一種無人船實驗平臺設(shè)計及流體動力參數(shù)辨識方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種流體動力參數(shù)辨識方法，尤其是基于擴展卡爾曼濾波的無人船流 體動力參數(shù)辨識方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無人船技術(shù)的發(fā)展，無人船在軍事上的利用價值更加巨大，并且向經(jīng)濟，科研 等領(lǐng)域全面擴張。伴隨無人船的蓬勃發(fā)展和巨大應(yīng)用前景，出現(xiàn)的是對無人船的更高的要 求和碰到新的問題。而無人船實驗是解決無人船問題的最有效手段，而因為投入少，周期短 等優(yōu)勢，無人船實驗平臺，成為代替實體船實驗的載體。
[0003] 無人船流體動力參數(shù)的辨識是無人船控制領(lǐng)域的一個基本課題，是代替實船對無 人船進行控制研究的一個重要方法。而卡爾曼濾波法是參數(shù)辨識中的經(jīng)典方法，擴展卡爾 曼濾波法更是在線性和非線性系統(tǒng)中都可以使用，在學(xué)術(shù)和工程領(lǐng)域都有大量的應(yīng)用。如 今，辨識方法有多種，主要分為參數(shù)型和非參數(shù)型兩種。非參數(shù)型辨識方法為經(jīng)典的辨識方 法，其得出的模型是非參數(shù)型模型。其假設(shè)是在線性的前提中，模型事先不需要確定其結(jié) 構(gòu)，因此，這種方法可以應(yīng)用于任何過程，在工程應(yīng)用上，至今仍舊經(jīng)常被采用。參數(shù)型辨識 方法是現(xiàn)代的辨識方法，事先必須假設(shè)，確定模型的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過變化模型和過程中的關(guān)系， 以此來確定模型的參數(shù)。若事先無法確定模型的結(jié)構(gòu)，需根據(jù)結(jié)構(gòu)辨識的方法，確定其結(jié)構(gòu) 參數(shù)，然后再確定模型的參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種無人船實驗平臺設(shè)計及流體動力參數(shù)辨識方法。本設(shè) 計通過建立無人船系統(tǒng)模型，根據(jù)無人船運動學(xué)模型和動力學(xué)模型，推導(dǎo)出無人船流體動 力學(xué)方程；將擴展卡爾曼濾波法應(yīng)用于無人船流體動力參數(shù)的辨識，最后完成無人船實驗 平臺設(shè)計。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的： 本發(fā)明對無人在船水平面內(nèi)的運動狀態(tài)進行研究，對無人船模型在水平面方向進行了 三自由度簡化，將水視為理想液體，建立無人船系統(tǒng)模型，根據(jù)無人船運動學(xué)模型和動力學(xué) 模型，推導(dǎo)出無人船流體動力學(xué)方程，將擴展卡爾曼濾波法應(yīng)用于無人船流體動力參數(shù)的 辨識。
[0006] 本發(fā)明的有益效果：該發(fā)明針對無人船流體動力參數(shù)辨識方法，簡化了模型的復(fù) 雜度，提供一種更簡單有效的無人船流體動力參數(shù)辨識方法。
【附圖說明】
[0007] 圖1為地坐標(biāo)系與船坐標(biāo)系； 圖2為船體水平面的簡化模型； 圖3為本發(fā)明系統(tǒng)的辨識結(jié)構(gòu)圖； 圖4為無人船系統(tǒng)的整體布局圖。
【具體實施方式】
[0008] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和具體連接關(guān)系做更詳細地描述： 實施例1 結(jié)合圖1，圖1是地坐標(biāo)系與船坐標(biāo)系；船坐標(biāo)系 ?^^^中，穿::表示船的俯仰，:r表示船的偏航，J3表示船的橫滾。由船坐標(biāo)與地坐標(biāo)的關(guān) 系，令船坐標(biāo)的原點仏:在地坐標(biāo)的位置(X，乃Z)來表示出，在地坐標(biāo)下無人船的位置，由 關(guān)聯(lián)船坐標(biāo)系聯(lián)系與地坐標(biāo)系的姿態(tài)角：中，滹，賽，這三個歐拉角，來表示船在地坐標(biāo)系下 的姿態(tài)。爐為航向角，?:為俯仰角，伊:為橫滾角。將船坐標(biāo)系原點與地坐標(biāo)系原點移到一點 時，通過角度為免，β,伊的三次轉(zhuǎn)動，就可將地坐標(biāo)系{蹲-:與船坐標(biāo)系重合。步驟為： (1) 將地坐標(biāo)《符繞軸ri逆時針旋轉(zhuǎn)角度妒:，坐標(biāo)由變?yōu)? (2) 將變換后的坐標(biāo)·繞軌為逆時針旋轉(zhuǎn)角度設(shè):，坐標(biāo)由變?yōu)?JFjfaZi ? (3) 將步驟（2)后的坐標(biāo)繞軸JCs:逆時針旋轉(zhuǎn)角度:爐:，坐標(biāo)由變?yōu)?:龍即為坐標(biāo)PK
[0009] 由轉(zhuǎn)換步驟，可知地面坐標(biāo)系與船坐標(biāo)系的關(guān)系，其轉(zhuǎn)換矩陣為：
顯然，從船坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，
實施例2 圖2為船體水平面的簡化模型。無人船的六自由度空間方程是一個由多變量組成的非 常復(fù)雜的非線性方程，只研究其在水平面內(nèi)的運動，忽略其其他方向的運動，同時為了更好 的進行參數(shù)辨識，對模型做如下理想狀態(tài)設(shè)定：1)船坐標(biāo)系在船的慣性主軸線上，且船只關(guān) 于縱軸對稱；2)船體質(zhì)量分布均勻，且船坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點在船的重心上；3)忽略恢復(fù)力 和環(huán)境干擾力對船的影響；4)水為無粘滯力，且初始靜止的理想液體；5)忽略其他三個自 由度運動對船的水平面運動的影響。
[0010] 實施例3 圖3為本發(fā)明系統(tǒng)的辨識結(jié)構(gòu)圖；無人船在低速航行時，使用非線性觀測器來對這些 參數(shù)進行估計，得到一階水動力參數(shù)值。
[0011] 實施例4 圖4為無人船系統(tǒng)的整體布局圖；設(shè)計由五個部分組成：整體設(shè)計，動力系統(tǒng)，通訊與 導(dǎo)航系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)，輔助系統(tǒng)；導(dǎo)航設(shè)備因為其特殊的測量要求，被設(shè)計裝備在船體前面 部分，并且重心處于中軸線上；差分GPS對稱分布在導(dǎo)航設(shè)備的兩測；控制箱處于船體的正 中心靠后的位置，重心與導(dǎo)航設(shè)備一樣，處于船只的中軸線上；電源對稱的分布在控制箱兩 側(cè)，保持船體的平衡；螺旋槳推進器對稱分布在船尾。
【主權(quán)項】
1. 一種無人船實驗平臺及流體動力參數(shù)辨識方法，其特征在于：首先建立無人船系統(tǒng) 模型，然后根據(jù)無人船運動學(xué)模型和動力學(xué)模型，推導(dǎo)出無人船流體動力學(xué)方程，將擴展卡 爾曼濾波法應(yīng)用于無人船流體動力參數(shù)的辨識，建立無人船實驗平臺。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人船實驗平臺及流體動力參數(shù)辨識方法，其特征在 于：無人船實驗平臺由五個部分組成：整體提供，動力系統(tǒng)，通訊與導(dǎo)航系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)，輔 助系統(tǒng)；導(dǎo)航設(shè)備裝備在船體前面部分，并且重心處于中軸線上；差分GPS對稱分布在導(dǎo)航 設(shè)備的兩測；控制箱處于船體的正中心靠后的位置，重心與導(dǎo)航設(shè)備相同，處于船只的中軸 線上；電源對稱的分布在控制箱兩側(cè)，螺旋槳推進器對稱分布在船尾。
【專利摘要】<b>本發(fā)明公開了</b><b>一種無人船實驗平臺及流體動力參數(shù)辨識方法，本發(fā)明研究了無人船在水平面內(nèi)的運動狀態(tài)，對無人船模型在水平面方向進行了三自由度簡化，將水視為理想液體；建立了無人船的運動數(shù)學(xué)模型，給出其運動方程；依據(jù)擴展卡爾曼濾波建立了無人船的參數(shù)辨識模型，并對參數(shù)辨識模型對無人船模型進行參數(shù)辨識；無人船實驗平臺由整體設(shè)計，動力系統(tǒng)，通訊與導(dǎo)航系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)五個部分組成。</b>
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105488236
【申請?zhí)枴緾N201410470436
【發(fā)明人】李相武, 王瑛, 李忠喜
【申請人】哈爾濱恒譽名翔科技有限公司
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2014年9月16日