噴水推進(jìn)無人艇六自由度運(yùn)動建模與仿真研究.pdf

1、水面無人艇（Unmanned Surface Vehicle，簡稱USV）是一種無人操作且具備自主航行能力的水面艦艇，具有高智能性、航速快、航程遠(yuǎn)、機(jī)動性強(qiáng)和隱蔽性好等優(yōu)點。近年來，各國政府和研究機(jī)構(gòu)出于對周邊海域的軍事、商業(yè)和科研方面的需要，加大了對無人艇相關(guān)技術(shù)的研發(fā)力度。但是，由于無人艇動態(tài)特性的非線性、隨機(jī)性、高階性、強(qiáng)耦合性和易受環(huán)境影響等特點，大大增加了對其研發(fā)工作的難度和危險性。因此，為了使研究者能夠準(zhǔn)確地預(yù)測和掌握無人艇

2、的操縱運(yùn)動特征，對無人艇本身的運(yùn)行特性進(jìn)行研究并建立相應(yīng)的無人艇運(yùn)動數(shù)學(xué)模型顯得尤其重要，同時，也具有重要的實際應(yīng)用價值。
　　本文在總結(jié)前人的船舶運(yùn)動數(shù)學(xué)模型和無人艇運(yùn)動的研究成果的基礎(chǔ)上，并結(jié)合實船試驗數(shù)據(jù)，對某機(jī)構(gòu)研發(fā)的9米噴水推進(jìn)無人艇的六自由度運(yùn)動建模與仿真進(jìn)行了研究，并做出了如下工作:
　　1.分析無人艇的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特征，討論作用在無人艇上的各種力和力矩的計算方法，并根據(jù)MMG（船舶操縱運(yùn)動數(shù)學(xué)模型研討小組）

3、建模思想，建立無人艇六自由度運(yùn)動數(shù)學(xué)模型。首先，針對無人艇水動力受力特點，對其進(jìn)行了受力分析，按照受力性質(zhì)，將實際海況中無人艇的受力分為重力、噴水推進(jìn)力、流體水動力和環(huán)境干擾力。然后，針對流體水動力進(jìn)行了深入地研究和討論，提出了將艇體所受的水動壓力和水動阻力合并為水動壓阻合力來統(tǒng)一計算，并利用理論公式和試驗數(shù)據(jù)擬合方法，給出了各項水動力的數(shù)學(xué)模型。介紹了噴水推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)和原理，根據(jù)動能定理和動量定理，給出了噴水推進(jìn)力模型，并提出了流量分

4、析法，得到了噴水口偏角和倒車斗開合度對推進(jìn)力的影響。最后，根據(jù)MMG分離機(jī)理建模思想，將各模型組合為完整的噴水推進(jìn)無人艇六自由度運(yùn)動數(shù)學(xué)模型。
　　2.根據(jù)某噴水推進(jìn)無人艇的船體參數(shù)，在Matlab/Simulink中建立相應(yīng)的無人艇仿真運(yùn)動模型，并利用實船海測數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行驗證。首先對無人艇進(jìn)行介紹，并給出主要船體參數(shù)。然后，在上述數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用Matlab/Simulink工具建立無人艇運(yùn)動仿真模型，并按照實船海測的

5、試驗流程進(jìn)行仿真實驗。最后，通過將仿真結(jié)果與實船海測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，吻合度很好，驗證了本文建立的數(shù)學(xué)模型的有效性和準(zhǔn)確性。
　　3.在上述驗證仿真實驗的基礎(chǔ)上，對該模型進(jìn)行了多種運(yùn)動狀況的仿真實驗，包括:直航變速運(yùn)動、主動制動/倒車運(yùn)動、全速域回轉(zhuǎn)運(yùn)動和環(huán)境干擾力影響下的運(yùn)動仿真實驗，并根據(jù)無人艇的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)原理，對其六個自由度運(yùn)動狀態(tài)的仿真結(jié)果進(jìn)行分析。分析表明:該模型的仿真結(jié)果與理論相符，與實際相近，可用于無人艇的運(yùn)動性能特