王 俊,楊旺林,楊松林

（鎮(zhèn)江瑞舟船舶監(jiān)理有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212004）

0 引言

一些船舶航行水域多變，對操縱性提出較高要求。研究船舶運(yùn)動要建立精確的數(shù)學(xué)模型。目前建立數(shù)學(xué)模型主要有機(jī)理建模法和辨識建模法?；谙到y(tǒng)辨識對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識，可有效確定船舶水動力導(dǎo)數(shù)。隨著系統(tǒng)辨識的不斷發(fā)展以及船舶模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方法的日益優(yōu)化，系統(tǒng)辨識研究船舶性能已廣泛應(yīng)用[1-5]。

船舶操縱性，要求船舶能按照實(shí)際需要在一定允許范圍內(nèi)調(diào)整或保持航向、位置、航速等。主要包括：航向穩(wěn)定性、停船性能、回轉(zhuǎn)性、轉(zhuǎn)首性和跟從性[6]。

目前對于船舶操縱性數(shù)學(xué)模型的研究主要有兩方面[7-8]：一是利用線性操縱運(yùn)動方程、MMG操縱運(yùn)動方程、Abkowitz運(yùn)動方程等船舶基本運(yùn)動方程，確定船舶操縱運(yùn)動水動力；二是將船舶作為一個動態(tài)系統(tǒng)，以操舵作為輸入，船舶運(yùn)動作為輸出，運(yùn)用的主要是控制理論。

該文研究的核心內(nèi)容是船舶操縱性實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。建立船舶操縱性系統(tǒng)辨識模型，實(shí)時對一艘滑行艇模型進(jìn)行操縱性辨識，包括建立船載傳感器系統(tǒng)或船載電腦與岸機(jī)之間數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸及相關(guān)顯示或分析系統(tǒng)。通過對船模操縱性實(shí)時監(jiān)測，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。主要內(nèi)容包括：船舶操縱性實(shí)時監(jiān)測硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 船舶操縱性實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)搭建

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

該次實(shí)驗(yàn)選用了江蘇科技大學(xué)船模室的一艘無人滑行艇模型，其主尺度如下（見表1）。

表1 船模主要參數(shù)

1.2 硬件系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)對船模操縱性實(shí)時監(jiān)測，船模需包含核心控制系統(tǒng)、姿態(tài)測量系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、能源系統(tǒng)，各系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，組成船舶操縱性實(shí)時監(jiān)測的硬件系統(tǒng)（見圖1）。

圖1 硬件系統(tǒng)框架圖

1.3 軟件系統(tǒng)

操縱性實(shí)時監(jiān)測軟件系統(tǒng)，要建立操縱性數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而確定相關(guān)性能的監(jiān)測方法。首先建立操縱性數(shù)學(xué)模型，然后運(yùn)用系統(tǒng)辨識的方法對操縱性進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對所需數(shù)據(jù)進(jìn)行測量、傳輸，再由岸機(jī)電腦進(jìn)行計(jì)算。

回轉(zhuǎn)性能是衡量船舶操縱性的重要標(biāo)準(zhǔn)。船舶在轉(zhuǎn)向、調(diào)頭、進(jìn)出港時需要具備良好的機(jī)動性能，都對回轉(zhuǎn)性能提出較高要求。定常回轉(zhuǎn)是船舶操縱性實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容。因此該文建立的船舶操縱性數(shù)學(xué)模型為回轉(zhuǎn)運(yùn)動數(shù)學(xué)模型。

范尚雍曾根據(jù)眾多實(shí)船和自航船模的實(shí)驗(yàn)資料整理了與Fr相關(guān)的曲線，在《艦船船體規(guī)范》中也給出了高速船的DS/DS0公式[9]：

式中，DS0——Fr≤0.25時的回轉(zhuǎn)直徑；DS——回轉(zhuǎn)直徑。為確保辨識的精確度，在上式基礎(chǔ)上，對多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，確立了辨識模型，對變量進(jìn)行了無因次化處理。

設(shè)相對回轉(zhuǎn)直徑DL=D/L，其中D為回轉(zhuǎn)直徑，L為船長，回轉(zhuǎn)直徑與速度呈正相關(guān)，與舵角成反相關(guān)。假設(shè)：

式中，a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4——辨識參數(shù)；N——實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組數(shù)；DLi——實(shí)測相對回轉(zhuǎn)直徑數(shù)據(jù)。優(yōu)化計(jì)算時，目標(biāo)函數(shù)值越小越好。根據(jù)多次計(jì)算設(shè)定辨識參數(shù)的上下限為：

2 船舶操縱性實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)船模實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 操縱性實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)方案

回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)在江蘇科技大學(xué)一游泳池中進(jìn)行，長50 m，寬25 m，水深1.9 m?；赩B.NET語言編寫了船?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動控制程序，通過在核心控制器PAC中設(shè)置不同的舵角，使船模按設(shè)定程序完成回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。船模上的DGPS和三維電子羅盤能有效采集船模在實(shí)驗(yàn)過程中的位置、艏向角、航速等信息。通過加載配重，變換主機(jī)轉(zhuǎn)速，該文設(shè)計(jì)了1.5～1.9 V逐級遞增五種控制電壓和20°、25°、30°、35°四種不同舵角（左舵）進(jìn)行回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對船模操行性能的實(shí)時監(jiān)測。

2.2 操縱性實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)情況與分析（見圖2～3、表2～4）

圖2 操縱性實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

表2 回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格

圖3 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)辨識程序

表3 回轉(zhuǎn)試驗(yàn)辨識結(jié)果

表4 辨識所得參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中，船模按照既定程序進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動，MTI、DGPS、三維電子羅盤串口正常調(diào)用并采集數(shù)據(jù)，岸機(jī)正常接收DGPS、三維電子羅盤所采集的實(shí)時數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后在PAC內(nèi)部成功生成記錄DGPS、三維電子羅盤數(shù)據(jù)的TXT文檔。將回轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)辨識相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到回轉(zhuǎn)性能系統(tǒng)辨識程序中，數(shù)據(jù)處理正常。通過辨識得到了回轉(zhuǎn)性能相關(guān)參數(shù)，表達(dá)出了回轉(zhuǎn)運(yùn)動方程，辨識結(jié)果相對誤差小。

所構(gòu)建的船舶操縱性實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，同時構(gòu)建的船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)辨識數(shù)學(xué)模型能夠用來研究船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動。

綜上，判定船舶操縱性實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，對船模操縱性實(shí)時監(jiān)測正常，船舶操縱性實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成功。

3 結(jié)論

該文構(gòu)建了船舶操縱性實(shí)時監(jiān)測硬件系統(tǒng)，以可編程自動控制器PAC作為核心控制器，導(dǎo)航系統(tǒng)由DGPS、三維電子羅盤組成，姿態(tài)測量系統(tǒng)由激光測距儀組成，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用數(shù)傳電臺，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)采用PC電腦。通過測試，該硬件監(jiān)測系統(tǒng)符合該文所構(gòu)建的船舶操縱性實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的要求。

同時，構(gòu)建了船舶操縱性實(shí)時監(jiān)測軟件系統(tǒng)，建立了船舶操縱性數(shù)學(xué)模型，基于遺傳算法確立了操縱性性能研究的系統(tǒng)辨識模型，并基于VB6.0改編了相應(yīng)的系統(tǒng)辨識程序，編寫了船模運(yùn)動控制、數(shù)據(jù)傳輸程序以及各數(shù)據(jù)采集串口程序，設(shè)計(jì)了PAC執(zhí)行程序界面。

對船舶操縱性實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)成功進(jìn)行了船模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功。