基于VDMS系統(tǒng)的通航船模操縱性率定研究

乾東岳，劉曉平，范寧陽(yáng)，劉方舟

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410076）

基于VDMS系統(tǒng)的通航船模操縱性率定研究

乾東岳，劉曉平，范寧陽(yáng)，劉方舟

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410076）

介紹了一種利用VDMS（Velocity Distribution Measuring System）系統(tǒng)配合自編程軟件對(duì)通航船模進(jìn)行船模操縱性率定的試驗(yàn)方法。探討了利用VDMS系統(tǒng)如何有效降低操縱性率定試驗(yàn)的限制條件。通過(guò)實(shí)際案例驗(yàn)證，該方法可以對(duì)船模操縱性做出可靠的評(píng)價(jià)。

通航試驗(yàn)；通航船模；船模率定；VDMS系統(tǒng)

1 研究背景

船舶模型試驗(yàn)是使用按比例縮小的通航船舶模型和航道水工模型，研究航道通航問(wèn)題的常用手段。它是一種直觀真實(shí)反映特定航道邊界條件和水流條件對(duì)船舶航行影響的方法。通航船模要與原型船舶保持相似是船模試驗(yàn)的首要條件。因此試驗(yàn)前，船舶模型制作過(guò)程中要進(jìn)行相似性驗(yàn)證，以確保船模在幾何尺寸、操縱性等方面與原型船相似。在通航試驗(yàn)中利用船模進(jìn)行通航論證試驗(yàn)時(shí)，通航船模使用頻繁。通航船模經(jīng)常需要模擬一些危險(xiǎn)航線，極易造成船模碰撞。因此船模試驗(yàn)易引起船模自身的操縱性質(zhì)的改變。船模操縱性的改變直接影響通航試驗(yàn)結(jié)果。為了保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，船模制作及船模使用過(guò)程中經(jīng)常需要對(duì)通航船模進(jìn)行操縱性相似率定。

傳統(tǒng)操縱性相似率定試驗(yàn)方法需要有一套自動(dòng)實(shí)時(shí)追蹤船模軌跡設(shè)備。目前用于實(shí)時(shí)追蹤船模軌跡的方法主要有2種：激光掃描（如圖1）和數(shù)字?jǐn)z像（如圖2）。采用激光掃描的方法追蹤船模軌跡，需要利用激光軌跡儀對(duì)船模進(jìn)行定位并在船舶上加裝反光棱鏡。在船模上加裝反光棱鏡會(huì)對(duì)船模本身操縱性有影響。數(shù)字?jǐn)z像法通過(guò)攝像頭采集船模運(yùn)動(dòng)的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)通過(guò)分析不同時(shí)刻的數(shù)字圖形判斷船位并追蹤船模軌跡。目前只有少數(shù)的研究院有能夠?qū)崟r(shí)追蹤船模軌跡的專用設(shè)備。VDMS系統(tǒng)是表面大范圍流場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)。大部分水工模型試驗(yàn)單位都有該系統(tǒng)。本文提出一種利用VDMS系統(tǒng)對(duì)通航船模進(jìn)行操縱性相似的率定方法。

圖1 激光軌跡儀［1］Fig.1 Laser trajectory instrum ent［1］

圖2 數(shù)字?jǐn)z像法Fig.2 M ethod of tracing ship model by digital camera

2 VDMS系統(tǒng)

VDMS系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）是運(yùn)用數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)與粒子跟蹤測(cè)速技術(shù)（PTV）研制開發(fā)的表面流場(chǎng)大范圍同步測(cè)速與監(jiān)控系統(tǒng)。在使用該系統(tǒng)之前，需要在模型水面上拋撒示蹤粒子。VDMS系統(tǒng)利用攝像頭監(jiān)控示蹤粒子的移動(dòng)并將圖像傳輸給電腦軟件。電腦軟件比較相鄰時(shí)刻兩幅圖像上同一示蹤粒子的位移計(jì)算出示蹤粒子的移動(dòng)速度。

圖3 VDMS系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the velocity distribution measuring system

船模試驗(yàn)中通過(guò)發(fā)揮系統(tǒng)具有非接觸式多點(diǎn)測(cè)量的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在船模首尾設(shè)置示蹤粒子（如圖4），配合船模程序即可利用VDMS系統(tǒng)記錄船模的航行參數(shù)。利用VDMS系統(tǒng)視頻監(jiān)控設(shè)備，配合自編程軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)船模艏向角的監(jiān)控，克服了操縱性率定試驗(yàn)的一個(gè)難點(diǎn)。

圖4 示蹤粒子在船模上的布置位置Fig.4 Arrangement of tracer particles in the ship m odel

3 操縱性率定試驗(yàn)內(nèi)容

通航船模相似性率定試驗(yàn)內(nèi)容包括船模吃水相似，航向穩(wěn)定性相似，航速及船模操縱性相似。考慮到操縱性相似的成本較高，操縱性相似試驗(yàn)率定內(nèi)容應(yīng)根據(jù)工程的需要而定。

在大型工程通航論證試驗(yàn)中，操縱性率定試驗(yàn)一般采用“Z”型操縱性率定試驗(yàn)法［2］。通過(guò)操縱試驗(yàn)船模直線航行保持航向一段時(shí)間后，置舵于某一固定的舵角處航行（如右舷10°）。這一固定舵角可以取為10°，15°，25°等。待船模的艏向角（即艏向偏離）與舵角大小相等后反向操相同的舵角于左舷，并以固定舵角保持航行一段時(shí)間直到下次艏向角與舵角相同再次反轉(zhuǎn)舵角。根據(jù)船模的航行參數(shù)計(jì)算，可得表征船模自身固有性質(zhì)的回旋性指數(shù)K和應(yīng)舵性指數(shù)T。通過(guò)K，T兩個(gè)參數(shù)即可計(jì)算出船模綜合操縱性指數(shù)P。

為避免尺度效應(yīng)，需要比較實(shí)船與船模的操縱性參數(shù)。通過(guò)改變船模舵葉面積對(duì)船模操縱性加以修正［3］。再次進(jìn)行操縱性率定試驗(yàn)，直到船模與實(shí)船的操縱性參數(shù)相等。

4 利用VDMS率定的實(shí)現(xiàn)原理

根據(jù)操縱性率定試驗(yàn)內(nèi)容，通過(guò)“Z”型操縱性率定試驗(yàn)需要獲得船模在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的航行參數(shù)。其中包括操控船模航行的用舵過(guò)程、船模航行過(guò)程中艏向角的變化、船模航行速度。

該試驗(yàn)的難點(diǎn)在于如何利用通航自航船模試驗(yàn)中常用的流場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)（VDMS系統(tǒng)），配合自編程序，對(duì)船模艏向角與舵角是否相等進(jìn)行判斷。10°“Z”型操縱性試驗(yàn)流程如圖5。

圖5 “Z”型操縱性試驗(yàn)流程（10°）Fig.5 Flow chart ofmaneuverability test w ith ship model heading in“Z”shape（10°）

如圖6所示，船模的二維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)可以由2個(gè)控制點(diǎn)A，B確定。假設(shè)試驗(yàn)中已經(jīng)置舵于左舵δ度。需要船模艏向角達(dá)到δ度時(shí)計(jì)算機(jī)給出打右舵δ度的指令。

圖6 船模計(jì)算模型坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖Fig.6 Coordinate system of ship model calculation

若已知控制點(diǎn)A（m，n）的坐標(biāo)，L為2控制點(diǎn)間距離。船模艏向角達(dá)到δ度時(shí)控制點(diǎn)B的模型二維坐標(biāo)是唯一可知的（如圖6），

式中：Bm（r，c）為B點(diǎn)物理模型坐標(biāo)向量；Am（m，n）為A點(diǎn)的物理模型坐標(biāo)向量；Lm（M，N）為方位角δ、模為L(zhǎng)的向量。

對(duì)應(yīng)在計(jì)算機(jī)捕獲的視頻源內(nèi)，相對(duì)于A點(diǎn)的控制點(diǎn)B的圖像坐標(biāo)應(yīng)為

式中T為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。

考慮到數(shù)字圖像可能產(chǎn)生幾何畸變，因此B點(diǎn)坐標(biāo)需要進(jìn)行坐標(biāo)矯正，經(jīng)轉(zhuǎn)換后獲得B點(diǎn)圖像坐標(biāo)（r，c）。

試驗(yàn)過(guò)程中人工控制鼠標(biāo)指針跟隨圖像中船尾控制點(diǎn)A移動(dòng)。程序通過(guò)查詢指針坐標(biāo)獲得船模控制點(diǎn)A的圖像坐標(biāo)（m，n）。自編程序根據(jù)實(shí)際船模上2個(gè)控制點(diǎn)的空間關(guān)系L＝dAB及A（m，n）即可計(jì)算出艏向角為δ度時(shí)船首控制點(diǎn)應(yīng)在坐標(biāo)B（r，c）處。一旦某一時(shí)刻（r，c）處的像素值I（r，c）等于船模控制點(diǎn)的像素值，即判定此時(shí)刻船模艏向角等于δ度。

5 案例分析及測(cè)控精度

湘江通航系列船模（λ＝100）是為配合長(zhǎng)株潭城際鐵路湘潭特大橋通航論證模型試驗(yàn)研究制作的。該系列船模比尺與正態(tài)水工模型比尺一致。通過(guò)使用該方法已對(duì)湘江通航系列船模進(jìn)行了多次操縱性率定試驗(yàn)。船型分別為1 000 t級(jí)機(jī)動(dòng)船、4× 1 000 t級(jí)駁船船隊(duì)、2 000 t級(jí)機(jī)動(dòng)船（主尺度見(jiàn)表1）、2×2 000 t級(jí)駁船船隊(duì)。

表1 2 000 t級(jí)機(jī)動(dòng)船主尺度Table 1 Principal dimensions of 2 000 DW t powerboats

圖7為對(duì)2 000 t級(jí)機(jī)動(dòng)船船模進(jìn)行“Z”型操縱性率定試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果。其中梯形線為用舵過(guò)程線。由圖7可以看出，用舵過(guò)程曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)在舵角與艏向角相等處。試驗(yàn)中打舵時(shí)機(jī)符合“Z”型操縱性率定試驗(yàn)要求。

船模操縱性試驗(yàn)參數(shù)與實(shí)船操縱性參數(shù)對(duì)比如表2。船模制作階段，在未對(duì)船模進(jìn)行尺度效應(yīng)修正的情況下，2 000 t級(jí)機(jī)動(dòng)駁船模操縱性較實(shí)船稍好。對(duì)船模舵面積進(jìn)行65%修正后，船模操縱性達(dá)到規(guī)范要求。這與普遍的研究成果保持一致。該方法達(dá)到了試驗(yàn)內(nèi)容的要求。

該方法的定位精度與VDMS系統(tǒng)的精度相關(guān)。船模的定位精度可以達(dá)到船模速度的0.5%。為了高視頻刷新率。因此控舵精度考慮到操舵者的主觀因素，控舵精度能夠達(dá)到0.5 s。經(jīng)重復(fù)試驗(yàn)對(duì)比，在相同試驗(yàn)條件下K＇，T＇兩參數(shù)值的浮動(dòng)范圍為±0.03。試驗(yàn)精度可以滿足常規(guī)操縱性檢測(cè)。該方法的測(cè)控精度需要更詳細(xì)的測(cè)定。

圖7 某船型操縱性率定試驗(yàn)用舵過(guò)程及艏向角變化過(guò)程Fig.7 Curves of rudder control and heading angle variation in themaneuverability calibration for 2 000 DW t powerboat ship model

表2 船模修正前后操縱性試驗(yàn)參數(shù)與實(shí)船操縱性參數(shù)Table 2 M aneuverability parameters of ship model before and after m odel correction and maneuverability parameters of real ship

6 結(jié) 語(yǔ)

利用VDMS系統(tǒng)對(duì)船模進(jìn)行操縱性率定是各級(jí)科研單位普遍適用的一種率定方法。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，可為通航船模制作及定期校核操縱性提供方便，保證通航試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。實(shí)際案例驗(yàn)證，該方法可以有效降低試驗(yàn)的限制條件。

［1］ 徐高鉞，胡寶禮，朱亞軍，等.激光船模軌跡儀研制［J］.中國(guó)造船，1986，（3）：82－90.（XU Gao-yue，HU Bao-li，ZHU Ya-jun，et al.A Laser Ship Model Track-Meter［J］.Shipbuilding of China，1986，（3）：82－90.（in Chinese））

［2］ 李 楊.船舶操縱性試驗(yàn)方法［J］.武漢造船，1994，（2）：44－47.（LIYang.Test Method of Ship Maneuverability［J］.Wuhan Shipbuilding，1994，（2）：44－47.（in Chinese））

［3］ 吳秀恒，劉祖源，施生達(dá).船舶操縱性［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.（WU Xiu-heng，LIU Zu-yuan，SHISheng-da.Ship Maneuverability［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2005.（in Chinese） ）

（編輯：劉運(yùn)飛）

Calibration of Ship M odel M aneuverability Based on VDMS

QIAN Dong-yue，LIU Xiao-ping，F(xiàn)AN Ning-yang，LIU Fang-zhou
（School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science＆Technology，Changsha 410076，China）

This paper presents amethod for the calibration of navigable ship modelmaneuverability based on VDMS（Velocity Distribution Measuring System）in association with self-programming software.The calibration restrictions could be effectively reduced by VDMS.Ship model case for Xiangjiang river navigability proved that the method could offer reliable evaluation ofmaneuverability.

navigation test；ship model；calibration of ship model；VDMS

TV143

A

1001－5485（2012）06－0022－04

2011－05－03

乾東岳（1987－），男，河南鶴壁人，碩士研究生，主要從事港口、航道及近海工程研究，（電話）18711132753（電子信箱）sepsnow＠126.com。

劉曉平（1956－），男，江蘇泰州人，教授，主要從事港口、航道及近海工程研究，（電話）0731－82309694（電子信箱）lxplyt＠163.com。