本發(fā)明涉及氣墊船運(yùn)動(dòng)控制，具體為一種全墊升氣墊船矢量推進(jìn)的推力分配方法。

背景技術(shù)：

1、國(guó)內(nèi)氣墊船在之前建造的氣墊船上并沒(méi)有安裝矢量噴管這一操縱面，而是安裝的側(cè)風(fēng)門(mén)。側(cè)風(fēng)門(mén)這一操縱面的作用是在氣墊船低速回轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)開(kāi)啟側(cè)風(fēng)門(mén)，在氣墊船艏部與艉部提供額外的回轉(zhuǎn)力矩，輔助氣墊船回轉(zhuǎn)。但是側(cè)風(fēng)門(mén)這一操縱面對(duì)于氣墊船的回轉(zhuǎn)輔助效果較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中側(cè)風(fēng)門(mén)這一操縱面對(duì)于氣墊船的回轉(zhuǎn)輔助效果較差的問(wèn)題，提出一種全墊升氣墊船矢量推進(jìn)的推力分配方法。

2、本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問(wèn)題采取的技術(shù)方案是：

3、一種全墊升氣墊船矢量推進(jìn)的推力分配方法，包括以下步驟：

4、步驟一：建立全墊升氣墊船四自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)全墊升氣墊船四自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)上層控制器；

5、步驟二：獲取上層控制器輸出的總合力τ，并結(jié)合空氣導(dǎo)管螺旋槳、空氣舵以及矢量噴管的轉(zhuǎn)艏力矩建立多操縱面控制分配方程；

6、步驟三：根據(jù)空氣導(dǎo)管螺旋槳、空氣舵以及矢量噴管的轉(zhuǎn)艏力矩的合力，以及總合力τ，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)；

7、步驟四：根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和多操縱面控制分配方程，進(jìn)行求解，得到空氣導(dǎo)管螺旋槳、空氣舵以及矢量噴管分配的轉(zhuǎn)艏力矩。

8、進(jìn)一步的，所述運(yùn)動(dòng)學(xué)模型表示為：

9、

10、其中，u,v,p,r分別表示氣墊船在船體坐標(biāo)系中的縱向速度，橫向速度，橫傾角速度及轉(zhuǎn)艏角速度，x,y,ψ分別表示船體質(zhì)心在北東坐標(biāo)系下的位置、橫傾角和艏向角，分別表示x、y、ψ的一階導(dǎo)數(shù)。

11、進(jìn)一步的，所述動(dòng)力學(xué)模型表示為：

12、

13、其中，m表示狀態(tài)向量，jx,jz分別表示繞x軸與z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，fx,fy分別表示船體在x軸與y軸方向上的合外力，mx,mz分別表示船體繞x軸與z軸的合力矩，表示u的一階導(dǎo)數(shù)，表示v的一階導(dǎo)數(shù)，表示p的一階導(dǎo)數(shù)，表示r的一階導(dǎo)數(shù)。

14、進(jìn)一步的，所述多操縱面控制分配方程表示為：

15、τ＝bu+s

16、τ＝[x?y?np?nr?nn]t

17、

18、

19、其中，τ表示上層控制器輸出的總的合力，b表示控制分配矩陣，u表示關(guān)于螺距角、舵角、矢量噴管旋轉(zhuǎn)角度函數(shù)，s表示誤差值，x表示縱向控制力，y表示橫向控制力，np表示空氣導(dǎo)管螺旋槳的轉(zhuǎn)艏力矩，nr表示空氣舵的轉(zhuǎn)艏力矩，nn表示矢量噴管的轉(zhuǎn)艏力矩，(xn1,yn1)和(xn2,yn2)表示位于船體艏部的矢量噴管坐標(biāo)，(xp1,yp1)和(xp2,yp2)表示位于船體艉部的矢量噴管坐標(biāo)，(xr1,yr1)和(xr2,yr2)表示空氣舵坐標(biāo)，分別表示左、右螺距角，δ1、δ2分別表示左、右舵角，θ1、θ2分別表示左、右矢量噴管旋轉(zhuǎn)角度，ft、fxr、fyr分別表示空氣導(dǎo)管螺旋槳的力、空氣舵的縱向力、空氣舵的橫向力，fxn1、fxn2分別表示左、右艏噴管的縱向力，fyn1、fyn2分別表示左、右艏噴管的橫向力。

20、進(jìn)一步的，所述空氣導(dǎo)管螺旋槳的轉(zhuǎn)艏力矩表示為：

21、np＝-tplyp1-tpryp2

22、其中，tpl,tpr分別表示左右螺旋槳的推力。

23、進(jìn)一步的，所述空氣舵的轉(zhuǎn)艏力矩表示為：

24、nr＝-yr1fxr1+xr1fyr1-yr2fxr2+xr2fyr2

25、其中，fxr1、fyr1、fxr2、fyr2分別表示左、右空氣舵分別提供的縱向力和橫向力。

26、進(jìn)一步的，所述矢量噴管的轉(zhuǎn)艏力矩表示為：

27、nn＝fxn1yn1+fyn1xn1+fxn2yn2+fyn2xn2。

28、進(jìn)一步的，所述目標(biāo)函數(shù)表示為：

29、

30、其中，wp表示氣墊船運(yùn)行時(shí)空氣導(dǎo)管螺旋槳的消耗的能量，w＞0表示權(quán)值矩陣，p表示空氣導(dǎo)管螺旋槳運(yùn)行時(shí)的功率，(u-u0)tr(u-u0)表示空氣導(dǎo)管螺旋槳的螺距角、空氣舵角、矢量噴管旋轉(zhuǎn)角度的變化率，r＞0表示權(quán)值矩陣，stqs表示誤差的懲罰項(xiàng)，s＞0表示誤差值，q＞0表示權(quán)值矩陣，δ表示空氣舵的舵角，θ表示矢量噴管旋轉(zhuǎn)的角度。

31、進(jìn)一步的，所述求解通過(guò)粒子群算法進(jìn)行。

32、進(jìn)一步的，所述粒子群算法為改進(jìn)的自適應(yīng)壓縮因子粒子群算法，所述改進(jìn)的自適應(yīng)壓縮因子粒子群算法中速度公式、位置公式表示為：

33、

34、其中，w表示慣性權(quán)重，wstart表示算法初始迭代慣性權(quán)重，wend表示算法結(jié)束迭代慣性權(quán)重，t表示粒子群算法當(dāng)前的迭代次數(shù)，tmax表示粒子群算法最大迭代次數(shù)，ζ表示壓縮因子，λ為一個(gè)正數(shù)，c1、c2為學(xué)習(xí)因子，r1、r2表示兩個(gè)取值范圍在[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)，υ為約束因子，表示空間中第i個(gè)粒子，表示第i個(gè)粒子的當(dāng)前位置，表示第i個(gè)粒子當(dāng)前運(yùn)動(dòng)的速度，上標(biāo)d表示第d維解空間。

35、本發(fā)明的有益效果是：

36、本申請(qǐng)?jiān)诂F(xiàn)有的氣墊船模型中新增加了矢量噴管這一矢量操縱面，矢量噴管可以360°旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生面向任意一個(gè)方向的矢量力。加入矢量噴管后，氣墊船的操縱面變?yōu)榭諝鈱?dǎo)管螺旋槳、空氣舵與矢量噴管。在氣墊船運(yùn)行過(guò)程中，矢量噴管實(shí)時(shí)改變旋轉(zhuǎn)角度對(duì)氣墊船產(chǎn)生的矢量控制力能夠輔助氣墊船的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。并且，本申請(qǐng)技術(shù)方案使得氣墊船回轉(zhuǎn)控制效益更高。

技術(shù)特征：

1.一種全墊升氣墊船矢量推進(jìn)的推力分配方法，其特征在于包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全墊升氣墊船矢量推進(jìn)的推力分配方法，其特征在于所述運(yùn)動(dòng)學(xué)模型表示為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種全墊升氣墊船矢量推進(jìn)的推力分配方法，其特征在于所述動(dòng)力學(xué)模型表示為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種全墊升氣墊船矢量推進(jìn)的推力分配方法，其特征在于所述多操縱面控制分配方程表示為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種全墊升氣墊船矢量推進(jìn)的推力分配方法，其特征在于所述空氣導(dǎo)管螺旋槳的轉(zhuǎn)艏力矩表示為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種全墊升氣墊船矢量推進(jìn)的推力分配方法，其特征在于所述空氣舵的轉(zhuǎn)艏力矩表示為：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種全墊升氣墊船矢量推進(jìn)的推力分配方法，其特征在于所述矢量噴管的轉(zhuǎn)艏力矩表示為：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種全墊升氣墊船矢量推進(jìn)的推力分配方法，其特征在于所述目標(biāo)函數(shù)表示為：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全墊升氣墊船矢量推進(jìn)的推力分配方法，其特征在于所述求解通過(guò)粒子群算法進(jìn)行。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種全墊升氣墊船矢量推進(jìn)的推力分配方法，其特征在于所述粒子群算法為改進(jìn)的自適應(yīng)壓縮因子粒子群算法，所述改進(jìn)的自適應(yīng)壓縮因子粒子群算法中速度公式、位置公式表示為：

技術(shù)總結(jié)
一種全墊升氣墊船矢量推進(jìn)的推力分配方法，涉及氣墊船運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中側(cè)風(fēng)門(mén)這一操縱面對(duì)于氣墊船的回轉(zhuǎn)輔助效果較差的問(wèn)題，本申請(qǐng)?jiān)诂F(xiàn)有的氣墊船模型中新增加了矢量噴管這一矢量操縱面，矢量噴管可以360°旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生面向任意一個(gè)方向的矢量力。加入矢量噴管后，氣墊船的操縱面變?yōu)榭諝鈱?dǎo)管螺旋槳、空氣舵與矢量噴管。在氣墊船運(yùn)行過(guò)程中，矢量噴管實(shí)時(shí)改變旋轉(zhuǎn)角度對(duì)氣墊船產(chǎn)生的矢量控制力能夠輔助氣墊船的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。并且，本申請(qǐng)技術(shù)方案使得氣墊船回轉(zhuǎn)控制效益更高。

技術(shù)研發(fā)人員：王元慧,魏德寶,任哲達(dá),王成龍,張瀟月,吳鵬,戴開(kāi)恒
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工程大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10