δ
best
变化为δ
swing
，表示为：仅当船体艏摇角及横摇角满足α＝β＝0时，才满足χ1＝χ2，助航风帆方位才与最佳方位保持一致，获取沿航向的最大推力；然而当船舶航行过程中，此类情况极少出现；在大部分时间内，船舶风帆由于船体的艏摇及横摇运动，难以保持在目标方位角δ
best
，当风帆的方位角受摇摆影响变化为δ
swing
，考虑风帆最优方位角与风向存在唯一函数关系，在不同方位情况下风帆的推力系数满足：C
T
(δ
swing
,θ)＜C
T
(δ
best
,θ)因此，助航风帆由于船体艏摇、横摇产生相对基坐标系的姿态偏移时，其不再处于最优方位角，从而导致船舶推力系数降低；进一步分析船体纵摇对风帆推力的影响；当风帆相对基坐标系稳定情况下，定义风帆的初始姿态矢量：χ3＝[0 0 1]
T
当船体以艏摇角α、横摇角β、纵摇角γ进行姿态偏移时，其相对初始位置的姿态变化为：则其风帆相对风的投影面积由S0变为S
swing
，表示为：当γ≠0时，始终有S
swing
≤S0，故船舶的纵摇运动会造成船舶风帆相对风的投影面积减小，从而影响风帆推力；
考虑在船舶航行过程中，作用于风帆压力中心的风速、空气密度均是恒定的。故根据式由于船体摇摆导致风帆推力系数及投影面积的减小时，风帆沿航向推力均会出现降低。3.根据权利要求1所述的一种船舶三自由度助航风帆的运动学正反解方法，其特征在于：所述步骤2考虑船舶助航风帆的三自由度姿态目标需求，设计船舶三自由度助航风帆结构，根据风帆的结构特性及方位目标，由内至外设计了风帆的方位环、横摇环、纵摇环运动结构；当船体出现姿态摇摆时，各运动框架通过电机驱动，实现风帆的三自由度运动，以抑制船体的姿态扰动。4.根据权利要求1所述的一种船舶三自由度助航风帆的运动学正反解方法，其特征在于：所述步骤3具体为：步骤3.1：对船舶三自由度助航风帆在船体扰动情况下，以方位环为内环的结构建立各框架坐标系；建立船舶航向坐标系o
b
x

【专利技术属性】
技术研发人员：张兰勇，宋健，刘胜，常佳程，谭逸凡，丁锐剑，任元杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：