CN115180085A - 一种无人帆船的航速估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人帆船的航速估算方法，涉及无人帆船测速技术领域。本发明包括如下步骤：步骤S1：建立全局坐标系OOx0y0z0和船体坐标系Oxyz；步骤S2：帆船平衡状态下，计算漂角β；步骤S3：利用速度三角形求得相对风速和相对风向角，建立空气动力模型；步骤S4：确定四自由度船舶动力学模型、附加质量和转动惯性矩；步骤S5：计算船体受力；步骤S6：检测各个力的平衡。本发明通过使用全局坐标系和船体坐标系建立帆船动力学模型，计算船体受力和风帆受力，由推力和阻力计算更新航速，由偏航力矩调整舵角，为帆船的路径规划提供合理的航速输入；合理估算帆船整个航程的航行时间，方便监测人员对于无人帆船执行任务做出合理的时间调度。

Description

一种无人帆船的航速估算方法

技术领域

本发明属于无人帆船测速技术领域，特别是涉及一种无人帆船的航速估算方法。

背景技术

无人帆船以自然风能为动力在海面航行，特别适合于海气界面环境要素的长期连续观测，可为探究海洋前沿问题提供数据支撑。近年来，小型无人帆船已经被广泛应用到诸多海事领域，并取得了卓有成效的进展。

无人帆船自主航行系统由观测、决策、控制三个模块组成，决策模块根据任务信息、海洋地理信息、速度预报信息和实时观测结果进行决策，动态生成局部路径完成对碍航物的规避。

现有的无人帆船控制系统中预测帆船航速大部分以当前观测值为主，缺乏准确性及时效性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人帆船的航速估算方法，通过使用全局坐标系和船体坐标系建立帆船动力学模型，计算船体受力和风帆受力，由推力和阻力计算更新航速，由偏航力矩调整舵角，解决了现有的帆船航行时速预测不准确、缺乏准确性和时效性的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种无人帆船的航速估算方法，包括如下步骤：

步骤S1：建立全局坐标系OOx0y0z0和船体坐标系Oxyz；

步骤S2：帆船平衡状态下，计算漂角β；

步骤S3：利用速度三角形求得相对风速和相对风向角，建立空气动力模型；

步骤S4：确定四自由度船舶动力学模型、附加质量和转动惯性矩；

步骤S5：计算船体受力；

步骤S6：检测各个力的平衡，若不平衡则将步骤S2至步骤S5的计算结果带入步骤S1后重复计算。

作为一种优选的技术方案，所述步骤S1中，全局坐标系中x0轴正向指向正北、y0轴正向指向正东、z0轴正向指向地心，船体坐标系中原点O位于船舶重心、x轴正向位于船体中纵剖面指向前、y轴正向位于船体中横剖面指向右、z轴正向位于船体中纵剖面指向上。

作为一种优选的技术方案，所述步骤S2中，漂角β的计算公式如下：

χ＝β+ψ

式中，β为漂角，χ为帆船航向角，ψ为帆船艏向角，Φ为横倾角，u为帆船沿船体坐标系x轴的速度分量，v为帆船沿船体坐标系y轴的速度分量。

作为一种优选的技术方案，所述步骤S3中，相对风向角和相对风速计算公式如下：

V_AWx＝V_Twn cosψ+V_TWe sinψ-u

V_AWy＝-V_Twn sinψcosφ+V_TWe cosψcosφ-v

式中，V_TW为绝对风速，V_TWn、V_TWe分别为绝对风速V_TW在大地坐标系北向轴和东向轴上的分量；β_TW为绝对风向角；V_AW为相对风速；β_AW为相对风向角。

作为一种优选的技术方案，所述步骤S4中，四自由度船舶动力学模型公式如下：

式中，m、m_x、m_y分别为船体质量、纵向附加质量、横向附加质量；u、v、r、p分别为纵向速度、横向速度、转首角速度、横摇角速度；I_zz、J_zz分别为船体绕z轴的转动惯性矩、船体绕z轴的附加转动惯性矩；I_xx、J_xx分别为船体绕x轴的转动惯性矩、船体绕x轴的附加转动惯性矩；X_H、X_K、X_R、X_S分别为表示船体、龙骨、舵、帆受到的纵向力；Y_H、Y_K、Y_R、Y_S分别为表示船体、龙骨、舵、帆受到的横向力；N_H、N_K、N_R、N_S分别为表示船体、龙骨、舵、帆受到的转首力矩。

作为一种优选的技术方案，所述步骤S5中，船体受力的计算，包括船体纵向力计算、船体横向力及力矩计算、船体横倾力矩计算；

所述船体纵向力计算公式如下：

c_m＝1.75C_b-0.525；

式中，C_b为方形系数；

所述船体横向力计算公式如下：

Y_H＝Y_vv+Y_rr+Y_vv|v|v+Y_rr|r|r+Y_vvrv²r+Y_vrrvr²

所述船体横向力矩计算公式如下：

N_H＝N_vv+N_rr+N_vv|v|v+N_rr|r|r+N_vvrv²r+N_vrrvr²；

式中，L为水线面船长，B为水线面船宽，d为吃水，C_b为方形系数；

所述风帆受力计算公式如下：

α_S＝β_AW-σ_s

式中，F_LS为风帆升力_S，F_DS为风帆阻力，c_L、c_D是对应风帆攻角的升力、阻力系数，α_S为风帆的攻角，β_AW为对风向角，σ_S为帆角，ρ_A为空气密度，V_AW为相对风速，S_S为风帆的面积。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过使用全局坐标系和船体坐标系建立帆船动力学模型，计算船体受力和风帆受力，由推力和阻力计算更新航速，由偏航力矩调整舵角，为帆船的路径规划提供合理的航速输入；合理估算帆船整个航程的航行时间，方便监测人员对于无人帆船执行任务做出合理的时间调度。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为帆船在全局坐标系和船体坐标系下的示意图；

图2为帆船平衡状态下，沿船体坐标系的示意图；

图3为一种无人帆船的航速估算方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图3所示，本发明为一种无人帆船的航速估算方法，包括如下步骤：

步骤S1：建立全局坐标系OOx0y0z0和船体坐标系Oxyz；

步骤S2：帆船平衡状态下，计算漂角β；

步骤S3：利用速度三角形求得相对风速和相对风向角，建立空气动力模型；

步骤S4：确定四自由度船舶动力学模型、附加质量和转动惯性矩；

步骤S5：计算船体受力；

步骤S6：检测各个力的平衡，若不平衡则将步骤S2至步骤S5的计算结果带入步骤S1后重复计算。

请参阅图1-2所示，步骤S1中，全局坐标系中x0轴正向指向正北、y0轴正向指向正东、z0轴正向指向地心，船体坐标系中原点O位于船舶重心、x轴正向位于船体中纵剖面指向前、y轴正向位于船体中横剖面指向右、z轴正向位于船体中纵剖面指向上。

步骤S2中，由于受风帆侧向力的影响，帆船平衡状态下必然存在一个较大的漂角β，因此帆船航向角χ与艏向角ψ也有较大差别，漂角β的计算公式如下：

χ＝p+ψ

式中，β为漂角，χ为帆船航向角，ψ为帆船艏向角，Φ为横倾角，u为帆船沿船体坐标系x轴的速度分量，v为帆船沿船体坐标系y轴的速度分量。

步骤S3中，风速通常指的是环境风在全局坐标系中的速度，在船舶航行中由于船速的存在，而在船体坐标系上测量的风速是相对风速，相对风与x轴的夹角称为相对风向角。在建立空气动力模型的过程中，风帆的受力随相对风向角的改变。相对风速和相对风向角可以由速度三角形求得。在实际航行中，作用在风帆上的风帆和风速还会受到横倾角和纵倾角的影响，采用有效风向角和有效风速来计算风帆受力。由于其他因素对有效风向角和有效风速的影响较小，仅考虑横倾角对相对风速产生的影响，相对风向角和相对风速计算公式如下：

V_AWx＝V_Twn cosψ+V_TWe sinψ-u

V_AWy＝-V_TWn sinψcosφ+V_TWe cosψcosφ-v

式中，V_TW为绝对风速，V_TWn、V_TWe分别为绝对风速V_TW在大地坐标系北向轴和东向轴上的分量；β_TW为绝对风向角；V_AW为相对风速；β_AW为相对风向角。

步骤S4中，四自由度船舶动力学模型公式如下：

式中，m、m_x、m_y分别为船体质量、纵向附加质量、横向附加质量；u、v、r、p分别为纵向速度、横向速度、转首角速度、横摇角速度；I_zz、J_zz分别为船体绕z轴的转动惯性矩、船体绕z轴的附加转动惯性矩；I_xx、J_xx分别为船体绕x轴的转动惯性矩、船体绕x轴的附加转动惯性矩；X_H、X_K、X_R、X_S分别为表示船体、龙骨、舵、帆受到的纵向力；Y_H、Y_K、Y_R、Y_S分别为表示船体、龙骨、舵、帆受到的横向力；N_H、N_K、N_R、N_S分别为表示船体、龙骨、舵、帆受到的转首力矩。

步骤S5中，船体受力的计算，包括船体纵向力计算、船体横向力及力矩计算、船体横倾力矩计算；

船体纵向力计算公式如下：

c_m＝1.75C_b-0.252；

式中，C_b为方形系数；

船体横向力计算公式如下：

Y_H＝Y_vv+Y_rr+Y_vv|v|v+Y_rr|r|r+Y_vvrv²r+Y_vrrvr²

船体横向力矩计算公式如下：

N_H＝N_vv+N_rr+N_vv|v|v+N_rr|r|r+N_vvrv²r+N_vrrvr²；

式中，L为水线面船长，B为水线面船宽，d为吃水，C_b为方形系数；

风帆受力计算公式如下：

α_S＝β_AW-σ_S

式中，F_LS为风帆升力_S，F_DS为风帆阻力，c_L、c_D是对应风帆攻角的升力、阻力系数，α_S为风帆的攻角，β_AW为对风向角，σ_S为帆角，ρ_A为空气密度，V_AW为相对风速，S_S为风帆的面积。

确定相对风速和相对风角，假定航速、横倾角、漂角、舵角，计算风帆受力和力矩，由横倾力矩和回复力矩计算更新横倾角，由推力和风帆侧向力比值与阻力和船体侧向力的比值计算更新漂角，由推力和阻力计算更新航速，由偏航力矩调整舵角，最后检查各个力的平衡，如不平衡则将前几步结果代入第一步重复计算。

值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种无人帆船的航速估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：建立全局坐标系OOx0y0z0和船体坐标系Oxyz；

步骤S2：帆船平衡状态下，计算漂角β；

步骤S3：利用速度三角形求得相对风速和相对风向角，建立空气动力模型；

步骤S4：确定四自由度船舶动力学模型、附加质量和转动惯性矩；

步骤S5：计算船体受力；

步骤S6：检测各个力的平衡，若不平衡则将步骤S2至步骤S5的计算结果带入步骤S1后重复计算。

2.根据权利要求1所述的一种无人帆船的航速估算方法，其特征在于，所述步骤S1中，全局坐标系中x0轴正向指向正北、y0轴正向指向正东、z0轴正向指向地心，船体坐标系中原点O位于船舶重心、x轴正向位于船体中纵剖面指向前、y轴正向位于船体中横剖面指向右、z轴正向位于船体中纵剖面指向上。

3.根据权利要求1所述的一种无人帆船的航速估算方法，其特征在于，所述步骤S2中，漂角β的计算公式如下：

χ＝β+ψ

式中，β为漂角，χ为帆船航向角，ψ为帆船艏向角，Φ为横倾角，u为帆船沿船体坐标系x轴的速度分量，v为帆船沿船体坐标系y轴的速度分量。

4.根据权利要求1所述的一种无人帆船的航速估算方法，其特征在于，所述步骤S3中，相对风向角和相对风速计算公式如下：

式中，V_TW为绝对风速，V_TWn、V_TWe分别为绝对风速V_TW在大地坐标系北向轴和东向轴上的分量；β_TW为绝对风向角；V_AW为相对风速；β_AW为相对风向角。

5.根据权利要求1所述的一种无人帆船的航速估算方法，其特征在于，所述步骤S4中，四自由度船舶动力学模型公式如下：

式中，m、m_x、m_y分别为船体质量、纵向附加质量、横向附加质量；u、v、r、p分别为纵向速度、横向速度、转首角速度、横摇角速度；I_zz、J_zz分别为船体绕z轴的转动惯性矩、船体绕z轴的附加转动惯性矩；I_xx、J_xx分别为船体绕x轴的转动惯性矩、船体绕x轴的附加转动惯性矩；X_H、X_K、X_R、X_S分别为表示船体、龙骨、舵、帆受到的纵向力；Y_H、Y_K、Y_R、Y_S分别为表示船体、龙骨、舵、帆受到的横向力；N_H、N_K、N_R、N_S分别为表示船体、龙骨、舵、帆受到的转首力矩。

6.根据权利要求1所述的一种无人帆船的航速估算方法，其特征在于，所述步骤S5中，船体受力的计算，包括船体纵向力计算、船体横向力及力矩计算、船体横倾力矩计算；

所述船体纵向力计算公式如下：

c_m＝1.75C_b-0.525；

式中，C_b为方形系数；

所述船体横向力计算公式如下：

Y_H＝Y_vv+Y_rr+Y_vv|v|v+Y_rr|r|r+Y_vvrv²r+Y_vrrvr²

所述船体横向力矩计算公式如下：

N_H＝N_vv+N_rr+N_vv|v|v+N_rr|r|r+N_vvrv²r+N_vrrvr²；

式中，L为水线面船长，B为水线面船宽，d为吃水，C_b为方形系数；

所述风帆受力计算公式如下：

α_S＝β_AW-σ_S

式中，F_LS为风帆升力S，F_DS为风帆阻力，c_L、c_D是对应风帆攻角的升力、阻力系数，α_S为风帆的攻角，β_AW为对风向角，σ_S为帆角，ρ_A为空气密度，V_AW为相对风速，S_S为风帆的面积。

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