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基于LQR和ZOA的无人水面水翼航行器耐波性研究

水新华 段富海

水新华, 段富海. 基于LQR和ZOA的无人水面水翼航行器耐波性研究[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(1): 65-73 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0083
引用本文: 水新华, 段富海. 基于LQR和ZOA的无人水面水翼航行器耐波性研究[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(1): 65-73 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0083
SHUI Xinhua, DUAN Fuhai. Seakeeping of Hydrofoil-Equipped Unmanned Surface VehicleBased on LQR and ZOA[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(1): 65-73. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0083
Citation: SHUI Xinhua, DUAN Fuhai. Seakeeping of Hydrofoil-Equipped Unmanned Surface VehicleBased on LQR and ZOA[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(1): 65-73. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0083

基于LQR和ZOA的无人水面水翼航行器耐波性研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0083
基金项目: 国家自然科学基金(51975082).
详细信息
    作者简介:

    水新华(1997-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为无人水面水翼航行器耐波性

  • 中图分类号: TJ630

Seakeeping of Hydrofoil-Equipped Unmanned Surface VehicleBased on LQR and ZOA

  • 摘要: 文中选取横摇、纵摇和垂荡运动幅值为衡量耐波性的指标, 采用线性二次型调节器(LQR), 并用斑马优化算法(ZOA)优化LQR参数, 完成了无人水面水翼航行器耐波性研究。首先, 以无人水面水翼航行器为研究对象, 以差动襟翼转动角度和电机推力作为控制变量, 建立其运动学与动力学模型, 并将数学模型进行线性化处理; 然后, 将不规则海浪的质点垂加速度与波倾角作为干扰, 采用Simulink进行LQR仿真; 以降低无人水面水翼航行器航行过程中的运动幅值为目标, 在不同采样频率及种群数量下, 分别使用ZOA和粒子群算法对LQR的参数进行寻优并作对比; 最后在不同遭遇角的随机海浪干扰下对耐波性指标进行仿真分析, 验证LQR和ZOA算法的有效性与可行性, 并给出无人水面水翼航行器的合理航向角, 为其姿态控制及耐波性研究提供理论参考。

     

  • 图  1  无人水面水翼航行器结构

    Figure  1.  Structure of hydrofoil-equipped unmanned surface vehicle

    图  2  海浪干扰示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of wave disturbance

    图  3  水翼航行器受力示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of force on hydrofoil vehicle

    图  4  ZOA-LQR流程图

    Figure  4.  Flow chart of ZOA-LQR

    图  5  无人水面水翼航行器运动建模仿真框图

    Figure  5.  Motion modeling and simulation block diagram of hydrofoil-equipped unmanned surface vehicle

    图  6  30°遭遇角下仿真结果

    Figure  6.  Simulation results under 30° encounter angle

    图  7  遭遇角分别为0°、30°、45°、60°、90°时2种算法优化对比

    Figure  7.  Optimization comparison between the two algorithms when the encounter angle is 0°, 30°, 45°, 60° and 90°

    表  1  航行器结构参数

    Table  1.   Structure parameters of the vehicle

    参数 数值
    m/kg 5.39×10
    g/(m·s−2) 9.80
    Iyy/(kg·m2) 10.41
    l1/m 7.54×10−1
    b1/m 1.47×10−1
    l2/m 4.75×10−1
    b2/m 9.00×10−2
    lx1/m 2.57×10−1
    lx2/m 8.57×10−1
    Nφ 5.48×10−2
    ρ/(kg·m−3) 1.02×103
    h/m 1.11
    下载: 导出CSV

    表  2  目标函数最优值

    Table  2.   Optimal value of objective function

    遭遇角/(°)030456090
    最优值0.2660.2640.2630.2570.271
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-05-22
  • 修回日期:  2024-07-08
  • 录用日期:  2024-07-09
  • 网络出版日期:  2025-01-20

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