船舶风帆助航的实验研究

论文摘要

随着国际原油价格飞速上涨,以及全球环境日益恶化,“节能减排”成了航运业中人们关注的首要问题。不少先进国家不得不对风帆船重新加以认识,并以现代技术手段进行改进,产生了风帆助航船。国内,对风帆助航船舶的研究只停留在对风帆辅助推进装置的研究,风帆辅助推进控制系统的应用也只停留在对已有的内燃机推进船舶进行的改装,对风帆助航船舶的研究未曾在实验室条件下从船体结构到控制软件进行系统的分析研究。本文通过设计制作一艘以风帆为辅助推进装置的船舶模型,讨论了在实验室条件下对风帆助航船进行系统地分析研究的方法。本文首先讨论了风帆的气动性,分析了最佳操帆曲线,并建立基于最佳操帆曲线的硬帆控制系统模型,分析自校正自适应控制算法,并建立基于自适应算法的风帆助航船航向保持控制模型。在船模的设计制作时,本文将其分为机械模块、电路模块和控制软件的设计。机械设计制作部分包括船模体的设计制作、推进帆系传动机构和舵系传动机构的设计制作。在硬件电路模块部分,设计制作了风向风速、舵位、帆位等检测电路,舵角、帆角驱动电路和串行口、键盘、液晶显示通信电路等。软件部分研究设计了风帆助航控制系统的控制软件模型,完成了系统软件主体流程设计,实现全系统的协调控制,完成了子功能模块软件的设计,实现对各子模块的单独运行控制及子模块与主模块间的通信控制。本文通过设计与制作小型风动力船模及其控制系统,分析了风帆助航船舶的可行性和必然性以及风帆助航控制系统的原理,设计了“风动力自动驾驶”控制系统,并把ARM嵌入式系统引入控制系统,为风帆助航船的深入研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 船舶风帆助航的概况
• 1.2.1 风帆助航船的诞生
• 1.2.2 现代风动力船的类别
• 1.3 国内外研究动态与趋势
• 1.4 应用前景
• 1.5 本文的主要工作
• 第2章 系统控制模型
• 2.1 基于最佳操帆曲线的硬帆控制系统
• 2.1.1 圆弧形帆翼
• 2.1.2 帆翼气动特性
• 2.1.3 最佳操帆曲线
• 2.1.4 硬帆控制系统模型
• 2.2 基于自适应理论的风帆助航系统航向保持控制模型
• 2.2.1 自适应控制系统框图
• 2.2.2 风帆助航船舶运动及扰动的数学模型
• 2.2.3 船舶运动数学模型的参数估计算法
• 2.2.4 自校正控制系统
• 2.3 风帆助航系统总体控制模型
• 第3章 机械模块设计制作
• 3.1 船模体的设计制作
• 3.1.1 船模设计制作要素分析
• 3.1.2 船体的设计与制作
• 3.2 硬帆传动机构的设计制作
• 3.2.1 主要部件选型
• 3.2.2 机构设计
• 3.2.3 Pro-E三维建模
• 3.2.4 制作安装
• 3.3 舵传动机构的设计
• 第4章 控制模块电路设计制作
• 4.1 控制系统硬件总体结构
• 4.2 检测模块的设计
• 4.2.1 航向船位检测
• 4.2.2 风向风速检测
• 4.2.3 舵位检测
• 4.2.4 帆位检测
• 4.3 驱动模块的设计
• 4.3.1 舵角驱动
• 4.3.2 帆角驱动
• 4.4 通信模块的设计
• 4.4.1 上位机与主控模块间的通信
• 4.4.2 人机通信
• 4.5 基于AT89C52系统主控单元的制作
• 4.6 硬件抗干扰设计
• 第5章 系统软件设计与实现
• 5.1 系统软件主程序设计
• 5.2 子功能模块软件的设计
• 5.2.1 监控子功能模块软件设计
• 5.2.2 通信子功能模块软件设计
• 5.3 软件抗干扰设计
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 后续工作展望
• 参考文献
• 附录A 船模体设计工程图纸
• 附录B 硬帆传动机构设计工程图纸
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢
• 研究生履历