本發(fā)明涉及一種無人艇-主機-噴水推進器的匹配方法，屬于無人艇的控制領域。

背景技術：

無人艇在航行過程中，通常自身所攜帶的燃料是有限的，考慮到使燃料有較高的利用效率，一方面取決于無人艇、主機和噴水推進器自身的性能，另一方面還要充分利用無人艇、主機和噴水推進器之間的配合特性。無人艇以一定航速做勻速直線運動時，通過得到的無人艇的航速、柴油機的轉速和噴水推進器泵的轉速，來實現(xiàn)無人艇、柴油機和噴水推進器之間的匹配。這個過程中無人艇、柴油機和噴水推進器的各個參數(shù)都不發(fā)生變化。但無人艇要不斷適應外界條件的變化(風、浪和流)。所以需要調(diào)節(jié)柴油機和噴水推進器的參數(shù)來使無人艇在各個工況下都能高效運行。研究柴油機和噴水推進器配合之間的變化規(guī)律，可以達到節(jié)省燃料的目的，有利于提高無人艇的經(jīng)濟性。

為了使無人艇適應各個工況，滿足高效的運行要求，對無人艇，柴油機和噴水推進器的特性進行了較多研究。許多高校和研究院等機構對無人艇的控制方面做了較多的仿真研究。但對于無人艇-柴油機-噴水推進器匹配特性的研究幾乎沒有，尤其其中結合了噴水推進器特性研究的過渡過程的匹配。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種無人艇-主機-噴水推進器的匹配方法，在外界條件不斷變化的情況下，使無人艇在各個工況下都能達到運行要求，并且可以節(jié)省燃料，達到安全、節(jié)約和綠色環(huán)保的目的。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：步驟一：在有外界環(huán)境干擾的情況下獲得無人艇的航速V，計算出無人艇的阻力R、噴水推進器泵的轉速n；

步驟二：無人艇直航匹配：當無人艇在勻速直線航行時，計算出無人艇的有效馬力P_E、噴水推進器的推功率P_TE和柴油機的功率P_S，將無人艇的有效馬力曲線、噴水推進器的推功率曲線和柴油機的功率曲線在同一坐標下進行繪制，得到無人艇的有效馬力曲線和噴水推進器推馬力曲線的交點，將此點對應到柴油機的功率曲線，得到無人艇固定航速下的匹配點；

步驟三：無人艇過渡過程匹配：無人艇加速航行時，在步驟2的基礎上，根據(jù)給定的柴油機功率，得出無人艇的速度點V’，將此速度點反饋到無人艇-柴油機-噴水推進器的匹配模塊中，通過插值和反復迭代，計算出此時在固定柴油機功率下的對應的無人艇航速V₀，當V₀與V’之間的差值小于0.001時停止迭代，完成無人艇過渡過程的匹配。

本發(fā)明還包括這樣一些結構特征：

1.無人艇有效馬力P_E＝R·V；噴水推進器的推功率其中：C表示泵在轉速1000r/min時所吸收的功率，柴油機的功率P_s＝n_eiV_hp_e/(30000τ)，其中：V_h為柴油機氣缸工作容積，i為汽缸數(shù)，τ為沖程數(shù)，p_e為平均有效壓力，n_e為柴油機有效轉速。

2.無人艇-柴油機-噴水推進器的匹配模塊的數(shù)學模型為：

式中：m為無人艇質量；m_x、m_y、J_zz為附加質量；u為橫向速度；v為縱向速度；r為轉艏角速度；p為橫搖角速度；I_xx+J_xx為橫搖附加慣性矩；F_x、F_y、M_x、M_z分別為無人艇所受到的在x、y軸方向的力、繞x軸的力矩和繞z軸的力矩。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：通過對無人艇各個工況下航行狀態(tài)的分析研究，完成無人艇-柴油機-噴水推進器之間的匹配工作。保證了無人艇在各個工況下都能使主機功率得到充分吸收，從而使無人艇在各個工況下都能夠穩(wěn)定安全的運行。這樣，充分提高了無人艇上攜帶燃料的利用率，更能夠達到綠色環(huán)保的目的，節(jié)省開銷。本發(fā)明通過對無人艇直航和加速過程的研究分析，得到無人艇的高效工作匹配點。使得柴油機發(fā)出的功率被噴水推進器完全吸收利用，同時噴水推進器的效率也得到提高。達到無人艇高效航行和節(jié)省柴油機燃料的目的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的直航工況下的匹配流程圖；

圖2是本發(fā)明的過渡過程下的算法流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述。

本發(fā)明公開了一種無人艇-柴油機-噴水推進器的匹配方法，包括直航和過渡工況下的匹配方法。所訴方法包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)計算、執(zhí)行和輸出。通過獲取無人艇的航速信息，將無人艇的有效馬力曲線、噴水推進器的推功率曲線和柴油機的功率曲線在同一坐標下進行繪制，就可以得到直航工況的無人艇的匹配點。在無人艇直航匹配的基礎上，固定柴油機的功率，得到無人艇新的航速信息，將新的航速反饋到無人艇的匹配模塊中，反復迭代，得到在此柴油機功率下的無人艇航速和噴水推進器泵的轉速，從而完成過渡過程的匹配。本發(fā)明通過對無人艇各個工況下的匹配，使柴油機的功率得到充分吸收，提高噴水推進器的效率，達到節(jié)約能源的目的。

本發(fā)明所提出的一種無人艇-柴油機-噴水推進器的匹配方法的原理如圖1所示，過程如下：

1.在有外界環(huán)境干擾的情況下獲得無人艇的航速V，從而計算出無人艇的阻力R，噴水推進器泵的轉速n。

2.無人艇直航匹配。當無人艇在勻速直線航行時，獲得無人艇的航行速度，從而計算出無人艇的有效馬力，噴水推進器的推力、推功率和柴油機的功率。將無人艇的有效馬力曲線、噴水推進器的推功率曲線和柴油機的功率曲線在同一坐標下進行繪制，得到無人艇的有效馬力曲線和噴水推進器推馬力曲線的交點，在將此點對應到柴油機的功率曲線，就可以得到無人艇固定航速下的匹配點。

3.無人艇過渡過程匹配。當無人艇加速航行時，在步驟2的基礎上，根據(jù)給定的柴油機功率，求得無人艇的速度點V’，將此速度點返饋到無人艇-柴油機-噴水推進器的匹配模塊中，通過插值和反復迭代，計算出此時在固定柴油機功率下的對應的無人艇航速V₀，噴水推進器泵的轉速。從而完成無人艇過渡過程的匹配。具體匹配過程原理如圖2所示。

本發(fā)明包括直航和過渡工況下的匹配方法。所訴方法包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)計算、執(zhí)行和輸出。通過獲取無人艇的航速信息，將無人艇的有效馬力曲線、噴水推進器的推功率曲線和柴油機的功率曲線在同一坐標下進行繪制，就可以得到直航工況的無人艇的匹配點。在無人艇直航匹配的基礎上，固定柴油機的功率，得到無人艇新的航速信息，將新的航速反饋到無人艇的匹配模塊中，反復迭代，得到在此柴油機功率下的無人艇航速和噴水推進器泵的轉速，從而完成過渡過程的匹配。本發(fā)明通過對無人艇各個工況下的匹配，使柴油機的功率得到充分吸收，提高噴水推進器的效率，達到節(jié)約能源的目的。

附圖1是無人艇-柴油機-噴水推進器直航匹配方法流程圖，附圖2是無人艇-柴油機-噴水推進器過渡過程匹配流程圖。

具體的說本發(fā)明包括如下步驟：

步驟1：在有外界干擾的情況下，獲取無人艇的航行速度V等信息，計算無人艇的阻力R和噴水推進器泵的轉速n等信息；

步驟2：當無人艇的航行加速度為零時，即為直航匹配。此時計算在固定航速下的無人艇的有效馬力、噴水推進器的推功率和柴油機功率。

無人艇有效馬力計算公式為：

P_E＝R·V

式中，R為無人艇的總阻力，V是無人艇的航速；

噴水推進器的推功率P_TE為：

式中，n為噴水推進器泵的轉速，C為制造商提供的系數(shù)，表示該泵在轉速1000r/min時所吸收的功率(KW)。

柴油機有效功率P_s為：

P_s＝n_eiV_hp_e/(30000τ)

式中，V_h為柴油機氣缸工作容積(cm³)，i為汽缸數(shù)，τ為沖程數(shù)，p_e為平均有效壓力(MPa)，n_e為柴油機有效轉速。

無人艇在航行時會受到外界的阻力作用，當無人艇的總阻力和噴水推進器的推力相等時，無人艇將以固定航速穩(wěn)定航行，噴水推進器的推力需要柴油機發(fā)出的扭矩來獲得。所以，無人艇的馬力曲線和噴水推進器的功率曲線交點，噴水推進器的功率曲線和柴油機的功率曲線的交點處，無人艇才能以固定航速穩(wěn)定運行。因此，將無人艇的馬力曲線、噴水推進器的功率曲線和柴油機的功率曲線在同一坐標下表示，就可以得到無人艇在固定航速下的匹配點。

步驟3：當無人艇的加速度不為零時，完成過渡過程的匹配。此時，無人艇航速的變化將改變無人艇各個方向的受力方向，數(shù)學模型如下式所示：

式中，m為無人艇質量；m_x,m_y,J_zz為附加質量；u為橫向速度；v為縱向速度；r為轉艏角速度；p為橫搖角速度；I_xx+J_xx為橫搖附加慣性矩；F_x，F(xiàn)_y，M_x，M_z分別為無人艇所受到的在x，y軸方向的力、繞x軸的力矩和繞z軸的力矩。

無人艇的航速變化會改變無人艇各個方向的受力，而這些力的改變反過來又會影響航速。因此，對于過渡過程的匹配可以在步驟2的基礎上，給定柴油機功率P_s，可以求得一個固定的速度點，與所測得的速度相比較，求得此時噴水推進器泵的轉速n，用數(shù)值算法反復迭代求解運動微分方程，新的速度點V’返回到無人艇的匹配模塊中，直到V₀與V’的變化小于0.001時停止迭代。并求得此時給定柴油機功率下的噴水推進器的功率。完成過渡過程的匹配。