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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): 1-10 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): 1-10 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0083
SHUI Xinhua, DUAN Fuhai. Research on seakeeping of unmanned hydrofoil based on LQR and ZOA[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0083
Citation: SHUI Xinhua, DUAN Fuhai. Research on seakeeping of unmanned hydrofoil based on LQR and ZOA[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. 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, 硕士研究生, 主要研究方向为无人水面水翼航行器耐波性研究

  • 中图分类号: TJ630

Research on seakeeping of unmanned hydrofoil based 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控制器参数, 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控制器仿真; 以降低无人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控制器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方法有效性与可行性, 并给出水翼航行器的合理航向角, 为无人水翼航行器的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 unmanned surface hydrofoil vehicle

    图  2  海浪干扰

    Figure  2.  Wave disturbance

    图  3  水翼航行器受力简图

    Figure  3.  Schematic diagram of force on hydrofoils

    图  4  ZOA-LQR流程图

    Figure  4.  ZOA-LQR flow chart

    图  5  水翼航行器运动建模仿真框图

    Figure  5.  Motion modeling and simulation block diagram of hydrofoil vehicle

    图  6  30°遭遇角仿真

    Figure  6.  Simulation of 30° encounter angle

    图  7  在遭遇角为0°、30°、45°、60°、90°时两种算法优化对比

    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
    航行器质量m/kg5.39×10
    重力加速度g/m·s−29.80
    航行器绕ObXb的转动惯量Ixx/kg·m28.71
    前翼翼展l1/m7.54×10−1
    前翼翼弦b1/m1.47×10−1
    后翼翼展l2/m4.75×10−1
    后翼翼弦b2/m9.00×10−2
    前翼升力点到重心的横向距离lx1/m2.57×10−1
    后翼升力点到重心的横向距离lx2/m8.57×10−1
    横摇阻尼系数Nφ5.48×10−2
    表层海水密度ρ/kg·m-31.02×103
    横稳心高h/m1.11
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    表  2  目标函数最优值

    Table  2.   Optimal value of objective function

    遭遇角30°45°60°90°
    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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