CN109343555A - 基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，属于船舶运动控制技术领域，利用仿鱼侧线的方法消除岸壁效应影响，控制船舶近岸行驶时的艏向，实现步骤包括：(1)在船舶近岸侧及远离岸壁侧的船体上分别安装仿鱼侧线装置；(2)利用流体力学中流体作用于曲面时的压力计算原理，计算岸壁效应对船体产生的力F及力矩M；(3)将F及M带入船舶操纵运动方程，计算补偿舵角；(4)计算舵角，并将舵角输入船舶的自动舵装置，控制船舶运行方向。本发明具有普遍适用性，不受船体曲面、岸壁形状的限制；运用传感器测量，结果更加精准；实时获取数据，可在线、实时补偿岸壁效应的不利影响，实现艏向的前馈补偿控制。

Description

基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法

技术领域

本发明属于船舶运动控制技术领域，具体涉及一种基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法。

背景技术

船舶在近岸行驶的情况下，船体与岸壁之间的水流状态会发生激烈的变化，其流速加快，由伯努利方程知此时船舶两侧的压强分布不对称，从而产生一个横向力和转艏力矩，这就是“岸壁效应”。岸壁效应产生的干扰力和力矩会使得船舶的航态尤其是艏向发生变化，使船舶的操作性恶化，甚至会导致碰撞事故，严重威胁船上的人员生命及财产安全。

目前国内外对岸壁效应的研究主要是集中在理论方面。一种是在系列实船试验的基础上总结出计算岸壁效应引起的干扰力及力矩的经验公式，然后利用所总结的公式进行岸壁效应的仿真及预报。另一种就是利用流体力学中势流理论、数值计算软件进行建模及仿真研究。

2008年，文献“船舶受限水域岸壁效应仿真研究”中通过建立船舶在受限水域的操纵运动数学模型，对船舶在受限水域的航行进行了仿真，根据经验公式研究航道宽度、水深、船速、船舶偏离航道中心线等因素对船舶岸壁效应的影响，并对船舶在受限水域的保向性进行了讨论。然而，经验公式都是以一定船型的实船试验总结而来，不同船舶的船型、尺度相差较大，直接引用误差较大。

2010年，文献“船舶近岸航行岸壁效应数值研究”中采用一种一阶三维Rankine源面元法对岸壁效应进行研究，计算浅水中近岸航行船舶受到的横向力和首摇力矩。该方法理论应用比较合理，对岸壁效应的理论具有较大的参考性。然而，不同的船需要重复计算，且建模需要船舶的详细数据、岸壁附近精确的水文资料，应用于实际航行的难度较大。

2017年，文献“Numerical estimation of bank-propeller-hull interactioneffect on ship manoeuvring using CFD method”中利用CFD软件进行岸壁效应仿真，并将仿真结果与在同等条件下实船试验结果相比较，得出影响岸壁效应的因素。此方法得到的结果具有较强的说服力，精度也有了较大的提高，但是建模计算过程比较复杂，需要比较精准的模型。

综上所述，以上提到的理论研究方法有一个共同的局限性，都是将岸壁的形状理想化为规则的垂直岸壁和倾斜岸壁，这与实际中岸壁的非规则性不符，因此在实际应用中误差较大，很难满足工程应用精度。

针对以上问题，本发明基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，提出一种岸壁效应的动态补偿机制，基于仿鱼侧线实现“岸壁效应”影响下对船舶艏向的前馈补偿控制，提升其艏向控制性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将仿鱼侧线装置应用到消除岸壁效应影响上，使得船舶在近岸行驶时，不受岸壁的影响，提高航行的安全性的基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提出了一种基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，利用仿鱼侧线的方法消除岸壁效应影响，控制船舶近岸行驶时的艏向，具体包括以下步骤：

(1)在船舶近岸侧及远离岸壁侧的船体上分别安装仿鱼侧线装置；

(2)利用流体力学中流体作用于曲面时的压力计算原理，计算岸壁效应对船体产生的力F及力矩M；

(3)将F及M带入船舶操纵运动方程，计算补偿舵角Δδ；

(4)计算舵角δ＝δ₀+Δδ，并将舵角输入船舶的自动舵装置，控制船舶运行方向；其中δ₀为不受岸壁效应影响时的控制舵角。

优选的，步骤(1)中所述的仿鱼侧线装置包括传感器模块、数据采集模块及上位机系统；传感器模块安装在船体上，数据采集模块集中采集传感器测量值并将数据传输给上位机系统。

优选的，所述的传感器模块中的传感器的数量由船体的型号、体积决定；所述的传感器为压力传感器。

对于基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，安装仿鱼侧线装置时确定传感器的数量及安装位置具体包括以下步骤：

(1.1)确定船舶近岸侧及远离岸壁侧船体的吃水线位置，吃水线以下船体为传感器分布区域；

(1.2)根据船体周围水流的变化对吃水线以下船体区域进行划分，每块区域在中横剖面的投影面积为S_i；

(1.3)在船体上划分的每块区域的中心位置安装一块传感器，传感器的总数量为船体上划分的区域的总数量。

优选的，安装仿鱼侧线装置时确定传感器的数量及安装位置具体包括以下步骤：

(1.1)确定船舶近岸侧及远离岸壁侧船体的吃水线位置，吃水线以下船体为传感器分布区域；

(1.2)根据船体周围水流的变化对吃水线以下船体区域进行划分，每块区域在中横剖面的投影面积为S_i；

(1.3)在船体上划分的每块区域的中心位置安装一块传感器，传感器的总数量为船体上划分的区域的总数量。

优选的，步骤(2)中所述的其中，p_i为传感器测量值，规定船舶左舷的数据为正，右舷的数据为负，A_i为传感器对应区域的压强作用面积，x_i为p_i作用点的位置坐标。

优选的，所述的步骤(3)中将F及M带入船舶操纵运动方程，使船舵产生的力矩与岸壁效应产生的干扰力矩平衡，实时解算出补偿舵角Δδ。

对于基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，所述的步骤(4)具体包括以下步骤：

(4.1)根据现有艏向控制解算出控制舵角δ₀；

(4.2)根据步骤(3)中解算出的补偿舵角Δδ计算舵角δ＝δ₀+Δδ；

(4.3)将舵角δ输入船舶的自动舵装置，自动舵装置操作相应舵角，控制船舶航向，同时产生一个与干扰力矩大小相等、方向相反的补偿力矩，使船舶收到的力矩平衡，主动消除岸壁效应的影响，实现前馈控制。

本发明的有益效果在于：本发明提出了一种基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，该方法将仿鱼侧线应用于岸壁效应的测量与船舶艏向保持中，与现有的岸壁效应研究方法相比具有以下优势：

(1)不需要复杂的建模计算过程，所以不受船体曲面、水文以及岸壁形状的限制，具有普遍适用性；

(2)与通过计算得到的干扰力和力矩相比，本发明提出的用传感器测量的结果精准度更高；

(3)本方法中测量得到的数据是实时获取的，可以在线、实时补偿岸壁效应的不利影响，实现艏向的前馈补偿控制，使得艏向控制效果更好。

附图说明

图1为本发明中基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法的原理示意图；

图2为本发明中传感器安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

结合图1，本发明公开了一种基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，将仿鱼侧线应用到消除岸壁效应影响上，以控制船舶近岸行驶时的艏向，主要步骤包括：

(1)在船体两侧(近岸侧和远离岸壁侧)指定位置布置一定数量的压力传感器，并且经过压强传感器数据采集系统将数据传输给上位机，即形成了仿鱼侧线装置；

(2)根据流体力学中，流体作用于曲面时的压力计算原理，可以计算出岸壁效应在船体上产生的力及力矩其中，pi为传感器测出的压强，为了建模方便，规定左舷的数据为正、右舷的数据为负，A_i为压强作用面积，x_i为p_i作用点的位置坐标；

(3)将F与M代入船舶操纵运动方程，使干扰力矩与舵产生的力矩平衡，即可解算出补偿舵角Δδ；

(4)将舵角δ＝δ₀+Δδ给船舶的自动舵装置，使其操相应舵角，即可主动补偿岸壁效应的影响，避免岸壁效应持续作用下导致航态尤其是艏向发生变化，其中，δ₀表示不受岸壁效应影响时的控制舵角。

优选的，步骤(1)中先将船体两侧吃水线附近及以下划分为若干区域，每块区域在中横剖面的投影面积为S_i，并在中心位置布置一块压力传感器。而区域的划分是根据船体周围水流的变化，在船艏和船艉附近，船体型线变化较快，导致水流变化更加激烈，压强的分布更加不均匀，所以艏艉区域的划分较为密集。船中部的型线变化相对平缓，传感器可以少布置一些。

优选的，步骤(2)中规定了传感器测出来的数据符号(左舷的数据为正、右舷的数据为负)，根据流体作用于固体曲面时压力计算的原理，计算出流体实时作用在船体上的力和力矩。

优选的，步骤(3)中，将步骤(2)中得到的F与M代入船舶操纵运动方程，使干扰力矩与舵产生的力矩平衡，实时解算出补偿舵角Δδ。

优选的，步骤(4)中，在现有艏向控制解算出的控制舵角δ₀的基础上，根据步骤(3)中解算出的补偿舵角Δδ，得到实时期望δ给船舶的自动舵装置，使其操相应舵角，满足船舶航向控制的同时，再产生一个与干扰力矩大小相等，方向相反的补偿力矩，使船舶受到的力矩平衡，以主动消除岸壁效应的影响，实现前馈控制。

实施例1

结合图2，以船舶重心G₀为原点，船长方向为X轴，横方向为Y轴，竖直向下为Z轴建立坐标系。建立船体坐标系。先将船体两侧吃水线附近及以下划分为若干区域，理论上区域划分越细，传感器数量越多，结果越精准。假设每块区域在中横剖面的投影面积为S_i，并在中心位置布置一块压力传感器。而区域的划分是根据船体周围水流的变化，在船艏和船艉附近，船体型线变化较快，导致水流变化更加激烈，压强的分布更加不均匀，所以艏艉区域的划分较为密集。船中部的型线变化相对平缓，传感器可以布置少一些。在无人艇上左右两边对称位置进行布置，以此来测量无人艇在近岸行驶时在岸壁效应的影响下，艇体两侧流体压强的数值。计算出流体作用在船体上的力及力矩:

其中，p_i为传感器测出的压强，左舷的数据为正、右舷的数据为负，A_i为压强作用面积，x_i为p_i作用点的横坐标。

舵产生的力及力矩的表达式为：

式中：F_N表示的是舵的正压力，且有：

α_H表示横向力修正因子，t_R表示舵的舵力减额分数，χ_H表示横向力作用线到船舶重心之间的距离，x_R表示横向力作用点的纵向坐标。且有λ为舵展弦比，α_R一般取舵角δ。

N_R表示舵产生的力矩。因为岸壁效应对船舶艏向的影响，主要是因为其产生的干扰力矩M，所以只要满足N_R＝-M，就可以消除岸壁效应对船舶艏向的干扰。即：

解得：

即岸壁效应补偿舵角：

则期望舵角：

δ＝δ₀+Δδ

其中，δ₀表示不受岸壁效应影响时由艏向控制器解算出来的控制舵角，以PID控制为例:

其中，e(t)表示期望艏向与实际艏向的差值。

将期望舵角δ给船舶的自动舵装置，使其操相应舵角，在艏向控制的基础上，产生一个与干扰力矩大小相等、方向相反的力矩，使船舶受到的力矩平衡，消除岸壁效应的影响，从而达到前馈控制的目的，提高艏向控制的稳定性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，其特征在于，利用仿鱼侧线的方法消除岸壁效应影响，控制船舶近岸行驶时的艏向，具体包括以下步骤：

(1)在船舶近岸侧及远离岸壁侧的船体上分别安装仿鱼侧线装置；

(2)利用流体力学中流体作用于曲面时的压力计算原理，计算岸壁效应对船体产生的力F及力矩M；

(3)将F及M带入船舶操纵运动方程，计算补偿舵角Δδ；

(4)计算舵角δ＝δ₀+Δδ，并将舵角输入船舶的自动舵装置，控制船舶运行方向；其中δ₀为不受岸壁效应影响时的控制舵角。

2.根据权利要求1所述的基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，其特征在于：步骤(1)中所述的仿鱼侧线装置包括传感器模块、数据采集模块及上位机系统；传感器模块安装在船体上，数据采集模块集中采集传感器测量值并将数据传输给上位机系统。

3.根据权利要求2所述的基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，其特征在于：所述的传感器模块中的传感器的数量由船体的型号、体积决定；所述的传感器为压力传感器。

4.根据权利要求1或2所述的基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，其特征在于，安装仿鱼侧线装置时确定传感器的数量及安装位置具体包括以下步骤：

(1.1)确定船舶近岸侧及远离岸壁侧船体的吃水线位置，吃水线以下船体为传感器分布区域；

(1.2)根据船体周围水流的变化对吃水线以下船体区域进行划分，每块区域在中横剖面的投影面积为S_i；

(1.3)在船体上划分的每块区域的中心位置安装一块传感器，传感器的总数量为船体上划分的区域的总数量。

5.根据权利要求3所述的基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，其特征在于，安装仿鱼侧线装置时确定传感器的数量及安装位置具体包括以下步骤：

(1.1)确定船舶近岸侧及远离岸壁侧船体的吃水线位置，吃水线以下船体为传感器分布区域；

(1.2)根据船体周围水流的变化对吃水线以下船体区域进行划分，每块区域在中横剖面的投影面积为S_i；

(1.3)在船体上划分的每块区域的中心位置安装一块传感器，传感器的总数量为船体上划分的区域的总数量。

6.根据权利要求1所述的基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，其特征在于：步骤(2)中所述的其中，p_i为传感器测量值，规定船舶左舷的数据为正，右舷的数据为负，A_i为传感器对应区域的压强作用面积，x_i为p_i作用点的位置坐标。

7.根据权利要求1所述的基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中将F及M带入船舶操纵运动方程，使船舵产生的力矩与岸壁效应产生的干扰力矩平衡，实时解算出补偿舵角Δδ。

8.根据权利要求1所述的基于仿鱼侧线的岸壁效应测量及船舶艏向补偿控制方法，其特征在于，所述的步骤(4)具体包括以下步骤：

(4.1)根据现有艏向控制解算出控制舵角δ₀；

(4.2)根据步骤(3)中解算出的补偿舵角Δδ计算舵角δ＝δ₀+Δδ；

(4.3)将舵角δ输入船舶的自动舵装置，自动舵装置操作相应舵角，控制船舶航向，同时产生一个与干扰力矩大小相等、方向相反的补偿力矩，使船舶收到的力矩平衡，主动消除岸壁效应的影响，实现前馈控制。