馬天宇，杭 岑，楊松林

(1.中國(guó)艦船研究院，北京 100101；2.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125；3.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

?

一種新型水面無(wú)人艇操縱性試驗(yàn)分析

馬天宇1，杭 岑2，楊松林3

(1.中國(guó)艦船研究院，北京 100101；2.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125；3.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

設(shè)計(jì)制作一種從艇舯向艇艉橫向?qū)ΨQ(chēng)加裝短翼型片體的新型自控水面無(wú)人艇(Unmanned Surface Vehicle，USV)模型，開(kāi)展了多種工況狀態(tài)下的自航模操縱運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，主要包括慣性試驗(yàn)、回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和Z形操舵試驗(yàn)。通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的相應(yīng)結(jié)論，可為新型USV艇型操縱運(yùn)動(dòng)性能的研究提供技術(shù)支撐和參考。

水面無(wú)人艇；操縱運(yùn)動(dòng)；模型試驗(yàn)；慣性試驗(yàn)；回轉(zhuǎn)試驗(yàn)；Z形操舵試驗(yàn)

0 引言

USV是一種具有自主或半自主航行能力的水上無(wú)人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，操縱性是衡量USV航行性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。良好的操縱性使USV在完成任務(wù)時(shí)更加機(jī)動(dòng)靈活，并可提高水上生存能力。

近年來(lái)，USV的操縱性引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。文獻(xiàn)[1]考慮國(guó)際海上避碰規(guī)則，提出一種基于快速擴(kuò)展隨機(jī)樹(shù)(RRT)算法的USV尋優(yōu)路徑避碰系統(tǒng)，通過(guò)仿真和全尺寸試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的魯棒性。文獻(xiàn)[2-3]對(duì)一艘雙體USV的導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制和路徑規(guī)劃等方面進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了包含瞄準(zhǔn)線(xiàn)導(dǎo)航點(diǎn)和人工偏移方案的障礙物檢測(cè)與避碰策略。文獻(xiàn)[4]提出一種約束USV偏航角速度的路徑規(guī)劃算法，可實(shí)時(shí)在柵格地圖上顯示生成有效路徑。文獻(xiàn)[5]討論了一種基于相對(duì)坐標(biāo)下的USV運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。文獻(xiàn)[6]利用最小二乘支持向量機(jī)辨識(shí)方法得到了無(wú)人滑行艇艏向響應(yīng)方程中的一、二階線(xiàn)性與非線(xiàn)性參數(shù)，并設(shè)計(jì)了艏向控制系統(tǒng)和仿人腦模型智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]考慮了定常風(fēng)的干擾，對(duì)USV在風(fēng)壓作用下的操縱運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了仿真研究。

綜上，國(guó)內(nèi)外在USV的避碰、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、仿真實(shí)驗(yàn)等方面開(kāi)展了較多研究工作，但在操縱性模型試驗(yàn)方面的嘗試比較少。本文針對(duì)一種新型水面無(wú)人艇開(kāi)展了自航模操縱性試驗(yàn):慣性試驗(yàn)、回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和Z形操舵試驗(yàn)。

1 艇型設(shè)計(jì)

采用“母型艇改造法”，設(shè)計(jì)制作一種新型自控USV模型，其艇型特點(diǎn)是：在滑行艇艇體兩側(cè)的艇舭部采用雙折角線(xiàn)線(xiàn)型，從艇舯向艇艉橫向?qū)ΨQ(chēng)加裝短翼型片體。這樣設(shè)計(jì)的目的主要有兩點(diǎn)：第一，可以有效抑制高速航行時(shí)滑行面的側(cè)向飛濺，快速性良好；第二，可以起到減搖并改善航行穩(wěn)定性的作用[8]。新型USV模型艇體效果圖如圖1所示。表1給出了新型USV模型的主要參數(shù)。

圖1 新型USV模型艇體效果圖

主尺度符號(hào)數(shù)值單位艇長(zhǎng)L1.50m艇寬B0.46m型深D0.19m設(shè)計(jì)吃水T0.13m設(shè)計(jì)排水量Δ50kg設(shè)計(jì)航速V5kn

2 試驗(yàn)方案和步驟

慣性試驗(yàn)在江蘇科技大學(xué)拖曳水池中進(jìn)行，該水池長(zhǎng)100 m，寬6 m，水深3 m?；剞D(zhuǎn)試驗(yàn)和Z形操舵試驗(yàn)在江蘇科技大學(xué)室外游泳池中進(jìn)行，該水域長(zhǎng)50 m，寬25 m，最大水深2 m。

2.1 慣性試驗(yàn)

航行中的USV在接受到新的指令或遇到障礙物時(shí)，經(jīng)常需要面臨突然停船的情況,因而，開(kāi)展慣性試驗(yàn)，對(duì)于研究USV的機(jī)動(dòng)性和停船性能具有一定意義。

為方便記錄USV的沖程距離，選擇USV在直航運(yùn)動(dòng)情況下，突然停船利用慣性沿原有航向移動(dòng)。通過(guò)加載砝碼設(shè)定0.13、0.14、0.145 m這3種不同吃水，并設(shè)定1.5～2.1 V 7組不同主機(jī)控制電壓作為組合工況。自USV起始點(diǎn)沿拖曳水池方向，在池邊分別標(biāo)記10 m加速段和20 m測(cè)速段，記錄測(cè)速段的時(shí)間，計(jì)算航速。同時(shí)記錄關(guān)閉主機(jī)后的沖程時(shí)間和慣性距離。每一工況試驗(yàn)后，將艇模拖回起始點(diǎn)，待水面余波消散后，再進(jìn)行下一種狀態(tài)試驗(yàn)。

2.2 回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

水面無(wú)人艇的回轉(zhuǎn)性是指通過(guò)操舵使其進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)的性能。作為一種典型運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，定?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是USV操縱性試驗(yàn)的重要研究?jī)?nèi)容。考慮露天的試驗(yàn)條件，為方便采集數(shù)據(jù)并保證數(shù)據(jù)的精度，基于VB.NET語(yǔ)言編寫(xiě)了USV回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制程序，通過(guò)給定艇載可編程自動(dòng)控制器(PAC)不同的舵角信號(hào)，使艇模執(zhí)行程序，完成回轉(zhuǎn)試驗(yàn)。艇模上的差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)可以有效采集試驗(yàn)過(guò)程中艇模的位置、航速等信息, 回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中DGPS記錄的軌跡如圖2所示。為全面探究航速、舵角對(duì)USV回轉(zhuǎn)直徑的影響，通過(guò)加載砝碼，調(diào)節(jié)主機(jī)轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)0.13、0.14、0.145 m 3種不同吃水狀態(tài)下，1.8、2.0、2.2 V 3種控制電壓和20°、25°、30°、35° 4種不同舵角(左舵)的組合工況回轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

2.3 Z形試驗(yàn)

Z形試驗(yàn)旨在研究USV在左右交替操舵時(shí)的操縱性能。預(yù)先設(shè)定好主機(jī)的控制電壓，使艇模以某一航速先進(jìn)行直線(xiàn)航行，達(dá)到穩(wěn)定后，由核心控制器PAC發(fā)出操舵指令。艇模首先打右舵5°并保持，艇體向右逐漸轉(zhuǎn)向，當(dāng)艏向角也達(dá)到5°時(shí)，立即打左舵5°并保持，艇體向右轉(zhuǎn)艏的角速度不斷減小，直至消失，然后艇體將逐漸向左轉(zhuǎn)向，當(dāng)艏向角再次與舵角(此時(shí)即為5°)的值相同時(shí)，再打右舵5°，重復(fù)上述過(guò)程，直至完成5次操舵為止。Z形試驗(yàn)如圖3所示。艇載三維電子羅盤(pán)在試驗(yàn)過(guò)程中將自動(dòng)采集舵角和艏向角，DGPS記錄位置和航速，所有數(shù)據(jù)均保存在PAC中?；谝陨显囼?yàn)流程，設(shè)計(jì)了1.06、1.21、1.4 kn 3種不同航速狀態(tài)下，5°/5°，10°/10°和15°/15°的Z形試驗(yàn)。

圖2 回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中DGPS記錄的軌跡

圖3 Z形試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 慣性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)慣性試驗(yàn)記錄的航速及關(guān)閉主機(jī)后，艇模沖程時(shí)間和慣性距離，分別得到USV在3種不同的吃水狀態(tài)下航速隨電壓變化的曲線(xiàn)、沖程時(shí)間隨電壓變化的曲線(xiàn)和慣性距離隨電壓變化的曲線(xiàn)。這3種曲線(xiàn)圖分別如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 慣性試驗(yàn)中航速隨控制電壓變化曲線(xiàn)

分析圖4可知：隨著控制電壓增大，航速也隨之增大。在控制電壓為1.5～1.9 V范圍內(nèi)，航速的增幅較為劇烈；當(dāng)控制電壓大于1.9 V時(shí)，航速增幅減緩。比較圖中3條曲線(xiàn)，隨著艇模吃水增大，航速整體有所減小。當(dāng)控制電壓分別為1.5 V和1.8 V時(shí)，吃水為0.145 m狀態(tài)下的航速比吃水為0.14 m狀態(tài)下的航速略高，但最大增幅僅為0.02 kn。

圖5 沖程時(shí)間隨控制電壓變化曲線(xiàn)

圖6 慣性距離隨控制電壓變化曲線(xiàn)

從圖5可知：隨著控制電壓增大，沖程時(shí)間經(jīng)歷了一個(gè)“先增大—后減小—再增大”的過(guò)程。吃水為0.13 m時(shí)，沖程時(shí)間減小發(fā)生在1.9～2.0 V電壓之間；對(duì)于吃水為0.14 m的狀態(tài)，沖程時(shí)間減小發(fā)生在1.8～1.9 V電壓之間；對(duì)于吃水為0.145 m的狀態(tài)，沖程時(shí)間減小發(fā)生在1.7～1.9 V之間?？梢?jiàn)，隨著吃水增大，艇模沖程時(shí)間出現(xiàn)減小趨勢(shì)的控制電壓拐點(diǎn)值越來(lái)越小。在1.5～1.7 V電壓范圍內(nèi)，吃水越大，沖程時(shí)間也越長(zhǎng)。但在控制電壓大于1.8 V以后，隨著吃水增大，沖程時(shí)間先增后減。結(jié)合圖4，當(dāng)航速處于0.655 ～1.456 kn范圍內(nèi)時(shí)，影響沖程時(shí)間的因素主要是排水量，控制電壓增大，航速增高，排水量越大沖程時(shí)間就越長(zhǎng)。隨著航速增高至1.638 kn以后，影響沖程時(shí)間的因素主要是艇模的阻力，一方面航速較高，停船后的沖程段中摩擦阻力較大；另一方面，艇模在狹長(zhǎng)的水池里航行不可避免地將受到池壁反射波干擾，興波阻力隨航速的增加也會(huì)變大。當(dāng)吃水從0.13 m增加至0.14 m時(shí)，艇模沖程時(shí)間仍然有變長(zhǎng)的趨勢(shì)，但當(dāng)吃水從0.14 m增加至0.145 m時(shí)，艇模沖程時(shí)間反而變短，這說(shuō)明在同一電壓下，隨著艇模吃水增大，沖程時(shí)間是由艇模的慣性和阻力共同決定的。

從圖6可知：當(dāng)控制電壓從1.5 V增大至2.0 V時(shí)，3種吃水狀態(tài)下艇模的慣性距離均逐漸增大。但當(dāng)控制電壓從2.0 V增至2.1 V時(shí)，吃水為0.13 m和0.14 m狀態(tài)下的慣性距離呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；吃水為0.145 m時(shí)，慣性距離仍在增大，但增幅很小。結(jié)合圖4，此時(shí)艇模的航速介于2.119～2.371 kn的范圍內(nèi)。隨著吃水變大，艇模的慣性距離也變大，說(shuō)明從整體角度出發(fā)，慣性距離和排水量呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)，即慣性越大，慣性距離越大。特別是，在控制電壓為1.5～1.6 V時(shí)，3種吃水狀態(tài)下，慣性距離隨控制電壓增大而增加的變化趨勢(shì)特別明顯。此外，艇模在吃水為0.14 m狀態(tài)下，當(dāng)控制電壓從1.7 V增加至1.8 V時(shí)，慣性距離增加得也很劇烈。

3.2 回轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)方案，每種狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行2次，并記錄航速和回轉(zhuǎn)直徑的平均值。

圖7給出了回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，3種吃水狀態(tài)下的航速隨控制電壓變化的曲線(xiàn)。分析可知：隨著控制電壓增大，航速也逐漸增大；吃水越大，航速越小，這與吃水增大，艇模阻力增大的事實(shí)相符。在吃水為0.14 m和0.145 m的狀態(tài)下，當(dāng)控制電壓從1.8 V增大到2.0 V時(shí)，航速增加較為明顯。當(dāng)控制電壓從2.0 V增大到2.2 V時(shí)，3種吃水狀態(tài)下的航速增加趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)出明顯的線(xiàn)性關(guān)系。

圖7 回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中航速隨控制電壓變化曲線(xiàn)

圖8給出了吃水為0.13 m狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑隨航速變化的曲線(xiàn)。分析可知：20°和25°舵角狀態(tài)下，隨航速增大，回轉(zhuǎn)直徑先增大再減?。?0°和35°舵角狀態(tài)下，隨航速增大，回轉(zhuǎn)直徑也逐漸增大。

圖9給出了吃水為0.14 m狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑隨航速變化的曲線(xiàn)。其變化規(guī)律與圖8類(lèi)似，但略有不同，具體分析可知：20°、25°和30°舵角狀態(tài)下，隨航速增大，回轉(zhuǎn)直徑先增再減。在35°舵角狀態(tài)下，隨航速增大，回轉(zhuǎn)直徑逐漸增大。

圖8 吃水為0.13 m時(shí)回轉(zhuǎn)直徑隨航速變化曲線(xiàn)

圖9 吃水為0.14 m時(shí)回轉(zhuǎn)直徑隨航速變化曲線(xiàn)

圖10給出了吃水為0.145 m狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑隨航速變化的曲線(xiàn)。分析可知：20°舵角狀態(tài)下，隨航速增大，回轉(zhuǎn)直徑先增大再減小。在25°、30°和35°舵角狀態(tài)下，隨航速增大，回轉(zhuǎn)直徑逐漸增大。

圖10 吃水為0.145 m時(shí)回轉(zhuǎn)直徑隨航速變化曲線(xiàn)

綜合觀(guān)察比較圖8～圖10可以發(fā)現(xiàn)：回轉(zhuǎn)直徑隨航速的變化在局部有一定的線(xiàn)性規(guī)律，并且隨著舵角逐漸增大，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑整體減小。

圖11給出了在控制電壓為1.8 V狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑隨舵角變化的曲線(xiàn)。分析可知：3種吃水狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑均隨舵角的增大而減小。在吃水從0.13 m變化至0.14 m狀態(tài)的過(guò)程中，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑整體增大，并且在這2種吃水狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑隨舵角增大而變化的規(guī)律很相似，呈現(xiàn)較為規(guī)則的線(xiàn)性遞減規(guī)律。在吃水從0.14 m變化至0.145 m狀態(tài)的過(guò)程中，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑整體減小。結(jié)合圖7，隨著吃水的增大，航速逐漸減小，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑先整體增大，然后整體減小。只有在25°舵角時(shí)，吃水0.145 m狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)直徑比吃水0.13 m狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑大；在20°、30°和35°舵角時(shí)，吃水0.145 m狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)直徑均比吃水0.13 m狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑小。

圖11 1.8 V控制電壓下回轉(zhuǎn)直徑隨舵角變化曲線(xiàn)

圖12給出了在控制電壓為2.0 V狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑隨舵角變化的曲線(xiàn)。分析可知：3種吃水狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑均隨舵角的增大而減小。特別是，在吃水0.14 m狀態(tài)下，隨著舵角由25°增大到30°，以及在吃水0.145 m狀態(tài)下，隨著舵角由20°增大到25°，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑減小得幅度非常大。在吃水從0.13 m變化至0.14 m狀態(tài)的過(guò)程中，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑整體增大。在吃水從0.14 m變化至0.145 m狀態(tài)的過(guò)程中，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑整體減小。

圖12 2.0 V控制電壓下回轉(zhuǎn)直徑隨舵角變化曲線(xiàn)

圖13給出了在控制電壓為2.2 V狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑隨舵角變化的曲線(xiàn)。分析可知：3種吃水狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑均隨舵角的增大而減小。在吃水從0.13 m變化至0.14 m狀態(tài)的過(guò)程中，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑整體增大。在吃水從0.14 m變化至0.145 m狀態(tài)的過(guò)程中，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑整體減小。當(dāng)舵角從30°增加至35°的過(guò)程中，3種吃水狀態(tài)下相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑較為接近。結(jié)合圖7，隨著吃水的增大，航速逐漸減小，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑整體先增大再減小。

圖13 2.2 V控制電壓下回轉(zhuǎn)直徑隨舵角變化曲線(xiàn)

綜合觀(guān)察比較圖11～圖13可以發(fā)現(xiàn)：在不同的控制電壓下，回轉(zhuǎn)直徑隨舵角的增大而減小，整體上呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)規(guī)律，這與圖8～圖10中得到的規(guī)律相吻合，并且隨著吃水的增加，回轉(zhuǎn)直徑先增后減。

3.3 Z形試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

整理試驗(yàn)中得到的舵角、艏向角和航速數(shù)據(jù)，分別計(jì)算得到各操舵情況和控制電壓試驗(yàn)狀態(tài)下，第1超越角Ψov1、第2超越角Ψov2、第3超越角Ψov3，轉(zhuǎn)向滯后時(shí)間TL2、TL3、TL。

圖14給出了艇模在5°/5°操舵時(shí)，3個(gè)超越角隨航速變化的曲線(xiàn)。分析可知：隨著航速增大，超越角也逐漸增大。當(dāng)航速為1.06 kn和1.21 kn時(shí)，第2超越角Ψov2最?。划?dāng)航速為1.4 kn時(shí)，第3超越角Ψov3最小。

圖14 5°/5°操舵時(shí)超越角隨航速變化曲線(xiàn)

圖15給出了艇模在10°/10°操舵時(shí)，3個(gè)超越角隨航速變化的曲線(xiàn)。分析可知：隨著航速增大，超越角也逐漸增大。當(dāng)航速為1.06 kn時(shí)，第3超越角Ψov3最?。划?dāng)航速為1.21 kn和1.4 kn時(shí)，第2超越角Ψov2最小。

圖15 10°/10°操舵時(shí)超越角隨航速變化曲線(xiàn)

圖16給出了艇模在15°/15°操舵時(shí)，3個(gè)超越角隨航速變化的曲線(xiàn)。分析可知：隨著航速增大，超越角也逐漸增大。在1.06、1.21、1.4 kn航速下，第2超越角Ψov2均為最小。結(jié)合圖14和圖15可知：隨著Z形操舵角增大，3個(gè)超越角也整體隨之增大。

圖16 15°/15°操舵時(shí)超越角隨航速變化曲線(xiàn)

超越角在USV避碰運(yùn)動(dòng)中意義十分重大，工程上通常以第1超越角作為衡量船舶轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的參數(shù)。結(jié)合圖14～圖16，對(duì)于新型USV，在多種情況下第2超越角Ψov2是3個(gè)超越角中最小的值，因而觀(guān)察第1超越角Ψov1和第2超越角Ψov2隨航速的變化曲線(xiàn)，如圖17所示。從圖中可知：第1超越角Ψov1和第2超越角Ψov2均隨航速的增大而增大，并且隨著Z形操舵角的增大，第1超越角Ψov1和第2超越角Ψov2也相應(yīng)地增大；在15°/15°操舵情況下，Ψov1和Ψov2最大，說(shuō)明艇模此時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性最大。同時(shí)，隨著操舵角增大，Ψov1和Ψov2的增加呈現(xiàn)越來(lái)越劇烈的趨勢(shì)。

轉(zhuǎn)向滯后是指每次進(jìn)行反向操舵通過(guò)零舵角的瞬間，至船舶達(dá)到最大轉(zhuǎn)艏角時(shí)的時(shí)間間隔。工程上常以第2超越時(shí)間TL2和第3超越時(shí)間TL3的平均值即TL作為衡量船舶轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的一種度量，并且可以作為船舶跟從性的一個(gè)衡量指標(biāo)。TL越小，跟從性也越好。

圖17 第1超越角Ψov1和第2超越角Ψov2隨航速變化曲線(xiàn)

圖18給出了艇模在3種Z形操舵情況下，TL隨航速變化的曲線(xiàn)。觀(guān)察可知：在5°/5°操舵情況下，TL隨航速的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化；在10°/10°和15°/15°操舵情況下，TL均隨航速的增大而減小。當(dāng)航速分別為1.06 kn和1.21 kn時(shí)，TL隨操舵角的增大而減?。划?dāng)航速為1.4 kn時(shí)，TL隨操舵角的增大，先減小再增大?？梢?jiàn)，航速的增大和操舵角的增大，有利于TL的減小，即零舵角之后出現(xiàn)零角速度的之后時(shí)間減小。針對(duì)圖18，在航速為1.4 kn，10°/10°的操舵情況下，TL最小，說(shuō)明此時(shí)艇模的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性最小，跟從性最好。

圖19～圖21給出了艇模在3種Z形操舵情況下，艏向角隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。對(duì)比觀(guān)察可知：隨著Z形操舵角的增大，艏向角變化周期均有所增大。對(duì)于同一操舵角情況下，隨著航速增大，艏向角的變化周期逐漸縮短，但艏向角的幅值有所增大。

根據(jù)野本謙作提出的“K-T標(biāo)準(zhǔn)算法”[9]，計(jì)算各操舵角情況下的回轉(zhuǎn)性指數(shù)K和應(yīng)舵指數(shù)T值，并根據(jù)下式進(jìn)行無(wú)因次化處理，得到K′和T′。

圖18 轉(zhuǎn)向滯后時(shí)間TL隨航速變化曲線(xiàn)

圖19 5°/5°操舵時(shí)艏向角隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖20 10°/10°操舵時(shí)艏向角隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖21 15°/15°操舵時(shí)艏向角隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

式中：L為艇長(zhǎng)，m；V為航速，m/s。

分別將5°/5°、10°/10°和15°/15°操舵情況下的K′和T′隨航速的變化繪成曲線(xiàn)，分別如圖22和圖23所示。

圖22 K′隨航速變化曲線(xiàn)

圖23 T′隨航速變化曲線(xiàn)

分析圖22和圖23可知：回轉(zhuǎn)性指數(shù)K′隨航速的增加而減小。3種操舵角情況下，航速由1.06kn增加到1.21kn過(guò)程中K′的降速比航速由1.21kn增加到1.4kn過(guò)程中K′的降速要大。應(yīng)舵指數(shù)T′隨航速的增加而增大。同時(shí)，回轉(zhuǎn)性指數(shù)K′和應(yīng)舵指數(shù)T′均隨操舵角的增大而減小。其中，K′的值減小的趨勢(shì)逐漸平緩，這與操舵角增大、回轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)有所增加有關(guān)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)一種新型USV慣性試驗(yàn)，回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和Z形操舵試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出的主要結(jié)論有：

(1)不同排水量的艇模隨航速逐漸增加，沖程時(shí)間主要取決于阻力和慣性。當(dāng)主機(jī)控制電壓增大到一定范圍時(shí)，艇模的慣性距離不再隨排水量增加而繼續(xù)增加。

(2)回轉(zhuǎn)直徑隨航速的變化在局部有線(xiàn)性規(guī)律，但沒(méi)有整體呈現(xiàn)正相關(guān)或負(fù)相關(guān)。隨舵角逐漸增大，相應(yīng)回轉(zhuǎn)直徑整體減小。在不同控制電壓下，回轉(zhuǎn)直徑隨舵角增大而減小，呈負(fù)相關(guān)規(guī)律，并且隨著吃水的增加，回轉(zhuǎn)直徑先增大后減小。

(3)操舵角越大，Ψov1和Ψov2越大，艇模的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性越大。航速增大和操舵角增大，有利于TL的減小。在航速為1.4kn，10°/10°操舵時(shí)，艇模轉(zhuǎn)動(dòng)慣性最小，跟從性最好?；剞D(zhuǎn)性指數(shù)K′和應(yīng)舵指數(shù)T′均隨操舵角的增大而減小，其中，K′值變化較平緩，即操舵角增大，回轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)有所增大，產(chǎn)生了一定的非線(xiàn)性影響。

[1]OivindAGL．Collisionavoidanceforunmannedsurfacevehicles[D]．Trondheim：NorwegianUniversityofScienceandTechnology，2008．

[2]NaeemW，IrwinGW，YangAL．COLREGs-basedcollisionavoidancestrategiesforunmannedsurfacevehicles[J]．Mechatronics，2012，22(6)：669-678．

[3]CampbellS，NaeemW，IrwinGW．Areviewonimprovingtheautonomyofunmannedsurfacevehiclesthroughintelligentcollisionavoidancemanoeuvres[J]．AnnualReviewsinControl，2012，36(2)：267-283．

[4]KimH，KimD，ShinJU，etal．Angularrate-constrainedpathplanningalgorithmforunmannedsurfacevehicles[J]．OceanEngineering，2014，84：37-44．

[5]ZhuangJiayuan，SuYumin，LiaoYulei，etal．MotionplanningofUSVbasedonmarinerules[J]．ProcediaEngineering，2011，15：269-276．

[6] 吳恭興．無(wú)人艇操縱性與智能控制技術(shù)研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011．

[7] 馬偉佳，龐永杰，楊衡，等．水面無(wú)人艇在風(fēng)干擾下的操縱性能仿真[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2012，36(2)：231-234，238．

[8] 馬天宇．一種新型無(wú)人艇操縱性及協(xié)同策略研究[D]．鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2015．

[9] 吳秀恒．船舶操縱性與耐波性[M]．北京：人民交通出版社，1999．

2016-01-05

馬天宇(1989—)，男，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)榕灤傮w;杭岑(1990—)，女，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)榇芭c海洋工程;楊松林(1956—)，男，教授，研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。

U661.33

A