一种气囊支撑刚性浮筏的位姿调整方法
本发明属于水面舰船及水下航行器的减振降噪，具体涉及一种气囊支撑刚性浮筏的位姿调整方法。
背景技术：
1、气囊隔振器因其良好的低频隔振性能，被广泛应用于水面舰船及水下航行器的隔振系统中，但由于气囊本身的缓慢漏气以及外界扰动等影响，气囊支撑的浮筏会偏离平衡姿态，浮筏与其连接的轴系产生对中偏差。当浮筏的位姿大幅偏离平衡对中位置时，会导致船舶轴系产生扭曲变形，浮筏隔振系统控制效果降低，甚至威胁舰船设备安全。
2、现有技术中，对气囊支撑浮筏位姿解算的过程通常利用绕各轴的旋转角、各个方向的平移分量等参数来描述，参数不够简洁明了，传感器数据分析处理效率不高，而位姿控制通常分为筏架的高度调整和水平姿态调整两个过程，控制过程步骤繁琐，筏架的位姿与调整的物理过程不够明确，亟需一种合适的数学模型来支撑和优化气囊支撑浮筏位姿解算的过程。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种气囊支撑刚性浮筏的位姿调整方法，以解决现气囊支撑浮筏姿态控制现有技术过程繁琐，筏架的位姿测量不够精确，调整策略不够清晰，系统的鲁棒性不够强，测量误差较大的技术问题
2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、一种气囊支撑刚性浮筏的位姿调整方法，包括以下步骤：
4、(1)建立气囊支撑浮筏隔振系统坐标系：取筏架对中状态下气囊布置方向与y轴重合，筏架水平面与y轴垂直方向为x轴，坐标系原点o与浮筏重心重合，建立气囊支撑浮筏隔振系统坐标系；
5、(2)确定测点的位置参数：在步骤(1)的系统坐标系中得到筏架上各个测点的坐标，其中x和y取决于各个位移传感器安装的位置，z取决于各个位移传感器的读数；
6、(3)建立筏架的平面方程：利用最小二乘法对步骤(2)中测点的坐标进行筏架平面方程的拟合，建立筏架的平面方程；
7、(4)位姿解算结果分析：由步骤(3)得到筏架的平面方程进行位姿解算结果分析；
8、(5)求取气囊最优控制压力：将筏架调整过程看作准静态过程，由静力学理论得到气囊隔振器绕x、y轴的力矩平衡方程和沿z轴的受力平衡方程，得到各个气囊的最优控制压力；
9、(6)由步骤(4)所得的位姿解算结果与步骤(5)所得的各个气囊的最优控制压力进行气囊及充放气的选择，当筏架位姿达到控制精度，则结束调整；当筏架位姿达不到控制精度，则返回步骤(2)重新进行位姿调整。
10、作为优选，步骤(3)建立筏架的平面方程具体步骤包括：
11、(31)建立平面方程为：
12、z＝ax+by+c
13、其中a,b,c为未知数；
14、(32)在步骤(31)的平面方程中增加随机误差，则：
15、zi＝zi+vi
16、或zi＝axi+byi+c+vi
17、式中，zi为测量数据，zi为真实值，vi为随机误差，i表示系统中测点的编号，且i＝1～8；
18、(33)将每次测量误差相加得到总误差，则：
19、
20、(34)定义优化指标函数j，利用最小二乘法进行平面拟合，通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配：
21、
22、j越小，平面拟合的效果越好，即当优化指标函数j最小时对应的平面方程为所求筏架的平面方程。
23、步骤(3)建立筏架的平面方程还包括：
24、(35)将步骤(34)中平面方程的求取转化为对三个未知数的求取，若使得j最小，利用求极值方法得：
25、
26、(36)将步骤(35)中公式进一步整理得：
27、
28、(37)将步骤(36)中公式转化为矩阵形式得：
29、
30、(38)解步骤(37)中矩阵方程，得得到所求平面方程为：
31、
32、其中，与表示了筏架的倾斜姿态，的正负表示了筏架重心的实际高度与理想对中高度的大小关系。
33、作为优选，步骤(4)位姿解算结果分析为：
34、根据步骤(1)的系统坐标系将筏架所在的平面分为四个象限，结合步骤(38)所求平面方程得：
35、①若且则筏架第一象限高度最高，相应的第三象限高度最低；
36、②若且则筏架第二象限高度最高，相应的第四象限高度最低；
37、③若且则筏架第三象限高度最高，相应的第一象限高度最低；
38、④若且则筏架第四象限高度最高，相应的第二象限高度最低；
39、为正，表示筏架重心位于理想对中高度上方；反之，则筏架重心位于理想对中高度下方。
40、作为优选，步骤(5)求取气囊最优控制压力具体步骤包括：
41、(51)将筏架调整过程看作准静态过程，由静力学理论得到气囊隔振器绕x、y轴的力矩平衡方程和沿z轴的受力平衡方程：
42、
43、其中，k表示系统中气囊的编号，且k∈[1,6]，pk为第k个气囊的压力，xk、yk为第k个气囊的坐标，se为气囊的有效面积，g为浮筏气囊隔振系统的总重力；
44、(52)增加气囊压力均匀性作为约束条件，要求各个气囊的压力方差取最小值，即：
45、
46、(53)在步骤(52)基础上得到各个气囊的最优控制压力psk，即：
47、
48、作为优选，步骤(6)气囊及充放气的选择顺序：遵循先选择象限再选择气囊，即由步骤(4)位姿解算结果分析中a,b,c三个参数得到对应的象限，结合步骤(5)求取气囊最优控制压力选择气囊，即：
49、当时，①若且对第一象限的气囊进行放气；
50、②若且对第二象限的气囊进行放气；
51、③若且对第三象限的气囊进行放气；
52、④若且对第四象限的气囊进行放气；
53、当时，①若且对第三象限的气囊进行充气；
54、②若且对第四象限的气囊进行充气；
55、③若且对第一象限的气囊进行充气；
56、④若且对第二象限的气囊进行充气。
57、作为优选，定义实际压力与最优压力比例参数λk来选择最需要控制的气囊：
58、
59、当任一象限内存在两个及两个以上的气囊，编号为m1、m2、、、mn时：
60、①若且则对气囊mr放气；
61、②若且则对气囊mr充气；
62、其中，m1、m2、、、mn代表系统中的各个气囊；n为系统中气囊的总数，n≥2且n为整数；r代表系统中气囊编号的下标，r∈[1,n]且r为整数。
63、作为优选，当出现一个或多个位移传感器故障时，只需要剔除对应位置的位移传感器数据，利用剩余位移传感器的数据按照步骤(1)-(6)拟合出新的筏架的平面方程，继续实现筏架位姿的调整。
64、作为优选，当出现一个或多个气囊充放气故障时，利用剩下的无故障气囊充放气来实现筏架位姿的调整。
65、本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
66、(1)优化了筏架位姿控制过程，使筏架调整过程的物理意义更加清晰。将筏架的控制策略与数学模型结合，筏架获得更贴合其实际物理意义的数学表达，在系统调节能力允许的前提下，可以调整到任意位姿，筏架位姿调整更加灵活可靠。
67、(2)将复杂的原始数据简化为更清晰简洁的数学模型，使得数据分析和处理更加高效和方便。
68、(3)减小了传感器数据中的噪音和不确定性，提高了控制算法的稳定性与精确度，调整过程更加平稳，实现了最小二乘意义下的最优拟合。
69、(5)当重心精确位置不明确，只要能确定筏架的重心所在大致区域时，筏架姿态控制算法仍能收敛。
70、(6)当系统一个或多个位移传感器出现故障时，位姿解算策略依然可利用剩下的无故障位移传感器拟合出筏架位姿。
71、(7)当出现一个或多个气囊充放气故障时，位姿调整策略依然可利用剩下的无故障气囊充放气来实现筏架位姿的调整。
技术特征：
1.一种气囊支撑刚性浮筏的位姿调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种气囊支撑刚性浮筏的位姿调整方法，其特征在于，步骤(3)建立筏架的平面方程具体步骤包括：
3.根据权利要求2所述的一种气囊支撑刚性浮筏的位姿调整方法，其特征在于，步骤(3)建立筏架的平面方程还包括：
4.根据权利要求3所述的一种气囊支撑刚性浮筏的位姿调整方法，其特征在于，步骤(4)位姿解算结果分析为：
5.根据权利要求4所述的一种气囊支撑刚性浮筏的位姿调整方法，其特征在于，步骤(5)求取气囊最优控制压力具体步骤包括：
6.根据权利要求5所述的一种气囊支撑刚性浮筏的位姿调整方法，其特征在于，步骤(6)气囊及充放气的选择顺序：遵循先选择象限再选择气囊，即由步骤(4)位姿解算结果分析中a,b,c三个参数得到对应的象限，结合步骤(5)求取气囊最优控制压力选择气囊，即：
7.根据权利要求6所述的一种气囊支撑刚性浮筏的位姿调整方法，其特征在于，定义实际压力与最优压力比例参数λk来选择最需要控制的气囊：
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种气囊支撑刚性浮筏的位姿调整方法，其特征在于，当出现一个或多个位移传感器故障时，剔除对应位置的位移传感器数据，利用剩余位移传感器的数据按照步骤(1)-(6)拟合出新的筏架的平面方程，继续实现筏架位姿的调整。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的一种气囊支撑刚性浮筏的位姿调整方法，其特征在于，当出现一个或多个气囊充放气故障时，利用剩下的无故障气囊充放气来实现筏架位姿的调整。
技术总结
本发明涉及水面舰船及水下航行器的减振降噪技术领域，公开了一种气囊支撑刚性浮筏的位姿调整方法，包括步骤(1)建立气囊支撑浮筏隔振系统坐标系、(2)确定测点的位置参数、(3)建立筏架的平面方程、(4)求取气囊最优控制压力、(5)位姿解算结果分析及(6)由步骤(5)所得的位姿解算结果与步骤(4)所得的各个气囊的最优控制压力进行气囊及充放气的选择，当筏架位姿达到控制精度，则结束调整；当筏架位姿达不到控制精度，则返回步骤(2)重新进行位姿调整；该方法优化了筏架位姿控制过程，使筏架调整过程的物理意义更加清晰。
技术研发人员：吴金波,马宁,聂修逸
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5