Predicting motion of wave-propelled USVs using closed-from expressions
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3128280Utgivelsesdato
2024Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Arbeidet presenterer en ny modellarkitektur med lukkede uttrykk for bølgedrevne ubemannede overflatefartøy (USVer) for analyse og forskning av en fysisk hastighetsmodell. Detble foreslått et enkelt uttrykk for fremdriften fra bølgekreftene gjennom foilene som var inspirertav rorteori. Viskøse dempningseffekter fra foilene er direkte inkorporet i de bølge-indusertebevegelsene til fartøyet ved hjelp av et effektiv monoskrog. Videre ble manøvreringsbevegelsenogså funnet gjennom en sett med designparametere for fartøyet. De samlede bevegelsene avmanøvrerings- og bølgebevegelsene gir en eksitasjon av dynamikken til foilene gjennom vannet.Bevegelsesligningene for foilene er funnet ved å modellere vinklene i forhold til en inertialreferanseramme, korrigert av inertialkrefter gitt ved samspillet av den overordnede bevegelsentil fartøyet. Hydrodynamiske effekter ved bruk av korrigerende fjærlasteded foiler på slike fartøyer modellert ved å ta i betraktning faktorer som høye angrepsvinkler, tredimensjonale effekterog ustabile effekter. Semi-empiriske ligninger er foreslått for å beskrive kvasi-stasjonære løfteog dragkurver, hvor stabilitet og modellens anvendelighet er tatt med i betraktning. Kreftenepå foilene ble funnet fra en enkel foreslått vingemodell, hvor kinematikken fra fartøybevegelsen og den relative hastigheten fra sjøen er tatt med. Sjøens matematiske modell består aven superposisjon av lineære bølgepotensialer. Minneeffekter fra vannet i den bølgeindusertebevegelse på den effektive monoskroggeometrien var funnet ved minste kvadraters metode avimpulsresponsen til en matrise for å finne lukkede uttrykk som passer seg for simuleringsformål.I tillegg ble ikke-stasjonær foilteori, som dessverre ikke egner seg for simuleringsformål i sinanalytiske form, approksimert ved en enkel hastighetsavhengig tilstandsromsrepresentasjon somga god overensstemmelse med den analytiske responsen i frekvensdomenet. Et case-studie avAutoNaut-fartøyet viste at modellen egner seg for simularing under ulike forhold på sjøen, medbåde bølger, vind og strøm. Videre forskning og tilpasning av det foreslåtte rammeverket ermulig. Simuleringsmodellen utviklet i dette arbeidet antyder at tre forskjellige fjærinnstillingerpå case-studiet er optimale for ulike sjøtilstander. De myke fjærene fungerte best for bølgefrekvenser under 𝜔 < 1.4 [s−1], middels stive fjærer var best egnet rundt 𝜔 = 1.8 [s−1] og denstive fjæren var mest effektiv for 𝜔 > 2.2 [s−1].Videre arbeid inkluderer utviklingen av en generell simuleringsmodell, samt å foreslå godevalideringsmetoder for manøvreringsmodellen og modellen for foildynamikken. This work presents closed-form expressions for a new model architecture for wave-propelleduncrewed surface vehicles (USVs) for the analysis and support of a physical speed model. Asimple expression for the wave-foil propulsion forces inspired by rudder theory is presented.Viscous damping effects from the foils are incorporated directly in the wave-induced seakeepingmotions of the vehicle by an efficient monohull geometry. Moreover, the maneuvering motionis also found through a set of design parameters of the vehicle. In total, the joint unified motionof the maneuvering and seakeeping models provides an excitation of the foil model, drivingthe motion of the hydrofoils through the water. The equations of motion for the foils is foundby modeling the angles relative to an inertial frame of reference, and correcting inertia forcesprovided by the interacting motion with the overall USV.The hydrodynamic principles for the common use of correcting spring-loaded foils on suchvehicles are modeled by considering factors such as high angles of attack, three-dimensionaleffects and unsteady effects. Semi-empirical equations are proposed to describe quasi-steadylift and drag curves, along with assumptions regarding stability and model applicability. Theforces on the foils are considered through a simple wing model, where the forces are evaluatedby considering the kinematics involved and the relative motion through irregular sea, which wasexpressed by a superposition of linear wave potentials.Fluid memory effects in wave-induced motion on the efficient monohull geometry is foundby least squares optimization of the impulse response of the matrix of retardation to supportclosed-form expression suited for simulation purposes. Additionally, unsteady thin foil theory,which is unfitted for simulation purposes in its analytical form, was incorporated by a velocitydependent reduced order state-space representation with good agreement of the frequencydomain analytical response.A case study involving the AutoNaut vehicle demonstrates the feasibility of the model indifferent wave, wind, and sea current environmental conditions, paving the way for furtherresearch and adaptation of the framework proposed.The simulation in this work suggest that three different spring settings available in thisparticular case study are most efficient for different sea states. The soft springs were efficient inwave-frequencies below 𝜔 < 1.4 [s−1], the medium stiffness was efficient around 𝜔 = 1.8 [s−1]and the stiff spring was efficient for 𝜔 > 2.2 [s−1].Future work includes the development of a general simulation model and incorporatingvalidation methods for the maneuvering- and foil models.