无人帆船翼帆特性分析与建模
文献类型：学位论文
| 作者 | 孙朝阳 |
| 答辩日期 | 2021-05-19 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 张艾群 ; 俞建成 |
| 关键词 | 海洋机器人 无人帆船 风帆驱动 翼帆 航行性能预报 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 机械电子工程 |
| 其他题名 | Modelling and Analysis of Autonomous sailboat Wing Sail |
| 英文摘要 | 风帆是无人帆船将风能转化为航行驱动力的核心装置，刚性翼帆是适用于无人帆船的新型高性能风帆。翼帆的性能直接决定着无人帆船的整体性能，翼帆的研究也是无人帆船研究领域的热点问题。本文以用于海洋环境观测的小型无人帆船作为研究对象，结合机器人学国家重点实验室自主课题“基于可折叠帆的无人帆船航速控制研究”、蒋新松创新基金“基于速度最优的无人帆船翼帆形位参数优化研究”等项目需求，针对翼帆的关键参数对无人帆船航行性能的影响进行了分析与研究，论文的具体内容如下：1、融合海流信息的无人帆船航行性能预报建模。建立无人帆船的航行性能预报模型并进行性能预报是开展翼帆性能研究的基础，也是进行翼帆控制的关键。针对海流的存在对无人帆船航行性能的影响，基于帆船的航行驱动机理，分析了海流影响无人帆船航行性能的主要因素，将海流信息融入到了无人帆船航行性能预报的初始阶段。基于稳态下力/力矩平衡方程建立了无人帆船二自由度力学模型，并将无人帆船航行速度定义为必须最大化的目标函数进行寻优求解。通过该模型分析了近岸潮汐流和大洋风生海流对无人帆船在不同航向上的航速和翼帆控制策略的影响，同时为分析翼帆参数对无人帆船航行性能的影响提供了模型。2、翼型与展弦比对无人帆船航行性能影响研究。结合无人帆船的驱动机理分析了不同翼型对无人帆船航行性能的影响机理，基于无人帆船航行性能预报模型分析了NACA四位数对称翼型中不同厚度翼型对帆船的航速、横倾角和控制功耗的影响。分析了展弦比变化及其关联变化因素对无人帆船航行性能的影响，着重考虑了高度方向上风力梯度的存在对翼帆空气动力学性能的影响，针对考虑风力梯度后不同高度上翼帆攻角不同的问题，采用沿着翼帆高度方向对翼面进行离散化处理，分别计算各个单元的航行驱动力后再进行求和，以总体性能目标为最优进行综合寻优处理的方法，研究了展弦比对航速和横倾角的影响。3、翼帆面积对无人帆船航行性能影响研究。针对一定工况下最大翼帆面积的计算问题，结合船舶浮性原理和大倾角稳性机理，基于稳性校核方法建立了帆-船耦合的翼帆最大许用面积计算模型，并在该模型的基础上推导了以稳性为约束条件的风速-帆面积关系模型。基于面积可变的翼帆，分析了基于帆面积调节的无人帆船航速调节方法，并与通过改变攻角实现无人帆船航速调节的方案进行了对比分析。4、双翼帆驱动系统升力系数影响因素研究。使用双帆驱动是降低翼帆产生的横倾力矩、降低无人帆船重心，提高无人帆船横稳性的重要方法之一。建立了基于涡面元法的双翼型压力分布系数与升力系数数值计算模型，将涡面元法从单元素扩展到了双元素。基于该模型分析了前后帆间距、翼型、攻角、弦长比等因素对双帆驱动系统总升力系数影响的变化规律，为无人帆船双翼帆的设计提供了重要理论参考。5、无人帆船关键技术海试验证。从无人帆船航行驱动机理出发，针对翼帆特性分析研究结果，开展了无人帆船试验平台的设计，研制出了“海鸥”号无人帆船并开展了海上试验。海上试验时翼帆的控制策略采用基于本文无人帆船航行性能预报模型中得到的翼帆攻角控制预报结果。对无人帆船在不同航向下的航速进行了测试，并与航速预报值进行了对比分析，验证了无人帆船航行性能预报模型的准确性。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 148页 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/29003]  |
| 专题 | 海洋机器人卓越创新中心 |
| 作者单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 孙朝阳. 无人帆船翼帆特性分析与建模[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：沈阳自动化研究所
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