针对我国目前湖泊水体污染严重,水体动态参数监测手段不足的现状,本文以面向湖泊监测的无人帆船为研究对象,以无人帆船对湖泊水体环境的自主监测为研究目的,通过理论、仿真和试验相结合的方法,对执行湖泊水质监测任务时常见的虚拟锚定工况和巡航工况开展风帆控制策略改进研究。首先,完成面向湖泊监测的无人帆船设计。采用母型船放缩法确定目标船型平台主尺度,并采用MAXSURF软件进行船舶型线设计和稳性分析,确保无人帆船满足在9m/s风速以下横倾角小于15°等航行要求:基于风帆修形设计法设计目标风帆的关键特性参数;搭建硬件电路系统,形成以STM32F103ZET6为控制器,集风向风速传感器、姿态及位置传感器、无线通信模块以及太阳能发电单元等多模块为一体的硬件控制系统。为风帆控制策略试验验证提供了可靠的试验基础。其次,完成目标风帆空气动力特性研究。采用STAR-CCM+软件对目标风帆进行数值模拟,获得目标风帆升力系数和阻力系数,并结合帆船受力分析结果进行联合评判,建立最大助推力下风帆攻角控制策略,提出25°～180°相对风向角范围为目标帆船可航行区域。为搭建帆船运动模型和对比试验奠定基础。再次,针对无人帆船执行监测任务时常见的两种航行工况,开展风帆控制策略改进研究。风帆在推进船舶航行过程中,既产生助推力也产生侧推力。在巡航工况下,风帆助推力有利于航行,风帆侧推力干扰船舶正常航行;而在虚拟锚定工况下,风帆侧推力产生的回转力矩有助于船舶回转性能。针对无人帆船应用于湖泊监测领域的虚拟锚定工况和巡航工况下风帆控制策略进行研究。(1)虚拟锚定工况。采用MATLAB/Simulink软件建立基于风帆和船舵联合作用回转运动的帆船运动模型,通过仿真研究变相对风向角下帆船回转直径等参数随风帆攻角变化规律,建立回转直径—航速联合评价机制,获得最小回转直径下风帆攻角控制策略。(2)巡航工况。采用MATLAB/Simulink软件建立基于风帆和船舵联合作用定航向运动的帆船运动模型,通过仿真研究变相对风向角下帆船航速等参数随风帆攻角变化规律,建立航速—风帆作用力联合评价机制,获得最大航速下风帆攻角控制策略。最后,对风帆攻角控制策略改进结果开展航行对比试验研究。根据不同的控制策略编写无人帆船自主航行控制程序,分别对回转航行和定航向航行进行对比试验。在回转航行试验中,分别采用最小回转直径和最大助推力的风帆攻角控制策略,对无人帆船向左、右回转运动进行试验,试验结果表明:相比最大助推力下风帆攻角控制策略,最小回转直径下风帆攻角控制策略可减小回转直径20%以上。在定航向航行试验中,分别采用最大航速和最大助推力的风帆攻角控制策略,对无人帆船在30°、60°、90°、120°和150°航向下进行试验,试验结果表明:相比最大助推力风帆攻角控制策略,最大航速下风帆攻角控制策略可提升航速4.9%以上。相对传统的最大助推力下风帆控制策略,本文所提出的最小回转直径和最大航速下风帆攻角控制策略在特定的航行工况下具有较好的适用性,为无人帆船的工况针对性自主航行风帆控制策略研究提供了新的思路。