[发明专利]一种适用于可回转多桨无人船的运动建模方法

权利要求书

1.一种适用于可回转多桨无人船的运动建模方法，所述无人船为双体船，包含一个矩形搭载平台，船体左右两侧各有一个浮力装置，安装在矩形搭载平台的两条长边上；矩形搭载平台的两条短边各对称安装两个可回转桨；以静止状态下螺旋桨产生的推力方向为船艏向，船尾右舷为一号桨，左舷为二号桨；船首左舷为三号桨，右舷为四号桨；其特征在于，所述适用于可回转多桨无人船的运动建模方法包括以下步骤：

步骤1，分析无人船受力：

无人船在静水中的受力可表示为：

其中，下标P表示为推进器的水动力和力矩；下标H表示船体所受的水动力和力矩可以表示为：

其中，Y_v、Y_r、N_v、N_r等统称为水动力导数，Y_v表示力Y(u,v,r,δ)对v的一阶偏导在展开点u＝u₀,v＝r＝δ＝0处的值，即式中Y_vvv、Y_rrr、N_vvv、N_rrr称为横向力和力矩的高阶导数，即式中，Y_vvr、Y_vrr、N_vvr、N_vrr称为横向力和力矩的高阶耦合导数，即

步骤2，建立简化的无人船动力学模型

在步骤1所描述的无人船坐标系中，根据MMG建模方法，无人船运动方程可以表示为：

其中，m为无人船质量，I_z为Gz轴的转动惯量，F_x，F_y和M_z可表示为：

将式(1)，式(2)和式(4)代入式(3)，并略去式中Δu，v，r，δ二阶以上的量，将其线性化，经整理得：

步骤3，建立各螺旋桨推力模型

四个螺旋桨对称安装在所述无人双体船上，一号桨、二号桨分布在船艉，三号桨、四号桨分布在船艏；设螺旋桨直径均为D，转速为n_n，则每个桨在静水中产生在桨轴方向上的推力为：

设其回转柱距离船舶重心G处均为x_G，距离船舶艏艉线均为y；则此四桨的坐标可表示为：一号桨：(x_G,y)；二号桨：(x_G,-y)；三号桨：(-x_G,-y)；四号桨：(-x_G,y)；则每个桨在随船坐标系G-xyz上的分量：

式中y_n、x_Gn为桨的坐标，η_n为桨的回转角度；合并式(7)表示的四个式子，得到四桨同时作用下的推力：

步骤4，螺旋桨推力简化；

在回转角度不大的情况下，回转角的正弦和余弦可近似为sinθ≈θ和对式(8)作进一步简化：

对式(8)中的第一式：

对(8)式中的第二式：

对(8)式中的第三式：

步骤5，推进运动和回转运动响应方程推导

将式(9)和式(10)代入式(5)中的第一式和第二式，消去v得到u对桨的回转角度的响应方程，即推进运动响应方程，化简得：

式(12)在操纵不是很频繁的情况下，可以近似使用一阶K、T方程来替代：

将式(10)和式(11)带入式(5)的第二式和第三式，消去v得到r对桨回转角度的响应方程，即回转运动响应方程，化简得：

式(14)在操纵不是很频繁的情况下，可以近似使用一阶K、T方程来替代：