一种帆船速度预测方法

摘要

本发明公开了一种帆船速度预测方法，包括：根据帆船模型获取帆船参数，设置帆船航行时的预设风况；根据帆船参数和预设风况，利用数值计算软件分别计算帆船的风帆受力、船舶阻力、船舵受力、船体受力及稳向板受力；根据风帆受力、船舶阻力、船舵受力、船体受力及稳向板受力对帆船进行受力分析，建立帆船保持稳定姿态航行时的平衡方程组，平衡方程组包括纵向受力平衡方程、横向受力平衡方程和力矩平衡方程；利用数值计算软件求解平衡方程组，得到帆船在设风况下航行时的预测速度、预测舵角和预测航向角。本发明能在预设风况条件下，预测帆船在不同帆转角条件下的航向、航速和舵角，便于风帆操纵和自动控制。

权利要求

1.一种帆船速度预测方法，其特征在于，包括：根据帆船模型获取帆船参数，设置所述帆船航行时的预设风况；

根据所述帆船参数和所述预设风况，利用数值计算软件分别计算所述帆船的风帆受力、船舶阻力、船舵受力、船体受力及稳向板受力；

所述风帆包括前帆和主帆，利用数值计算软件计算所述帆船的风帆受力包括：数值计算软件利用 计算所述帆船的前帆受力，利用计算所述帆船的主帆受力；

其中，Ff1为前帆受力；Ff2为主帆受力；CS为形状系数；ρ1为空气密度；A1为前帆的面积，单

2 2

位为m ；A2为主帆面积，单位为m ；V为风速，单位为m/s；Vs为帆船速度，单位为m/s；α为航向角，θ为帆转角；

利用数值计算软件计算所述帆船的船舶阻力包括：数值计算软件利用 计算所述帆船的船舶阻力；

其中，x1、x2、x3为常系数；x4为常数；

所述船舵包括左舵和右舵，利用数值计算软件计算所述帆船的船舵受力包括：数值计算软件利用 计算所述帆船的左舵受力、右舵受力；

其中，Fd1、Fd2分别为帆船的左舵受力、右舵受力；Cd为阻力系数；ρ2为海水密度；Ad为单个2

舵叶面积，单位为m； 为舵角；

所述船体包括左船体和右船体，利用数值计算软件计算所述帆船的船体受力包括：数值计算软件利用 计算所述帆船的左船体受力、右船体受力；

其中，Fc1、Fc2分别为帆船的左船体受力、右船体受力；Ac为水线以下船体侧投影面积，单2

位为m；

所述稳向板包括左稳向板和右稳向板，利用数值计算软件计算所述帆船的稳向板受力包括：数值计算软件利用 计算所述帆船的左稳向板、右稳向板受力；

其中，Fw1、Fw2分别为帆船的左稳向板受力、右稳向板受力；Aw为单个稳向板侧投影面积，2

单位为m；

根据所述风帆受力、所述船舶阻力、所述船舵受力、所述船体受力及所述稳向板受力对所述帆船进行受力分析，建立所述帆船保持稳定姿态航行时的平衡方程组，所述平衡方程组包括力矩平衡方程、纵向受力平衡方程和横向受力平衡方程；

所述平衡方程组包括：

帆转角大于预设角度时的第一平衡方程组和帆转角小于预设角度时的第二平衡方程组，所述预设角度为帆船的前帆力矩方向发生变化时的帆转角角度；

其中，所述第一平衡方程组包括第一力矩平衡方程、第一纵向受力平衡方程和第一横向受力平衡方程，所述第二平衡方程组包括第二力矩平衡方程、第二纵向受力平衡方程和第二横向受力平衡方程；

所述第一力矩平衡方程为：

所述第一纵向受力平衡方程为：

所述第一横向受力平衡方程为：

其中，a2为主帆压力中心与桅杆支点在甲板上的投影距离，单位为m；b2为桅杆支点与重心在甲板上的投影距离，单位为m；a3为左舵旋转支点与压力中心在甲板上的投影距离，单位为m；b3为左舵旋转支点与重心在甲板上的投影距离，单位为m；L5、L6均为水面以下船体受力中心与重心投影距离，单位为m；

所述第二力矩平衡方程为：

所述第二纵向受力平衡方程为：

所述第二横向受力平衡方程为：

利用数值计算软件求解所述平衡方程组，得到所述帆船在所述预设风况下航行时的预测速度、预测舵角和预测航向角。

2.根据权利要求1所述的帆船速度预测方法，其特征在于，所述预设角度为57.9°。

说明书

一种帆船速度预测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及船舶航行技术领域，尤其是涉及一种帆船速度预测方法。

背景技术

[0002] 帆船具有远海作业、实时数据传输功能、低营运成本的优势，帆船的航行速度是指单位时间内帆船相对于海底所航行的距离，它影响着帆船的运输周期、营运成本以及航运竞争能力，是运输船舶的重要技术指标。

[0003] 现有技术中通常根据帆船的位置、类别、航行轨迹等参数计算得到帆船的航行速度，但帆船设计通常是基于经验公式，在帆船设计之初不能得到帆船的速度、舵角和航向角与风速和风向的关系，对于帆船动力特性没有清晰的结果。对于帆船的动力性能评估，特别是帆船速度预测，现有技术中缺少有效的评估和预测方法。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种帆船速度预测方法，以解决现有技术中在帆船设计之初不能科学有效地预测帆船速度的技术问题。

[0005] 本发明的目的，可以通过如下技术方案实现：

[0006] 一种帆船速度预测方法，包括：

[0007] 根据帆船模型获取帆船参数，设置所述帆船航行时的预设风况；

[0008] 根据所述帆船参数和所述预设风况，利用数值计算软件分别计算所述帆船的风帆受力、船舶阻力、船舵受力、船体受力及稳向板受力；

[0009] 根据所述风帆受力、所述船舶阻力、所述船舵受力、所述船体受力及所述稳向板受力对所述帆船进行受力分析，建立所述帆船保持稳定姿态航行时的平衡方程组，所述平衡方程组包括力矩平衡方程、纵向受力平衡方程和横向受力平衡方程；

[0010] 利用数值计算软件求解所述平衡方程组，得到所述帆船在所述预设风况下航行时的预测速度、预测舵角和预测航向角。

[0011] 可选地，所述风帆包括前帆和主帆，利用数值计算软件计算所述帆船的风帆受力包括：

[0012] 数值计算软件利用 计算所述帆船的前帆受力，利用 计算所述帆船的主帆受力；

[0013] 其中，Ff1为前帆受力；Ff2为主帆受力；CS为形状系数；ρ1为空气密度；A1为前帆的面2 2
积，单位为m ；A2为主帆面积，单位为m；V为风速，单位为m/s；Vs为帆船速度，单位为m/s；α为航向角，θ为帆转角。

[0014] 可选地，利用数值计算软件计算所述帆船的船舶阻力包括：

[0015] 数值计算软件利用 计算所述帆船的船舶阻力；

[0016] 其中，x1、x2、x3为常系数；x4为常数；Vs为船速，单位为m/s。

[0017] 可选地，所述船舵包括左舵和右舵，利用数值计算软件计算所述帆船的船舵受力包括：

[0018] 数值计算软件利用 计算所述帆船的左舵受力、右舵受力；

[0019] 其中，Fd1、Fd2分别为帆船的左舵受力、右舵受力；Cd为阻力系数；ρ2为海水密度；Ad2
为单个舵叶面积，单位为m；Vs为船速，单位为m/s； 为舵角；α为航向角。

[0020] 可选地，所述船体包括左船体和右船体，利用数值计算软件计算所述帆船的船体受力包括：

[0021] 数值计算软件利用 计算所述帆船的左船体受力、右船体受力；

[0022] 其中，Fc1、Fc2分别为帆船的左船体受力、右船体受力；Cd为阻力系数；ρ2为海水密2
度；Ac为水线以下船体侧投影面积，单位为m；Vs为船速，单位为m/s；α为航向角。

[0023] 可选地，所述稳向板包括左稳向板和右稳向板，利用数值计算软件计算所述帆船的稳向板受力包括：

[0024] 数值计算软件利用 计算所述帆船的左稳向板、右稳向板受力；

[0025] 其中，Fw1、Fw2分别为帆船的左稳向板受力、右稳向板受力；Cd为阻力系数；ρ2为海水2
密度；Aw为单个稳向板侧投影面积，单位为m；Vs为船速，单位为m/s；α为航向角。

[0026] 可选地，所述平衡方程组包括：

[0027] 帆转角大于预设角度时的第一平衡方程组和帆转角小于预设角度时的第二平衡方程组，所述预设角度为帆船的前帆力矩方向发生变化时的帆转角角度；

[0028] 其中，所述第一平衡方程组包括第一力矩平衡方程、第一纵向受力平衡方程和第一横向受力平衡方程，所述第二平衡方程组包括第二力矩平衡方程、第二纵向受力平衡方程和第二横向受力平衡方程。

[0029] 可选地，所述第一力矩平衡方程为：

[0030]

[0031] 所述第一纵向受力平衡方程为：

[0032]

[0033] 所述第一横向受力平衡方程为：

[0034]

[0035] 其中，CS为形状系数；ρ1为空气密度；A1为前帆的面积，单位为m2；A2为主帆面积，单2
位为m ；V为风速，单位为m/s；Vs为船速，单位为m/s；α为航向角，θ为帆转角；a2为主帆压力中心与桅杆支点在甲板上的投影距离，单位为m；b2为桅杆支点与重心在甲板上的投影距离，
2
单位为m；Cd为阻力系数；ρ2为海水密度；Ad为单个舵叶面积，单位为m ；Ac为水线以下船体侧
2
投影面积，单位为m ；a3为左舵旋转支点与压力中心在甲板上的投影距离，单位为m；b3为左舵旋转支点与重心在甲板上的投影距离，单位为m；L5、L6均为水面以下船体受力中心与重心
2
投影距离，单位为m；Aw为单个稳向板侧投影面积，单位为m； 为舵转角。

[0036] 可选地，所述第二力矩平衡方程为：

[0037]

[0038] 所述第二纵向受力平衡方程为：

[0039]

[0040] 所述第二横向受力平衡方程为：

[0041]

[0042] 其中，CS为形状系数；ρ1为空气密度；A1为前帆的面积，单位为m2；A2为主帆面积，单2
位为m ；V为风速，单位为m/s；Vs为船速，单位为m/s；α为航向角，θ为帆转角；a2为主帆压力中心与桅杆支点在甲板上的投影距离，单位为m；b2为桅杆支点与重心在甲板上的投影距离，
2
单位为m；Cd为阻力系数；ρ2为海水密度；Ad为单个舵叶面积，单位为m ；Ac为水线以下船体侧
2
投影面积，单位为m ；a3为左舵旋转支点与压力中心在甲板上的投影距离，单位为m；b3为左舵旋转支点与重心在甲板上的投影距离，单位为m；L5、L6均为水面以下船体受力中心与重心
2
投影距离，单位为m；Aw为单个稳向板侧投影面积，单位为m； 为舵转角。

[0043] 可选地，所述预设角度为57.9°。

[0044] 本发明提供了一种帆船速度预测方法，包括：根据帆船模型获取帆船参数，设置所述帆船航行时的预设风况；根据所述帆船参数和所述预设风况，利用数值计算软件分别计算所述帆船的风帆受力、船舶阻力、船舵受力、船体受力及稳向板受力；根据所述风帆受力、所述船舶阻力、所述船舵受力、所述船体受力及所述稳向板受力对所述帆船进行受力分析，建立所述帆船保持稳定姿态航行时的平衡方程组，所述平衡方程组包括力矩平衡方程、纵向受力平衡方程和横向受力平衡方程；利用数值计算软件求解所述平衡方程组，得到所述帆船在所述预设风况下航行时的预测速度、预测舵角和预测航向角。

[0045] 有鉴如此，本发明带来的有益效果是：

[0046] 本发明通过获取帆船参数和设置风况条件，利用数值计算软件分别计算帆船的风帆受力、船舶阻力、船舵受力、船体受力及稳向板受力，构建帆船保持稳定姿态航行时的运动平衡模型，将帆船的速度、舵角和航向角等参数耦合到平衡方程组中，结合数值方法和经验算法求解帆船在不同风况条件下帆船的速度、舵角和航向角与风速和风向的关系，能够得到帆船动力特性，实现准确预测帆船的航行速度。本发明适用于帆船设计、载人帆船的风帆操纵以及无人驾驶帆船的自动控制。

附图说明

[0047] 图1为本发明方法的流程示意图；

[0048] 图2为本发明实施例的船舶阻力拟合曲线图；

[0049] 图3为本发明实施例的前帆力臂解析图；

[0050] 图4为本发明实施例的主帆力臂解析图；

[0051] 图5为本发明实施例的左舵右偏力臂解析图；

[0052] 图6为本发明实施例的左舵左偏力臂解析图；

[0053] 图7为本发明实施例的23.3°<θ≤74°时帆船受力平衡图

[0054] 图8为本发明实施例的23.3°<θ≤74°时帆船力矩平衡图；

[0055] 图9为本发明实施例在7级风力条件下帆转角为35°时帆船平衡方程组求解结果图；

[0056] 图10为本发明实施例的帆船速度特性曲线图；

[0057] 图11为本发明实施例的航向角、舵角变化特性图；

[0058] 图12为本发明实施例的流程示意图。

具体实施方式

[0059] 本发明实施例提供了一种帆船速度预测方法，以解决现有技术中在帆船设计之初不能科学有效地预测帆船速度的技术问题。

[0060] 为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

[0061] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

[0062] 本发明通过构建帆船运动模型，将帆船的速度、舵角和航向角等参数耦合到平衡方程组，结合数值方法和经验算法求解帆船在不同风况条件下帆船的速度、舵角和航向角与风速和风向的关系，得到帆船动力特性，进而实现对帆船的速度预测；本发明适用于帆船设计、载人帆船的风帆操纵与无人驾驶帆船的自动控制。

[0063] 请参阅图1，本发明提供了一种帆船速度预测方法的实施例，包括：

[0064] S100：根据帆船模型获取帆船参数，设置所述帆船航行时的预设风况；

[0065] S200：根据所述帆船参数和所述预设风况，利用数值计算软件分别计算所述帆船的风帆受力、船舶阻力、船舵受力、船体受力及稳向板受力；

[0066] S300：根据所述风帆受力、所述船舶阻力、所述船舵受力、所述船体受力及所述稳向板受力对所述帆船进行受力分析，建立所述帆船保持稳定姿态航行时的平衡方程组，所述平衡方程组包括纵向受力平衡方程、横向受力平衡方程和力矩平衡方程；

[0067] S400：利用数值计算软件求解所述平衡方程组，得到所述帆船在所述预设风况下航行时的预测速度、预测舵角和预测航向角。

[0068] 在步骤S100中，根据帆船模型获取帆船参数，设置帆船航行时的预设风况。本实施例中，首先需获取帆船参数并设置风况条件。具体地，通过帆船设计的三维模型和测量方法获得帆船参数，帆船参数具体可以包括：前帆面积A1，主帆面积A2，前帆压力中心与前支点距离为a1，主帆压力中心与桅杆距离为a2，前帆支点与重心投影距离为b1，桅杆与重心距离为b2，单舵面积为Ad，舵宽为a3和a4，舵与中垂线距离为c，舵与重心距离为b3和b4，单个稳向板面积为Aw，水线以下船体侧投影面积为Ac，水面以下船体受力中心与重心投影距离为L5和L6，前帆面积为A1，主帆面积为A2；给出需要预测的风况条件，风况条件包括风速和风向。本实施例的帆船参数如表1所示：

[0069] 表1

[0070]

[0071] 在步骤S200中，根据所述帆船参数和所述预设风况，利用数值计算软件分别计算所述帆船的风帆受力、船舶阻力、船舵受力、船体受力及稳向板受力。具体地，根据帆船参数和预设风况，利用数值计算软件分别计算帆船的前帆受力、主帆受力、船舶阻力、左舵受力、右舵受力、左船体受力、右船体受力、左稳向板受力及右稳向板受力。

[0072] 采用风压力公式即式(1)和式(2)分别计算帆船的前帆和主帆所受风压力：

[0073]

[0074]

[0075] 其中，Ff1为前帆受力；Ff2为主帆受力；CS为形状系数；ρ1为空气密度；A1为前帆的面2 2
积，单位为m ；A2为主帆面积，单位为m；V为风速，单位为m/s；Vs为船速，单位为m/s；α为航向角，θ为帆转角。

[0076] 优选的实施方式，CS取1.1，ρ1取1.222kg/m3。

[0077] 需要说明的是，帆船的前帆受力、主帆受力既有纵向分力，也有横向分力。

[0078] 本实施例中，利用数值计算软件计算船舶阻力得到船舶阻力拟合曲线图。

[0079] 具体地，基于Navier‑Stokes方程，采用RNG k‑ε湍流模型，对船舶阻力进行数值计算。在CFD软件中先将计算区域离散化，进行网格划分，建立矩形流域作为CFD计算域，流域的长、宽、高。满足两相流的计算要求，在进口边界分别划分空气和海水入口，空气入口与海水入口交界面为船舶水线面，出口为自由出口；在设计船速范围内，将计算出的船舶阻力近似拟合成一条关于速度的曲线，如图2所示为本发明实施例的船舶阻力拟合曲线图，曲线可用式(3)表示：

[0080] Fs＝x1Vs3+x2Vs2+x3Vs+x4；(3)

[0081] 式(3)中，x1、x2、x3为常系数；x4为常数；Vs为船速，单位为m/s。

[0082] 本实施例采用流体动压公式计算舵表面水流产生的压力P，压力P与舵叶面积的乘积为舵所受水流作用力。具体地，数值计算软件利用式(4)分别计算帆船的左舵受力、右舵受力：

[0083]

[0084] 其中，Fd1、Fd2分别为帆船的左舵受力、右舵受力；Cd为阻力系数；ρ2为海水密度；Ad2
为单个舵叶面积，单位为m；Vs为船速，单位为m/s； 为舵角；α为航向角。

[0085] 需要说明的是，帆船的左舵、右舵所受力为既有纵向分力，也有横向分力。

[0086] 数值计算软件利用式(5)分别计算帆船的左船体受力、右船体受力，利用式(6)分别计算帆船的左稳向板和右稳向板的受力：

[0087]

[0088]

[0089] 式中，Fc1、Fc2分别为帆船的左船体受力、右船体受力；Fw1、Fw2分别为帆船的左稳向3
板和右稳向板的受力；Cd为阻力系数；ρ2为海水密度，1025kg/m ；Ad为单个舵叶面积，单位为
2 2 2
m；Ac为水线以下船体侧投影面积，单位为m ；Aw为单个稳向板侧投影面积，单位为m ；Vs为船速，单位为m/s； 为舵角；α为航向角。

[0090] 需要说明的是，帆船的左船体受力、右船体受力既有纵向分力，也有横向分力；左稳向板和右稳向板的受力为横向受力。

[0091] 在步骤S300中，根据所述风帆受力、所述船舶阻力、所述船舵受力、所述船体受力及所述稳向板受力对所述帆船进行受力分析，建立所述帆船保持稳定姿态航行时的平衡方程组，所述平衡方程组包括纵向受力平衡方程、横向受力平衡方程和力矩平衡方程。

[0092] 本实施例中，利用数值计算软件分别计算前帆、主帆、左舵、右舵产生力矩的力臂，根据帆船保持稳定姿态航行时前帆、主帆、左舵、右舵、左船体与右船体之间的力矩平衡关系建立帆船航行时的力矩平衡方程。

[0093] 数值计算软件利用式(7)计算前帆产生力矩的力臂，利用式(8)计算主帆产生力矩的力臂。具体地，前帆在风压力作用下，对船舶产生回转的力矩，力矩中心为重心，如图3所示，G为船舶重心在甲板平面上的投影，N1为前帆距离船首最近点在甲板上的投影点，P1为前帆压力中心在甲板上的投影点，前帆转帆时压力中心的运动轨迹近似用圆弧s1表示，GA为前帆产生力矩的力臂L1。力臂L1如式(7)所示：

[0094]

[0095] 其中，L1为前帆产生力矩的力臂，a1为前帆压力中心与前帆距离船首最近点在甲板上的投影距离，单位为m；b1为前帆距离船首最近点与重心在甲板上的距离，单位为m；θ为帆转角。

[0096] 主帆在风压力作用下，对船舶产生回转的力矩，力矩中心为重心，如图4所示，N2为桅杆在甲板上的支点，P2为主帆压力中心在甲板上的投影点，主帆转帆时压力中心的运动轨迹用圆弧s2表示，GB为主帆产生力矩的力臂L2。力臂L2表示如式(8)所示：

[0097]

[0098] 其中，L2为主帆产生力矩的力臂，a2为主帆压力中心与桅杆支点在甲板上的投影距离，单位为m；b2为桅杆支点与重心在甲板上的投影距离，单位为m；θ为帆转角。

[0099] 本实施例中，数值计算软件利用式(9)或式(10)计算帆船的左舵产生力矩的力臂。具体地，左舵在向右偏转时，在水流作用下，对船舶产生回转的力矩，力矩中心为重心，如图
5和图6所示，G为船舶重心在甲板平面上的投影，M3为左舵旋转支点在甲板上的投影，P3为左舵压力中心在甲板上的投影点，转舵时压力中心的运动轨迹用圆弧s3表示，GC为左舵产生力矩的力臂L3。当左舵向右偏转时，力臂L3表示成如式(9)所示：

[0100]

[0101] 当左舵向左偏转时，力臂L3表示成如式(10)所示：

[0102]

[0103] 式中，a3为左舵旋转支点与压力中心在甲板上的投影距离，单位为m；b3为左舵旋转支点与重心在甲板上的投影距离，单位为m；c为左右两舵旋转支点与船舶中垂线的距离，单位为m；为舵转角。

[0104] 本实施例中，数值计算软件利用式(11)和式(12)计算右舵产生力矩的力臂。右舵在向左偏转时，在水流作用下，对船舶产生回转的力矩，力矩中心为重心，右舵受力与左舵对称，右舵力臂解析情况类似图5左舵右偏力臂解析图和图6左舵左偏力臂解析图，力臂L4表示如式(11)：

[0105]

[0106] 当右舵向右偏转时，力臂L4表示如式(12)所示：

[0107]

[0108] 式中，a4为右舵旋转支点与压力中心在甲板上的投影距离，单位为m；b4为右舵旋转支点与重心在甲板上的投影距离，单位为m；c4为右舵旋转支点与船舶中垂线的距离，单位为m； 为舵转角。

[0109] 本实施例中，在帆船保持稳定的姿态航行时，需要满足主帆、前帆、舵和船体对船舶重心G的力矩相互平衡，即满足式(13)：

[0110] M1+M2+M3+M4+M5+M6＝0； (13)

[0111] 式中，M1为前帆产生力矩，单位N*m；M2为主帆产生力矩，单位N*m；M3为左舵产生力矩，单位N*m；M4为右舵产生力矩，单位N*m；M5为左船体产生力矩，单位N*m；M6为右船体产生力矩，单位N*m。

[0112] 需要说明的是，由于稳向板位于重心位置或非常靠近重心的位置，稳向板产生力矩的力臂约为0，稳向板产生的力矩也约为0，因此，本实施例的力矩平衡方程中不再考虑稳向板的力矩。

[0113] 各项力矩为各项力和力臂的矢量积，可以写成如式(14)所示：

[0114] Ff1·L1+Ff2·L2+Fd1·L3+Fd2·L4+Fc1·L5+Fc2·L6＝0； (14)

[0115] 式中，L1为前帆产生力矩M1的力臂，单位为m；L2为主帆产生力矩M2的力臂，单位为m；L3为左舵产生力矩M3的力臂，单位为m；L4为右舵产生力矩M4的力臂，单位为m；L5为左船体产生力矩M5的力臂，单位为m；L6为右船体产生力矩M6的力臂，单位为m。

[0116] 需要说明的是，L5、L6均等于水面以下船体受力中心与重心投影距离。

[0117] 本实施例中，平衡方程组包括：

[0118] 帆转角大于预设角度时的第一平衡方程组和帆转角小于预设角度时的第二平衡方程组，预设角度为帆船的前帆力矩方向发生变化时的帆转角角度；其中，第一平衡方程组包括第一力矩平衡方程、第一纵向受力平衡方程和第一横向受力平衡方程，第二平衡方程组包括第二力矩平衡方程、第二纵向受力平衡方程和第二横向受力平衡方程。

[0119] 在不同的帆转角角度下，帆船的船舵、稳向板、船体和风帆的受力方向会发生变化，因此，在不同的帆转角角度范围内有不同的受力平衡初始方程，经过计算后得到大角度转帆时的第一纵向受力平衡方程和第一横向受力平衡方程，以及小角度转帆时的第二纵向受力平衡方程和第二横向受力平衡方程。

[0120] 对于本实施例，

[0121] 1)θ＝90°时，纵向平衡初始方程为：

[0122]

[0123] θ＝90°时，横向平衡初始方程为：

[0124]

[0125] 2)74°<θ<90°时，纵向平衡初始方程为：

[0126]

[0127] 74°<θ<90°时，横向平衡初始方程为：

[0128]

[0129] 3)23.3°<θ≤74°时，纵向平衡初始方程为：

[0130]

[0131] 23.3°<θ≤74°时，横向平衡初始方程为：

[0132]

[0133] 4)θ<23.3°时，纵向平衡初始方程为：

[0134]

[0135] θ<23.3°时，横向平衡初始方程为；

[0136]

[0137] 帆船在帆转角为某一角度时，前帆产生力矩方向会发生变化。经过计算可确定前帆力矩方向发生变化的角度，将帆转角大于此角度(预设角度)时，称为大角度转帆，小于此角度时，称为小角度转帆。优选的实施方式，本实施例中的预设角度为57.9°，当帆转角大于57.9°时，称为大角度转帆，当帆转角小于57.9°时，称为小角度转帆。如图7和图8所示，建立大角度转帆时的帆船平衡方程组。

[0138] 本实施例中，大角度转帆时的平衡方程组中的第一力矩平衡方程如式(23)所示：

[0139]

[0140] 大角度转帆时的第一纵向受力平衡方程如式(24)所示：

[0141]

[0142] 大角度转帆时的第一横向受力平衡方程如式(25)所示：

[0143]

[0144] 式中，CS为形状系数；ρ1为空气密度；A1为前帆的面积，单位为m2；A2为主帆面积，单2
位为m ；V为风速，单位为m/s；Vs为船速，单位为m/s；α为航向角，θ为帆转角；a2为主帆压力中心与桅杆支点在甲板上的投影距离，单位为m；b2为桅杆支点与重心在甲板上的投影距离，
2
单位为m；Cd为阻力系数；ρ2为海水密度；Ad为单个舵叶面积，单位为m ；Ac为水线以下船体侧
2
投影面积，单位为m ；a3为左舵旋转支点与压力中心在甲板上的投影距离，单位为m；b3为左舵旋转支点与重心在甲板上的投影距离，单位为m；L5、L6均为水面以下船体受力中心与重心
2
投影距离，单位为m；Aw为单个稳向板侧投影面积，单位为m； 为舵转角。

[0145] 帆船在帆转角为某一角度时，前帆产生力矩方向会发生变化。经过计算可确定前帆力矩方向发生变化的角度，将帆转角小于此角度时，称为小角度转帆，小角度转帆时的第二力矩平衡方程如式(26)所示：

[0146]

[0147] 小角度转帆时的第二纵向受力平衡方程如式(27)所示：

[0148]

[0149] 小角度转帆时的第二横向受力平衡方程如式(28)所示：

[0150]

[0151] 在步骤S400中，利用数值计算软件求解所述平衡方程组，得到所述帆船在所述预设风况下航行时的预测速度、预测舵角和预测航向角。

[0152] 在数值分析软件中对受力平衡方程组进行求解，得到在不同的预设风况条件下，帆船航行时的预测速度、预测舵角和预测航向角，进一步得到帆船速度特性曲线和航向角、舵角变化特性，在帆船实际航行中实现对帆船的速度预测。通过联立步骤S300中帆船的力矩平衡方程、纵向受力平衡方程和横向受力平衡方程建立帆船保持稳定姿态航行时的平衡方程组，将步骤100中的帆船所需参数(如表1所示)和步骤200中的船舶阻力代入上述的平衡方程组，在数值分析软件中对方程组进行求解，得到在不同风况下，帆船的速度、舵角和航向角。

[0153] 需要说明的是，仅在纵向受力平衡时需考虑船舶阻力，即船舶阻力只参与纵向受力平衡方程的计算；仅在横向受力平衡时需考虑横向板受力，即横向板受力只参与横向受力平衡方程的计算。对于帆船的前帆、主帆、左舵、右舵、左船体和右船体这些部分，在纵向受力平衡和横向受力平衡均有考虑。

[0154] 本发明通过获取帆船参数和设置风况条件，利用数值计算软件分别计算帆船的风帆受力、船舶阻力、船舵受力、船体受力及稳向板受力，构建帆船保持稳定姿态航行时的运动平衡模型，将帆船的速度、舵角和航向角等参数耦合到平衡方程组中，结合数值方法和经验算法求解帆船在不同风况条件下帆船的速度、舵角和航向角与风速和风向的关系，能够得到帆船动力特性，实现准确预测帆船的航行速度。本发明适用于帆船设计、载人帆船的风帆操纵以及无人驾驶帆船的自动控制。

[0155] 如图9所示的本发明实施例在7级风力条件下帆转角为35°时帆船平衡方程组在MATLAB中的求解结果，具体地解释为在7级风力条件下(平均风速17.1m/s)，风向自船尾指向船首，帆转角为大角度35°左右时，方程组有一个交点，所以在此条件下，帆船只有一个姿态可以保持稳性航行，且最大航速为3.3m/s，舵角约为6.4°，帆船速度方向角约为9.5°。在操帆过程中，可以通过调节舵角 与帆转角θ，使得帆船达到平衡。

[0156] 如图10所示的本发明实施例中的帆船速度特性曲线图，帆船的航速Vs随着帆转角θ的增大不断增加。帆转角达到66°时，帆船速度趋于稳定，约为9节。如图11所示的本发明实施例中的航向角、舵角变化特性图，帆船航向角随着帆转角的增大先增大到13.3°左右开始减小，当帆转角到达74°时，航行角为0°，航向发生改变，之后航向角随着帆转角的继续增大而增大；当帆转角增大到84°之后，帆船不能保持稳定的姿态航行。帆船的舵角随着帆转角的增大先增大再减小，帆转角大约到24°时，舵角为0°，舵的偏转方向发生改变，之后随着帆转角的增大不断增大。

[0157] 综上，对本发明实施例的结果进行分析，验证了本实施例提供的一种帆船速度预测方法具有很好的预测结果。

[0158] (1)本发明通过理论分析建立帆船运动平衡方程，将帆船的速度、舵角和航向角等参数耦合到平衡方程组，利用数值方法和经验方法分别计算风帆所受风压力、船舶阻力、船舵受力、船体侧向力及稳向板受力，在数值分析软件中对平衡方程组进行求解，得到在不同风况下，帆船的速度、舵角和航向角，实现对帆船动力性能的评估和速度预测。

[0159] (2)本发明实施例中只需要获得帆船参数，通过实施例的进一步计算分析，表明本方法能够得到帆船的动力特性，实现对帆船速度预测的功能。

[0160] (3)本发明适用于帆船设计、载人帆船的风帆操纵与无人驾驶帆船的自动控制。

[0161] 请参阅图12，本发明还提供了一种帆船速度预测方法的另一实施例，包括：

[0162] S1:获取帆船参数与风况条件；

[0163] S2：计算风帆压力；

[0164] S3：计算船舶阻力；

[0165] S4：计算船舵受力、稳向板受力及船体侧向力；

[0166] S5：建立帆船运动平衡方程组；

[0167] S6：求解帆船运动特性。

[0168] 其中，S5包括：

[0169] S501：前帆产生力矩的力臂；

[0170] S502：主帆产生力矩的力臂；

[0171] S503：左舵产生力矩的力臂；

[0172] S504：右舵产生力矩的力臂；

[0173] S505：大角度转帆时的帆船平衡方程组；

[0174] S506：小角度转帆时的帆船平衡方程组。

[0175] 本实施例能在预设风况条件下，预测帆船在不同帆转角条件下的航向、航速和舵角，便于风帆操纵和自动控制。

[0176] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

[0177] 在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

[0178] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

[0179] 另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

[0180] 所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read‑Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0181] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。