水面无人艇摇荡运动模式辨识系统设计分析
从上世纪90年代开始，一些新型复合型船的异军突起带动着相关领域的技术水平不断得提高，在这样一个背景之下，笔者参与设计了一艘复合高性能三体船的船模，完成了三体船的选型及制作，包括主体和侧体的选择，以及上层建筑的制作。通过船舶摇荡运动试验，我们最终得到了该船模在静水中的自由衰减角度，角速度还有加速度等实验值。同时，我们在结合船舶摇荡运动先驱知识的基础上，提出了一种摇荡运动模式的分析方法，运用系统辨识的相关理论知识，采用遗传优化算法和系统辨识相结合的思想，建立了带有多个未知参数的待辨识优化数学模型，用Visual Basic编制辨识程序软件，将实验数据导入辨识软件，利用遗传算法模拟自然进化过程对待辨识优化数学模型参数进行求解，得出预先设计的未知参数，从而确定确定船舶相应运动微分方程，相对误差在5%以内。关键词：三体船；摇荡运动；系统辨识；船模实验 目录
第一章 绪论 - 1 -
1.1引言 - 1 -
1.2 选题的目的和意义 - 1 -
1.3 水面无人艇国内外发展概况 - 1 -
1.3.1 国外发展概况： - 1 -
1.3.2 国内发展概况 - 2 -
1.4 本次设计的难点： - 3 -
第二章 船型选择 - 4 -
2.1 引言 - 4 -
2.2 船模选型 - 4 -
2.2.1 主体船选型 - 4 -
2.2.2 侧船体选型 - 4 -
2.3 静水力计算 - 5 -
2.4 船模推进系统的设计与安装 - 17 -
2.4.1 螺旋桨的设计与选型 - 17 -
2.4.2 主机选型 - 19 -
2.4.3 推进系统的安装 - 19 -
2.5 船模操作系统的安装与设计 - 20 -
2.5.1 舵叶的设计 - 20 -
2.5.2 舵计算 - 20 -
2.5.3 舵的数目和安装形式的选择 - 22 -
2.6 本章小结 - 23 -
第三章 船舶制作 - 24 -
3.1 船模制作 - 24 -
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
安装 - 19 -
2.5 船模操作系统的安装与设计 - 20 -
2.5.1 舵叶的设计 - 20 -
2.5.2 舵计算 - 20 -
2.5.3 舵的数目和安装形式的选择 - 22 -
2.6 本章小结 - 23 -
第三章 船舶制作 - 24 -
3.1 船模制作 - 24 -
3.1.1 主船体的制作 - 24 -
3.1.2 上层建筑的安装 - 26 -
3.1.3 船体内部设备的安装 - 26 -
3.2 实验设备和仪器 - 27 -
3.2.1 MTi - 27 -
3.2.2三维电子罗盘 - 27 -
第四章 数学模型与辨识 - 29 -
4.1 数学模型与辨识 - 29 -
4.1.1 数学模型的概念及建模要求 - 29 -
4.1.2 辨识的简介 - 30 -
4.1.3 系统辨识的研究目的 - 30 -
4.1.4 系统辨识的方法 - 31 -
4.2 优化方法 - 31 -
4.2.1 传统优化方法 - 31 -
4.2.2 遗传算法 - 32 -
4.2.3遗传算法的优点 - 32 -
4.3 三体船摇荡运动模式系统辨识数学模型 - 33 -
4.3.1 阻尼力矩 - 33 -
4.3.2 恢复力矩 - 33 -
4.3.3 惯性力矩 - 34 -
4.3.4 横摇数学模型 - 34 -
4.3.5 纵摇和垂荡数学模型 - 35 -
4.4 损失函数 - 35 -
4.5 辨识方法 - 36 -
4.6 本章小结 - 36 -
第五章 实验 - 38 -
5.1 实验地点及环境 - 38 -
5.2 实验前的准备 - 38 -
5.2.1 船体设备的安装与检查 - 39 -
5.2.2 场地的确认及设备的搬运 - 40 -
5.3 实验过程及注意事项 - 40 -
5.4 实验记录 - 41 -
5.5 总结 - 42 -
5.5.1 横摇实验数据的分析 - 42 -
5.5.2 辨识误差以及预报误差分析 - 45 -
第六章 总结与展望 - 47 -
6.1 总结 - 47 -
6.2 论文展望工作 - 47 -
致谢 - 48 -
参考文献 - 50 -
绪论
1.1引言
在全球科学技术飞速发展的21世纪，先进的科学和核心的技术已然成为了世界各个国家竞相追逐和暗中比较的重要领域。在这样的时代背景之下，我国的海军现代化建设是一场适应全球新军事变革的系统工程。而近些年来，计算机智能处理信息的能力飞速发展，这为无人机的开发提供了良好的科学基础，现在，世界各国对于无人驾驶等设备越来越重视，而无人机技术也确实得到了充分法发展。加之现在海洋资源得到了越来越多的重视，那么无人艇技术法飞速发展也是势在必行的。
1.2 选题的目的和意义
自从进入新的世纪以来，越来越多的高科技技术被研发并迅速得到发展，这些高科技得到了世界各国的高度重视。在这些飞速发展的科技之中，就有一种现代化武器的重要装备——无人作战系统。世界各国对此十分的重视。因此，在这些年来，无人作战系统在海/陆/空等多维领域都取得了长足的进步。
水面无人艇（unmanned surface vessel，简称USV），也就是一种不需要人为来操作的水面舰艇。执行危险任务是它的主要任务，也是重要用途之一，也或者是执行一些受条件限制，使得船上不能有船员登船的任务。无人艇的优势在于，只要配置先进，合适的设备，很多困难及危险的任务会变得简单得多，也安全得多。在无人水面艇的研制和开发方面，美3国及欧洲一些发达国家始终处于领先的地位。
我国在水面无人艇方面的发展情况还远不如美国和一些欧洲发达国家，所以研究这个课题，将对我国的国防科技，还有无人水面无人艇的发展都有着重要的意义。
1.3 水面无人艇国内外发展概况
1.3.1 国外发展概况：
众所周知，美国作为世界上唯一的一个超级大国，科学技术方面一直都是引领这个时代的先驱，这一点在水面无人艇上也是一样的。美国研发的水面无人艇有“斯巴达侦察兵”USV（SpartanScoutUSV），采用了模块化的设计能根据不同的任务需要进行不同模块的切换，属于美海军防御工程；美国的“幽灵”无人艇USV：“幽灵”的主要职能是：预警和预防，交货（<150公斤），海上监视和情报收集。除了这些无人船，也有不少美国企业开发了多种无人驾驶船只。例如，“拦截”USV，海军研究的大阻力USV像美国办公室机器人舰海军国际（MRVI）。 美国学者Matveev,Konstantin.I将三体船上层建筑上加装边翼，并在风洞中进行实验，测量了它的空气升力[1
第一章 绪论 - 1 -
1.1引言 - 1 -
1.2 选题的目的和意义 - 1 -
1.3 水面无人艇国内外发展概况 - 1 -
1.3.1 国外发展概况： - 1 -
1.3.2 国内发展概况 - 2 -
1.4 本次设计的难点： - 3 -
第二章 船型选择 - 4 -
2.1 引言 - 4 -
2.2 船模选型 - 4 -
2.2.1 主体船选型 - 4 -
2.2.2 侧船体选型 - 4 -
2.3 静水力计算 - 5 -
2.4 船模推进系统的设计与安装 - 17 -
2.4.1 螺旋桨的设计与选型 - 17 -
2.4.2 主机选型 - 19 -
2.4.3 推进系统的安装 - 19 -
2.5 船模操作系统的安装与设计 - 20 -
2.5.1 舵叶的设计 - 20 -
2.5.2 舵计算 - 20 -
2.5.3 舵的数目和安装形式的选择 - 22 -
2.6 本章小结 - 23 -
第三章 船舶制作 - 24 -
3.1 船模制作 - 24 -
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
安装 - 19 -
2.5 船模操作系统的安装与设计 - 20 -
2.5.1 舵叶的设计 - 20 -
2.5.2 舵计算 - 20 -
2.5.3 舵的数目和安装形式的选择 - 22 -
2.6 本章小结 - 23 -
第三章 船舶制作 - 24 -
3.1 船模制作 - 24 -
3.1.1 主船体的制作 - 24 -
3.1.2 上层建筑的安装 - 26 -
3.1.3 船体内部设备的安装 - 26 -
3.2 实验设备和仪器 - 27 -
3.2.1 MTi - 27 -
3.2.2三维电子罗盘 - 27 -
第四章 数学模型与辨识 - 29 -
4.1 数学模型与辨识 - 29 -
4.1.1 数学模型的概念及建模要求 - 29 -
4.1.2 辨识的简介 - 30 -
4.1.3 系统辨识的研究目的 - 30 -
4.1.4 系统辨识的方法 - 31 -
4.2 优化方法 - 31 -
4.2.1 传统优化方法 - 31 -
4.2.2 遗传算法 - 32 -
4.2.3遗传算法的优点 - 32 -
4.3 三体船摇荡运动模式系统辨识数学模型 - 33 -
4.3.1 阻尼力矩 - 33 -
4.3.2 恢复力矩 - 33 -
4.3.3 惯性力矩 - 34 -
4.3.4 横摇数学模型 - 34 -
4.3.5 纵摇和垂荡数学模型 - 35 -
4.4 损失函数 - 35 -
4.5 辨识方法 - 36 -
4.6 本章小结 - 36 -
第五章 实验 - 38 -
5.1 实验地点及环境 - 38 -
5.2 实验前的准备 - 38 -
5.2.1 船体设备的安装与检查 - 39 -
5.2.2 场地的确认及设备的搬运 - 40 -
5.3 实验过程及注意事项 - 40 -
5.4 实验记录 - 41 -
5.5 总结 - 42 -
5.5.1 横摇实验数据的分析 - 42 -
5.5.2 辨识误差以及预报误差分析 - 45 -
第六章 总结与展望 - 47 -
6.1 总结 - 47 -
6.2 论文展望工作 - 47 -
致谢 - 48 -
参考文献 - 50 -
绪论
1.1引言
在全球科学技术飞速发展的21世纪，先进的科学和核心的技术已然成为了世界各个国家竞相追逐和暗中比较的重要领域。在这样的时代背景之下，我国的海军现代化建设是一场适应全球新军事变革的系统工程。而近些年来，计算机智能处理信息的能力飞速发展，这为无人机的开发提供了良好的科学基础，现在，世界各国对于无人驾驶等设备越来越重视，而无人机技术也确实得到了充分法发展。加之现在海洋资源得到了越来越多的重视，那么无人艇技术法飞速发展也是势在必行的。
1.2 选题的目的和意义
自从进入新的世纪以来，越来越多的高科技技术被研发并迅速得到发展，这些高科技得到了世界各国的高度重视。在这些飞速发展的科技之中，就有一种现代化武器的重要装备——无人作战系统。世界各国对此十分的重视。因此，在这些年来，无人作战系统在海/陆/空等多维领域都取得了长足的进步。
水面无人艇（unmanned surface vessel，简称USV），也就是一种不需要人为来操作的水面舰艇。执行危险任务是它的主要任务，也是重要用途之一，也或者是执行一些受条件限制，使得船上不能有船员登船的任务。无人艇的优势在于，只要配置先进，合适的设备，很多困难及危险的任务会变得简单得多，也安全得多。在无人水面艇的研制和开发方面，美3国及欧洲一些发达国家始终处于领先的地位。
我国在水面无人艇方面的发展情况还远不如美国和一些欧洲发达国家，所以研究这个课题，将对我国的国防科技，还有无人水面无人艇的发展都有着重要的意义。
1.3 水面无人艇国内外发展概况
1.3.1 国外发展概况：
众所周知，美国作为世界上唯一的一个超级大国，科学技术方面一直都是引领这个时代的先驱，这一点在水面无人艇上也是一样的。美国研发的水面无人艇有“斯巴达侦察兵”USV（SpartanScoutUSV），采用了模块化的设计能根据不同的任务需要进行不同模块的切换，属于美海军防御工程；美国的“幽灵”无人艇USV：“幽灵”的主要职能是：预警和预防，交货（<150公斤），海上监视和情报收集。除了这些无人船，也有不少美国企业开发了多种无人驾驶船只。例如，“拦截”USV，海军研究的大阻力USV像美国办公室机器人舰海军国际（MRVI）。 美国学者Matveev,Konstantin.I将三体船上层建筑上加装边翼，并在风洞中进行实验，测量了它的空气升力[1
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