[发明专利]一种基于无人帆船风帆攻角确定最大航速的方法

说明书

本发明公开了一种基于无人帆船风帆攻角确定最大航速的方法，以风帆作用力系数与风帆攻角内在联系为基础，综合考虑风帆助推力和侧推力，结合目标帆船参数，建立帆船模型；综合舵受力因素，建立舵受力模型；利用响应型三自由度船舶操纵分离(MMG)方法建立帆船运动模型，从而计算无人帆船在不同的相对风向角下达到最大航速需要的条件。利用此获得目标帆船的最大航速下风帆攻角的策略，为无人帆船在期望航向上以最大航速稳定地航行提供了更加可靠的保障。

技术领域

本发明涉及船舶航行技术领域，尤其涉及一种基于无人帆船风帆攻角确定最大航速的方法。

背景技术

无人帆船是一种以海洋清洁能源(风能)为驱动的多用途新型动观测平台，可以胜任远海作业、具有实时数据传输功能、低营运成本的优势。无人帆船与传统无人艇的主要区别在于其没有内在动力系统，仅靠风对风帆作用力作为航行的动力。风速和风向的变化，不仅影响帆船的航向，还会影响帆船的航行速度。在一定风速下，帆船推进力的大小会受风向，攻风帆角和船舶航向的共同影响。目前，无人帆船风帆攻角控制策略的研究普遍只考虑助推力的作用，但风帆为船体提供助推力的同时，也会产生侧推力及偏航力矩，较大的侧推力和偏航力矩会增大帆船的漂角和舵角，使船舶阻力增加，进而使航速减小。因此，要是无人帆船能够达到最大航速，需要综合考虑风帆助推力和侧推力对其产生的影响。

发明内容

本发明提供一种基于无人帆船风帆攻角确定最大航速的方法，以克服上述技术问题。

本发明一种基于无人帆船风帆攻角确定最大航速的方法，包括：

设定目标帆船、所述目标帆船的参数；根据所述目标帆船的参数建立所述目标帆船的帆船模型；

设定不同的风帆攻角，并根据所述目标帆船的参数得到不同的升力系数与阻力系数；根据所述不同升力系数与阻力系数，计算得到不同所述风帆攻角下的升力与阻力；

根据设定的绝对风速和相对风向角得到相对风速；将所述相对风速及所述升力、阻力、升力系数、阻力系数输入所述帆船模型，计算得到助推力、侧推力及助推力系数、侧推力系数；

选取所述助推力系数大于零所对应的相对风向角区间，作为所述目标帆船的航行区范围；在所述航行区范围内设定期望航向，建立舵受力模型并设定舵角，使帆船保持在所述期望航向上；

建立所述目标帆船的运动模型和运动坐标系；将所述绝对风速、相对风向角、期望航向、助推力及侧推力输入所述运动模型，获得所述目标帆船的航速、舵角及漂角；

选取在所述期望航向上，通过所述运动模型获取的所述目标帆船的最大航速所对应的所述风帆攻角。

进一步地，所述根据所述不同升力系数与阻力系数，计算得到不同所述风帆攻角下的升力与阻力，包括：

计算不同所述风帆攻角下的升力F_L与阻力F_D的表达式为：

式中，ρ_a为空气密度；S_W为风帆的侧向投影面积；V_a为相对风速；C_L为升力系数；C_D为阻力系数。

进一步地，所述将所述相对风速及所述升力、阻力、升力系数、阻力系数输入所述帆船模型，计算得到助推力、侧推力及助推力系数、侧推力系数，包括：

设定船首指向为x，右舷指向为y，将风帆升力F_L与阻力F_D进行分解，得到沿着船舶航向的助推力X_W和垂直于船舶航向的侧推力Y_W，计算表达式为：