第1章 緒論 隨著當前機器人技術以及控制理論的不斷發展，無人設備在各行各業中不斷湧現。其中，作為現代海洋技術標志之一的無人船更是得到了極大的發展。在傳統的無人船舶技術中，無人船依靠化石能源或者電能來提供動力。但是，由於目前燃料技術和電池技術的發展限制，無人船的單次航行範圍與工作時間遠遠無法滿足當前海洋研究的實際需求年來，如何解決“全球變暖”與“碳中和”問題不斷地被各個國家提上議程。我國交通運輸部在《水運“十三五”發展規劃》中，提出了當前的主要任務是節能減排，大力節能降碳的船舶運輸裝備設計[1]。在人類歷史中，帆船一度長期、廣泛地被應用於海洋探索和海上運輸等作業領域。在上述背景下，帆船由於其綠色、節能等與生俱來的優勢，又重新回到了研究人員的視線中。傳統的帆船與現代材料學、控制理論、計算機技術等相結合，誕生了無人帆船這一新型的無人船。無人帆船可以從外界環境中獲取動力，無須攜帶大量燃料或者電池，可以突破能源對於無人船航行範圍與工作時間的限制。因此，無人帆船在保持其原有環保節碳能力的同時，更具備了傳統無人船欠缺的長航時能力，適用於海洋資源勘探、環境監測、遠海測繪、海事監察等任務[2]。 無人帆船相較於傳統無人船，其依靠外界風力驅動，由於自然環境中的風能無法人為控制，這極大地增加了無人帆船的控制難度。無人帆船水線面以上受風面積變大，風帆在風力作用下，除了會在船體縱向產生力外，還會產生側向力、偏航力矩以及使橫搖幅值變大的橫搖力矩，這使得船舶的操縱性能發生改變，且易產生橫向漂移，造成航線偏離。在復雜的海況下，同時合理地操舵和調整帆角以實現無人帆船的自主航行，是一項挑戰的任務。為更好地實現無人帆船的和自主航行，有必要對帆船氣動力性能及帆船操縱性能展開繫統研究，為帆船航行控制提供理論基礎和技術支撐。如何充分利用風能設計合理的航速在線優化方案對提升帆船的整體性能具有重要作用。另外，考慮在風場約束條件下，如何規劃出合理有效的無人帆船航行路徑是實現其自主航行的前提。無人帆船在航行中會遭遇許多未知航行危險及外界環境中風、浪、流等海洋干擾，這給無人帆船自動化技術發展和工程實現帶來了諸多困難，因此探索有效的控制策略並應用於無人帆船運動控制中，對海洋風能這種可再生綠色能源的利用，積極推動無人帆船在海洋資源勘探和環境監測等方面的工程應用具有重要意義。 1.1 無人帆船運動與控制機理 無人帆船與螺旋槳驅動或噴水驅動的無人船相比，在運動機理上有著較大的差別。無人帆船的運動受風向影響較大，速度難以控制（一方面是難以提速，因為一般情況下控制無人帆船在*高速度下航行；另一方面是無法急停），並且無人帆船不具備朝各個方向移動的能力。如圖1.1.1所示， a逆風航行帆船駛入禁航區，該區域內帆船無法獲得推力； e順風航行帆船駛入低效區，帆船可以航行，但是航行效率較低，因此應當控制帆船在 b、c、d狀態。 圖1.1.1 無人帆船航行方向與區域劃分 a.逆風航行；b.迎風航行；c.橫風航行； d.後舷風航行；e.順風航行 無人帆船在逆風狀態下無法直接，須采用逆風航行策略，即圖1.1.2（a）所示的逆風鋸齒航行路線（500m）。帆船在順風狀態下可以保持直線狀態航行，采用順風鋸齒航行路線［圖1.1.2（b）］時帆船航速高於順風直線航速，而且速度增量可以彌補由鋸齒航行路線帶來的航行距離增量。 無人帆船的推力來自不可控、不可預測的風，而且帆受到復雜的空氣動力影響，船身受到復雜的水動力影響，表現出較為復雜的行為，無人帆船的自主控制是一個高度非線性時變問題。對於底層帆和舵的控制，現階段大多采用帆和舵分離控制方案。 圖1.1.2 航向上逆風、順風航行路線 帆控制的輸入括風向和船的方向夾角，輸出量是帆的轉角。帆的控制中較為重要的是逆風航行換舷和順風航行換舷兩種控制狀態。逆風航行換舷過程如圖1.1.3（a）所示：船艏偏向來流，到位置1時調整帆；改變船艏朝向，使另一側船舷受風（位置2），調整帆；帆入新的航路（位置3）。順風航行換舷比逆風航行換舷難度更大，除了要求對帆和舵同行操作之外，還應遵從圖1.1.3（b）所示步驟：無人帆船船艉偏向來流，到達位置1時橫傾於零；與逆風航行換舷不同的地方在於當船艏偏轉後（位置2），控制帆從左側移動到右側位置；帆入新的航路（位置3）。 圖1.1.3 逆風航行與順風航行換舷過程 舵控制的輸入括當前速度矢量和路徑方向之間的夾角（航向角誤差）、當前位置與預定航線之間的垂直距離，輸出量是舵的轉角。帆控制器通過采集實時輸入信息來為帆船提供足夠的動力，對帆的控制主要以速度*快為目標並且防止帆船傾覆。舵控制器通過路徑規劃層給定的航向信息調整舵角，使帆船沿著設定的航線行駛。目前的研究大多采用帆舵分離的控制方法，但需要注意的是舵角度的變化必然會導致風帆攻角的變化，因此要想實現更加精準的控制就需要考慮帆和舵的耦合控制。例如航向控制穩定性取決於舵扭矩的範圍，後者又與帆船速度方成正比。因此，通過選擇*佳帆角，使帆產生*大縱向力推動帆船以*大速度航行可有助於提高帆船的航行控制穩定性。 1.2 帆船氣動力數值計算研究現狀 作用在帆船的空氣動力特性可分為帆翼的空氣動力特性和海上船體上層建築的空氣動力特性，主括升力特性、阻力特性、推力特性、橫向力特性和偏航力矩特性等[3]。目前對帆船的空氣動力性能研究主要有三個方面：試驗研究、理論分析和數值模擬。1928年 Curry[4]研究論述了帆船氣動力性能並對帆翼模行風洞試驗，其對帆船氣動力研究是性的。施立人[5]的風帆課題小組在風洞試驗中分別對無帆船模和裝帆船模的空氣動力性行試驗，得出船模的喫水、傾側角和航向角的變化對船模的空氣動力性能有較大的影響。 Milgram[6]利用渦格理行了一繫列帆翼動力研究，並基於渦格升力面法分析了帆外形對帆動力的影響年來，由於計算機科學技術的極步，計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）被廣泛應用，許多數值模擬的工具可以對雷均納維-斯托克斯（Reynolds averaged Navier-Stokes，RANS）方行全域求解[7]。相比試驗研究和理論分析，CFD模擬計算具有耗時更少、消費更低的優點，同時可以更加深刻細致地觀察流體運動過程和性能參數的變化。 到目前為止，許多學者對影響風帆空氣動力性能的帆型、風場、多帆等諸多因行了研究。 Nascimbene[8]通過數值計算得到風帆帆布*佳的厚度和紗線分布方向，使風力均勻分布在整個結構，以提高帆船的機動性。 Kusaiynov等[9]基於三角帆的來流數值模擬方法證明了帆翼的阻力和升力與來流速度是單調函數關繫。基於 NACA0006翼型風帆和圓弧型風帆，胡以懷等[10]設計了一種新的帆型，通過風洞試驗和數值模擬證明其升力繫數有很大提高，改善了傳統風帆的空氣動力性能。林虹兆等[11]設計了帶有縫翼和襟翼類型的襟翼帆，通過風洞試驗和計算證明這種設計提高了風帆的升力。Viola等[12]結合多類風帆的風洞試驗數據和數值模擬結果證明帆面壓力的大小與湍流黏度有關，並設計一種基於勢流理論和黏性修正的氣動力模型，此模型可以更好地擬合試驗結果。在考慮海面航行復雜風場條件下，胡文蓉等[13]針對風帆在梯度風的空氣動力性行數值研究，並分析影響風帆空氣動力性能的各種因素，如風帆的拱度、傾角、扣角以及來流的方向。根據胡文蓉等[13]對風帆在梯度風中的數值研究，馬勇等[14]比較了均勻風和梯度風情況下帆翼空氣動力性能隨帆攻角變化的差異，結果表明同一帆攻角下均勻風情況下的升力、阻力繫數都大於梯度風情況下的升力、阻力繫數。馬勇等[14]研究了單帆帆船的空氣動力性能，而劉麗娜[15]則針對雙帆運動帆船帆翼用兩種方行建模，對比帆翼的壓力、速度、流線分布以及升力和阻力繫數等數值模擬，選取較優的建模方法並分析雙帆之間空氣動力性能的影響。 1.3 無人帆船路徑規劃研究現狀 年來國內許多學者針對無人帆船路徑規劃展開了一繫列研究。許勁松等通過速度*優法實現無人帆船的短途路徑規劃，在風場變化時均能得到有效的短途路徑規劃結果[16]，同時，通過多維動態規劃法有效地解決了無人帆船的長途路徑規劃問題，在當前位置以外引入已航行路徑長度作為第三維狀態變量，起到了很好的自主決策輔助作用[17]。葛艷[18]將帆船運動路徑的規劃定義為一個時變、非線性、受約束、不確定性繫統的優化問題，並針對帆船直線航行比賽問題，提出了基化規劃理論的*優路徑動態規劃方法，得到的帆船直線航行狀態下路徑規劃結果。此外，針對帆船直線航行比賽路徑問題，葛艷等[19]提出一種基於模糊綜合評價和動態規劃理論的帆船直航訓練*優路徑動態規劃方法。針對帆船比賽中*優行駛路徑規劃的問題，邢惠麗等[20，21]提出根據賽場環境參數的實時變化，通過基於模糊綜合評價的帆船直航比賽*優路徑規劃方法使帆船局部狀態保持*優，再利用寬度優先搜索算法實現全局*優路徑搜索。杜勝等[22]考慮風場的不均勻性對航線規劃的影響，以航行時間*短為目標，采用遺傳算法實現對無人帆船追蹤航路點的優化。 國外學者對無人帆船路徑規劃問題也展開了相關研究。 Clément等針對無人帆船自主航行中所受推力不可測和復雜的運動學問題，基於人工勢場法的思想，根據無人帆船周圍所處環境設定額外勢場，在無人帆船迎風航行和順風航行的不同情況下，*終設計整套無人帆船繫統並且規劃出符合無人帆船模型的可行路徑[23-25]。Stelzer等[26]通過優化船與目標之間距離的時間導數，解決了無人帆船處於迎風航行狀態時調整轉向的問題，*後在不同風況下得到符合無人帆船合理轉向的路徑規劃結果。此外，Langbein等[27]將 A*算法應用到帆船的長途路徑規劃中，以帆船到達*終航路點的航行時間為代價函數，通過天氣數據融合了風向對規劃路徑的影響。Less’Ard等[28]提出了一種基於投票算法的無人帆船路徑規劃方法，設置了對航路點追蹤、搶風以及避踫等操縱及其對應規劃路徑的投票機制，票數*多的規劃路徑享有導航的優先權。Saoud等[29]根據天氣、靜態障礙物信息采用迪傑斯特拉算法實現無人帆船的全局路徑規劃，根據實時風向、動態障礙物信息采用勢場法實現無人帆船的局部路徑規劃。 綜上所述，國內外學者對於無人帆船路徑規劃問題已經有了一定程度上的研究。然而，在無人帆船實際航行過程中還應考慮風場約束和障礙物位置情況。因此，在已有研究的基礎上，對帶風場約束的無人帆船路徑規劃問題開展研究是至關重要的。 1.4 無人帆船運動控制研究現狀 無人帆船控制繫統中輸入分別為帆角和舵角。通過改變輸入舵角可以實現無人帆船航向保持或者航向跟蹤控制，而在風向保持固定的時候，改變帆角可以改變風帆對於風能的捕獲而改變無人帆船的航速。目前上述兩個方面是無人帆船控制研究的主要方向。 純風力驅動的無人帆船風帆的控制決定著無人帆船能否捕獲足夠的風能，保證無人帆船可以正常航行。因此，目前對於無人帆船風帆的控制大部分是研究如何獲得*優化的帆角，使帆船速度達到極值。王倩[30]根據人工操帆經驗，設計帆角與相對風向角的模糊邏輯控制器。羅瀟[31]基於空氣動力學分析風帆空氣動力特性，獲得不同相對風向角下風帆*大升力而設計出*佳操帆策略，同時根據其*佳操帆策略設計相應算法，實時計算當前位置*佳艏向角，以航速*優化為目標，在風場中規劃出*佳路徑。瀋智鵬等[32]基於 RANS方程和 standard k-.湍流模型對帆船整體的空氣動力特行了數值模擬。文獻[33]在文獻[32]的基礎上計算出不同風力下*佳操帆策略。上述方法均是假設風帆參數均已知，但是實際工程中，風帆形式多 | 
