[发明专利]一种基于喷水推进器的船艇矢量控制系统及方法

权利要求书

1.一种基于喷水推进器的船艇矢量控制方法，该方法应用船艇矢量控制系统，该系统包括双动力推进集成单元和矢量控制单元；所述双动力推进集成单元用于伺服控制双喷水推进器，实现对船体的转向以及前进后退档位的控制，所述双动力推进集成单元还用于控制双柴油机的油门启停，实现对船体的启停以及航速的控制；所述矢量控制单元包括组合惯性导航设备和矢量控制器，其中，所述组合惯性导航设备用于实时采集和监视船体的姿态和位置，所述矢量控制器用于根据船体的载荷分布情况以及推进特性曲线估算初始的动力配置参数，并根据组合惯导数据实时闭环自动调节船体的姿态和位置，实现包括船体指定方向平移、原地旋转、定点镇定的柔性动作，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S010，通过航行测试确定无人艇重心位置；

步骤S020，根据当前换向导流器和喷嘴的位置估计此时倒车斗的分流系数和喷嘴的分流系数；

步骤S030，分别确定双喷泵当前转速下的等效作用力模型，包括从倒车斗两侧和喷嘴溢出的作用力模型；

步骤S040，简化双喷泵的等效作用力模型，确定伺服控制回路和初始分配变量；

步骤S050，建立优化模型；

步骤S060，根据船体航速-转速曲线，确定发动机1的初始转速，进而播种初始舵角、发动机1和发动机2的转速。

步骤S070，整定伺服参数，提高船体矢量运动的抗干扰特性。

2.根据权利要求1所述的一种基于喷水推进器的船艇矢量控制方法，其特征在于，在所述步骤S010中，将换向导流器位置调整一致，同时保持双发动机转速一致，通过对称改变舵角找到船体按照直线行驶而不发生偏转的舵角值±δ_G，测试双喷泵横向安装距离记为D，以双喷泵安装位置连线为横坐标y轴，中垂线为x轴，确定无人艇重心位置如下：

3.根据权利要求2所述的一种基于喷水推进器的船艇矢量控制方法，其特征在于，在所述步骤S020中，设定倒车斗完全闭合时角度γ＝0，完全打开时角度为γ_max，估计流入倒车斗的水量占总吸入水量的比例即倒车斗的分流系数为

舵角δ影响两侧倒车斗的水流分配情况，估计进入右侧倒车斗的水量占进入总倒车斗水量比例即喷嘴的分流系数为

4.根据权利要求3所述的一种基于喷水推进器的船艇矢量控制方法，其特征在于，在所述步骤S030中，根据经验模型，在中低速时发动机产生的动力与转速的二次方成正比，因此，估计此时船体的左喷泵以中心为矩心的等效作用力模型如下：

；船体的右喷泵以中心为矩心的等效作用力模型如下：

，ξ是指倒车斗的分流系数，n₁、n₂分别是指左喷泵、右喷泵的转速。

5.根据权利要求4所述的一种基于喷水推进器的船艇矢量控制方法，其特征在于，在所述步骤S040中，在一边倒车斗全部打开且另一边完全闭合的条件下船体获得最大的横向推动力，设初始推力分配的变量分别为初始舵角δ₀、发动机1初始转速n₁₀、发动机2初始转速n₂₀，步骤S030的双喷泵等效作用力模型简化为：

6.根据权利要求5所述的一种基于喷水推进器的船艇矢量控制方法，其特征在于，在所述步骤S050中，将(6)式合成一个总的目标为(χ＝90°)：

(7)式目标中权重系数λ_i(i＝1,2,3)＞0。

7.根据权利要求6所述的一种基于喷水推进器的船艇矢量控制方法，其特征在于，在所述步骤S060中，按照需求权衡将估计的3个变量组成向量π，于是由初始播种值π₀，按照梯度下降法迭代：获取初始推力分配变量数值。

8.根据权利要求1所述的一种基于喷水推进器的船艇矢量控制方法，其特征在于，在所述步骤S070中，油门控制和双喷水推进器电机伺服控制用于快速响应上层指令；组合惯导设备用于敏感船体在横向、纵向以及偏航方向上的运动，分别独立设计横向、纵向和偏航控制回路，装配各自的超前滞后校正器或者稳定器，通过现场在线整定超前滞后参数实现高精度控制船体的姿态、速度和位置。