一种无人船实验平台设计及流体动力参数辨识方法
一种无人船实验平台设计及流体动力参数辨识方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种流体动力参数辨识方法，尤其是基于扩展卡尔曼滤波的无人船流 体动力参数辨识方法。
【背景技术】
[0002] 随着无人船技术的发展，无人船在军事上的利用价值更加巨大，并且向经济，科研 等领域全面扩张。伴随无人船的蓬勃发展和巨大应用前景，出现的是对无人船的更高的要 求和碰到新的问题。而无人船实验是解决无人船问题的最有效手段，而因为投入少，周期短 等优势，无人船实验平台，成为代替实体船实验的载体。
[0003] 无人船流体动力参数的辨识是无人船控制领域的一个基本课题，是代替实船对无 人船进行控制研究的一个重要方法。而卡尔曼滤波法是参数辨识中的经典方法，扩展卡尔 曼滤波法更是在线性和非线性系统中都可以使用，在学术和工程领域都有大量的应用。如 今，辨识方法有多种，主要分为参数型和非参数型两种。非参数型辨识方法为经典的辨识方 法，其得出的模型是非参数型模型。其假设是在线性的前提中，模型事先不需要确定其结 构，因此，这种方法可以应用于任何过程，在工程应用上，至今仍旧经常被采用。参数型辨识 方法是现代的辨识方法，事先必须假设，确定模型的结构，经过变化模型和过程中的关系， 以此来确定模型的参数。若事先无法确定模型的结构，需根据结构辨识的方法，确定其结构 参数，然后再确定模型的参数。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于设计一种无人船实验平台设计及流体动力参数辨识方法。本设 计通过建立无人船系统模型，根据无人船运动学模型和动力学模型，推导出无人船流体动 力学方程；将扩展卡尔曼滤波法应用于无人船流体动力参数的辨识，最后完成无人船实验 平台设计。
[0005] 本发明的目的是这样实现的： 本发明对无人在船水平面内的运动状态进行研究，对无人船模型在水平面方向进行了 三自由度简化，将水视为理想液体，建立无人船系统模型，根据无人船运动学模型和动力学 模型，推导出无人船流体动力学方程，将扩展卡尔曼滤波法应用于无人船流体动力参数的 辨识。
[0006] 本发明的有益效果：该发明针对无人船流体动力参数辨识方法，简化了模型的复 杂度，提供一种更简单有效的无人船流体动力参数辨识方法。
【附图说明】
[0007] 图1为地坐标系与船坐标系； 图2为船体水平面的简化模型； 图3为本发明系统的辨识结构图； 图4为无人船系统的整体布局图。
【具体实施方式】
[0008] 下面结合附图对本发明的原理和具体连接关系做更详细地描述： 实施例1 结合图1，图1是地坐标系与船坐标系；船坐标系 ?^^^中，穿::表示船的俯仰，:r表示船的偏航，J3表示船的横滚。由船坐标与地坐标的关 系，令船坐标的原点仏:在地坐标的位置(X，乃Z)来表示出，在地坐标下无人船的位置，由 关联船坐标系联系与地坐标系的姿态角：中，滹，赛，这三个欧拉角，来表示船在地坐标系下 的姿态。炉为航向角，?:为俯仰角，伊:为横滚角。将船坐标系原点与地坐标系原点移到一点 时，通过角度为免，β,伊的三次转动，就可将地坐标系{蹲-:与船坐标系重合。步骤为： (1) 将地坐标《符绕轴ri逆时针旋转角度妒:，坐标由变为; (2) 将变换后的坐标·绕轨為逆时针旋转角度设:，坐标由变为:JFjfaZi ? (3) 将步骤（2)后的坐标绕轴JCs:逆时针旋转角度:炉:，坐标由变为 :龙即为坐标PK
[0009] 由转换步骤，可知地面坐标系与船坐标系的关系，其转换矩阵为：
显然，从船坐标系转换到地坐标系的转换矩阵，
实施例2 图2为船体水平面的简化模型。无人船的六自由度空间方程是一个由多变量组成的非 常复杂的非线性方程，只研究其在水平面内的运动，忽略其其他方向的运动，同时为了更好 的进行参数辨识，对模型做如下理想状态设定：1)船坐标系在船的惯性主轴线上，且船只关 于纵轴对称；2)船体质量分布均匀，且船坐标系的坐标原点在船的重心上；3)忽略恢复力 和环境干扰力对船的影响；4)水为无粘滞力，且初始静止的理想液体；5)忽略其他三个自 由度运动对船的水平面运动的影响。
[0010] 实施例3 图3为本发明系统的辨识结构图；无人船在低速航行时，使用非线性观测器来对这些 参数进行估计，得到一阶水动力参数值。
[0011] 实施例4 图4为无人船系统的整体布局图；设计由五个部分组成：整体设计，动力系统，通讯与 导航系统，软件系统，辅助系统；导航设备因为其特殊的测量要求，被设计装备在船体前面 部分，并且重心处于中轴线上；差分GPS对称分布在导航设备的两测；控制箱处于船体的正 中心靠后的位置，重心与导航设备一样，处于船只的中轴线上；电源对称的分布在控制箱两 侧，保持船体的平衡；螺旋桨推进器对称分布在船尾。
【主权项】
1. 一种无人船实验平台及流体动力参数辨识方法，其特征在于：首先建立无人船系统 模型，然后根据无人船运动学模型和动力学模型，推导出无人船流体动力学方程，将扩展卡 尔曼滤波法应用于无人船流体动力参数的辨识，建立无人船实验平台。2. 根据权利要求1所述的一种无人船实验平台及流体动力参数辨识方法，其特征在 于：无人船实验平台由五个部分组成：整体提供，动力系统，通讯与导航系统，软件系统，辅 助系统；导航设备装备在船体前面部分，并且重心处于中轴线上；差分GPS对称分布在导航 设备的两测；控制箱处于船体的正中心靠后的位置，重心与导航设备相同，处于船只的中轴 线上；电源对称的分布在控制箱两侧，螺旋桨推进器对称分布在船尾。
【专利摘要】<b>本发明公开了</b><b>一种无人船实验平台及流体动力参数辨识方法，本发明研究了无人船在水平面内的运动状态，对无人船模型在水平面方向进行了三自由度简化，将水视为理想液体；建立了无人船的运动数学模型，给出其运动方程；依据扩展卡尔曼滤波建立了无人船的参数辨识模型，并对参数辨识模型对无人船模型进行参数辨识；无人船实验平台由整体设计，动力系统，通讯与导航系统，软件系统和辅助系统五个部分组成。</b>
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105488236
【申请号】CN201410470436
【发明人】李相武, 王瑛, 李忠喜
【申请人】哈尔滨恒誉名翔科技有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年9月16日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种流体动力参数辨识方法，尤其是基于扩展卡尔曼滤波的无人船流 体动力参数辨识方法。
【背景技术】
[0002] 随着无人船技术的发展，无人船在军事上的利用价值更加巨大，并且向经济，科研 等领域全面扩张。伴随无人船的蓬勃发展和巨大应用前景，出现的是对无人船的更高的要 求和碰到新的问题。而无人船实验是解决无人船问题的最有效手段，而因为投入少，周期短 等优势，无人船实验平台，成为代替实体船实验的载体。
[0003] 无人船流体动力参数的辨识是无人船控制领域的一个基本课题，是代替实船对无 人船进行控制研究的一个重要方法。而卡尔曼滤波法是参数辨识中的经典方法，扩展卡尔 曼滤波法更是在线性和非线性系统中都可以使用，在学术和工程领域都有大量的应用。如 今，辨识方法有多种，主要分为参数型和非参数型两种。非参数型辨识方法为经典的辨识方 法，其得出的模型是非参数型模型。其假设是在线性的前提中，模型事先不需要确定其结 构，因此，这种方法可以应用于任何过程，在工程应用上，至今仍旧经常被采用。参数型辨识 方法是现代的辨识方法，事先必须假设，确定模型的结构，经过变化模型和过程中的关系， 以此来确定模型的参数。若事先无法确定模型的结构，需根据结构辨识的方法，确定其结构 参数，然后再确定模型的参数。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于设计一种无人船实验平台设计及流体动力参数辨识方法。本设 计通过建立无人船系统模型，根据无人船运动学模型和动力学模型，推导出无人船流体动 力学方程；将扩展卡尔曼滤波法应用于无人船流体动力参数的辨识，最后完成无人船实验 平台设计。
[0005] 本发明的目的是这样实现的： 本发明对无人在船水平面内的运动状态进行研究，对无人船模型在水平面方向进行了 三自由度简化，将水视为理想液体，建立无人船系统模型，根据无人船运动学模型和动力学 模型，推导出无人船流体动力学方程，将扩展卡尔曼滤波法应用于无人船流体动力参数的 辨识。
[0006] 本发明的有益效果：该发明针对无人船流体动力参数辨识方法，简化了模型的复 杂度，提供一种更简单有效的无人船流体动力参数辨识方法。
【附图说明】
[0007] 图1为地坐标系与船坐标系； 图2为船体水平面的简化模型； 图3为本发明系统的辨识结构图； 图4为无人船系统的整体布局图。
【具体实施方式】
[0008] 下面结合附图对本发明的原理和具体连接关系做更详细地描述： 实施例1 结合图1，图1是地坐标系与船坐标系；船坐标系 ?^^^中，穿::表示船的俯仰，:r表示船的偏航，J3表示船的横滚。由船坐标与地坐标的关 系，令船坐标的原点仏:在地坐标的位置(X，乃Z)来表示出，在地坐标下无人船的位置，由 关联船坐标系联系与地坐标系的姿态角：中，滹，赛，这三个欧拉角，来表示船在地坐标系下 的姿态。炉为航向角，?:为俯仰角，伊:为横滚角。将船坐标系原点与地坐标系原点移到一点 时，通过角度为免，β,伊的三次转动，就可将地坐标系{蹲-:与船坐标系重合。步骤为： (1) 将地坐标《符绕轴ri逆时针旋转角度妒:，坐标由变为; (2) 将变换后的坐标·绕轨為逆时针旋转角度设:，坐标由变为:JFjfaZi ? (3) 将步骤（2)后的坐标绕轴JCs:逆时针旋转角度:炉:，坐标由变为 :龙即为坐标PK
[0009] 由转换步骤，可知地面坐标系与船坐标系的关系，其转换矩阵为：
显然，从船坐标系转换到地坐标系的转换矩阵，
实施例2 图2为船体水平面的简化模型。无人船的六自由度空间方程是一个由多变量组成的非 常复杂的非线性方程，只研究其在水平面内的运动，忽略其其他方向的运动，同时为了更好 的进行参数辨识，对模型做如下理想状态设定：1)船坐标系在船的惯性主轴线上，且船只关 于纵轴对称；2)船体质量分布均匀，且船坐标系的坐标原点在船的重心上；3)忽略恢复力 和环境干扰力对船的影响；4)水为无粘滞力，且初始静止的理想液体；5)忽略其他三个自 由度运动对船的水平面运动的影响。
[0010] 实施例3 图3为本发明系统的辨识结构图；无人船在低速航行时，使用非线性观测器来对这些 参数进行估计，得到一阶水动力参数值。
[0011] 实施例4 图4为无人船系统的整体布局图；设计由五个部分组成：整体设计，动力系统，通讯与 导航系统，软件系统，辅助系统；导航设备因为其特殊的测量要求，被设计装备在船体前面 部分，并且重心处于中轴线上；差分GPS对称分布在导航设备的两测；控制箱处于船体的正 中心靠后的位置，重心与导航设备一样，处于船只的中轴线上；电源对称的分布在控制箱两 侧，保持船体的平衡；螺旋桨推进器对称分布在船尾。
【主权项】
1. 一种无人船实验平台及流体动力参数辨识方法，其特征在于：首先建立无人船系统 模型，然后根据无人船运动学模型和动力学模型，推导出无人船流体动力学方程，将扩展卡 尔曼滤波法应用于无人船流体动力参数的辨识，建立无人船实验平台。2. 根据权利要求1所述的一种无人船实验平台及流体动力参数辨识方法，其特征在 于：无人船实验平台由五个部分组成：整体提供，动力系统，通讯与导航系统，软件系统，辅 助系统；导航设备装备在船体前面部分，并且重心处于中轴线上；差分GPS对称分布在导航 设备的两测；控制箱处于船体的正中心靠后的位置，重心与导航设备相同，处于船只的中轴 线上；电源对称的分布在控制箱两侧，螺旋桨推进器对称分布在船尾。
【专利摘要】<b>本发明公开了</b><b>一种无人船实验平台及流体动力参数辨识方法，本发明研究了无人船在水平面内的运动状态，对无人船模型在水平面方向进行了三自由度简化，将水视为理想液体；建立了无人船的运动数学模型，给出其运动方程；依据扩展卡尔曼滤波建立了无人船的参数辨识模型，并对参数辨识模型对无人船模型进行参数辨识；无人船实验平台由整体设计，动力系统，通讯与导航系统，软件系统和辅助系统五个部分组成。</b>
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105488236
【申请号】CN201410470436
【发明人】李相武, 王瑛, 李忠喜
【申请人】哈尔滨恒誉名翔科技有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年9月16日
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