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极区全垫升气垫船运动建模及操纵控制仿真研究
| 论文题名： | 极区全垫升气垫船运动建模及操纵控制仿真研究 |
| 关键词： | 气垫船;极区航行;运动建模;操纵控制 |
| 摘要： | 科技的高速发展使人类将目光从陆地转向极地，随着“海洋强国”和“冰上丝绸之路”等国家战略的相继提出，我国极地考察事业得到了广泛关注并取得了令人瞩目的成果。在极地科考期间，通常利用雪地车和直升机完成物资运输或人员转运等任务，但两者皆有明显劣势，为了弥补运输工具方面的不足之处，极区全垫升气垫船应运而生。气垫船不仅能够高航速两栖行驶而且越障能力优越，也具有不俗的运输能力，但在极区覆雪冰层条件下，船体航行时易发生侧滑甚至甩尾现象，无法保障气垫船航行安全。本文针对极区气垫船运动特点，以模型试验数据为参考，建立相应的运动模型，深入研究气垫船运动控制特性并开发模拟器软件，为提高气垫船极区航行安全性提供方案。 首先，为了缩减实船研发与制造周期，减少实船试验时的成本与风险，本文根据相似理论制作等缩比气垫船模型并设计极区气垫船冰面模拟试验，实际测量出模型船纵向力、横向力与艏向力矩，对模型试验结果进行分析，推导出实船平面摩擦系数，包括纵向摩擦系数、横向摩擦系数和艏摇摩擦系数，并通过与文献数据对比验证其有效性，为气垫船六自由度模型建立提供数据支持。 其次，从建立气垫船运动参考坐标系入手，完成固定坐标系与运动坐标系的相互转换，考虑冰面摩擦力和空气动力对船体的影响，对气垫船推进装置和操纵装置等模块进行建模仿真验证，最终完成极区全垫升气垫船六自由度运动数学模型。通过有风和无风两种工况下的气垫船模型直航和回转特性分析，得出气垫船在极区地形环境航行受风影响明显且易侧滑的特点。 然后，针对气垫船在极区行驶时易侧滑问题，分析气垫船在冰面上的操纵控制特点及难点，以极区全垫升气垫船六自由度运动数学模型为研究基础，设计适合气垫船冰面航行的操纵控制器，完成气垫船初始航速与螺距角的匹配特性分析，并对其航速保持、航向保持和抑制侧滑三方面进行仿真验证，进而设计路径导引系统完成气垫船定点跟踪功能。 最后，在Qt Creator集成开发环境下使用C++编程语言开发极区全垫升气垫船操纵控制模拟器软件，为其设计用户友好型UI界面。软件分为控制界面和显示/控制一体界面，两部分通过UDP数据通信接口完成信号传输任务，在仿真模拟中，两个界面分布在仿真驾控台的两块显示屏上。此软件不仅可以直观展示气垫船实时运动参数，而且在无线网络覆盖范围内，软件还可以模拟远程操纵气垫船的情形，通过直航模式、回转模式以及路径导引模式验证模拟器软件功能。 |
| 作者： | 贾定睿 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 王庆;高嵩 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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