基于Matlab的船舶Scharnow旋回仿真實現

李強林

【摘 要】在海上航行，駕駛員發現人員落水時就要緊急操縱船舶，對落水者實施救助。確定最佳的船舶旋回操縱航向，可以節約時間、距離和減少盲目行動，以此保證最短時間內救起落水者。本文在Matlab上對船舶Scharnow旋回進行仿真，在風流影響較小的情況下，確定最佳旋回操縱方式。

【關鍵詞】Matlab；Scharnow；仿真

0 引言

為了提高救助效率，IMO.A601決議要求船舶定期進行人員落水的操縱試驗，并記錄下來作為以后的參考，其旋回法有四種：單旋回、雙半旋回、Williamson和Scharnow。當采用Scharnow旋回，船舶會偏離原航跡線較遠的反航向上，導致救助失敗，因此有必要對旋回操縱深入研究，確定最佳變舵航向和把定航向。

首先是介紹船舶Scharnow旋回操縱法，其次是建立船舶運動數學模型，然后在Matlab上按IMO.A601決議要求進行模擬旋回試驗，分析其軌跡，指出其不足，最后對其進行改進，保障船舶能夠旋回到與初始航向相反的航跡線上，這對落水者救助具有指導意義。

1 Scharnow旋回法

按IMO.A601決議要求操船，考慮到船舶慣性，該方法不能使船舶旋回到與原航向相反的航跡線上，與原航跡線有偏移，因此有必要進行仿真試驗和改進。現結合圖1將其操縱要點敘述如下[1]：

（1）向落水者一舷操滿舵（35°）；

（2）當船舶改向到240°時向另一舷滿舵（35°）；

（3）船首距原初始航向的相反航向相差20°時回正舵；

（4）待航向變為初始航向的相反方向時把定，發現落水者適時停船接近落水者。圖1中δL為距離偏移量。

2 數學模型

2.1 運動坐標系

船舶實際運動異常復雜，分解為6個自由度運動，建立運動坐標系有兩種：空間坐標系和隨船坐標系。空間坐標系是固定于地球表面的右手坐標系[2]，原點O通常與t=0時船舶中心一致，X0O0Y0平面位于靜水面內，OX0指向正北，OY0指向正東，OZ0指向地心。o-xyz為隨船坐標系，固定于船體的直角坐標系。o為船舶中心，ox指向船首，oy指向右舷，oz指向船底。

在隨船坐標系中，船體任意時刻的運動可以分解為船舶中心沿3個坐標軸的直線運動及船體繞3個坐標軸的轉動，前者用縱移速度u、橫移速度v、垂蕩速度w表示，后者用艏搖角速度r、橫搖角速度p及縱搖角速度q表示[3]。建立運動數學模型時，一般要對船舶的六自由度運動進行簡化[4]，在保證船舶旋回仿真精度的前提下，只考慮船舶的前進、橫漂和轉艏角速度的三自由度。

2.2 船舶操縱運動方程

在固定坐標系平面運動中，將船舶視為剛體，運用牛頓力學的動量定理和動量矩定理，隨船坐標系原點取在船中，得到的模型如式（2）所示[6-8]。

（m+m）u-（m+my）vr=XH+XP+XR（m+my）v-（m+mx）ur=YH+YP+YR（IZZ+JZZ）r=NH+NP+NR（2）

其中：mx，my和Jzz表示船舶的附加質量和附加慣性距，u為縱移速度，v為橫移速度和r艏搖速度。XH，YH和NH是船體所受到的粘性流體動力和力矩，XP，YP和NP是螺旋槳的推力、橫向力和力矩，XR，YR和NR是舵對船體的縱向力、橫向力和力矩。

參考賈新樂、楊鹽生的《船舶運動數學模型：機理建模與辨識建模》書中計算方法來確定其余的mx，my和Jzz等未知量。

3 旋回仿真試驗

3.1 依照IMO規定設置

采用船舶（MMSI：414726000）為船長189m，船寬32.2m，型深32.2m，船速1.5kn，吃水9.6m，方形系數0.660。假定該船正北航行，駕駛員接收到右舷有落水者報告后，采用Scharnow旋回操縱進行救助。按照IMO所推薦Scharnow旋回操縱要點試驗（左右滿舵35°），設置變舵航向240°和把定航向200°，結果如圖3中（1）所示，該船舶旋回到離原航跡線較遠的航跡線上，這達不到要求，也就沒法救助落水者。

3.2 改進旋回航向

要使船舶盡快駛回到原航跡線上，即保證旋回區域要小，向左向右均滿舵，這樣船舶的航向變化就快，回到原航跡線上所需的時間短，更有利于對落水者快速救助。現就變舵航向和把定航向進行改進，以保證船舶正舵駛回到原航跡線上。

相同變舵航向、不同把定航向值

在Scharnow旋回模型中，左右均滿舵，設置不同的把定航向值，進行仿真旋回試驗，結果如圖3所示。

把定航向值依次為200°，195°，190°，由圖可以看出，當把定航向值為195°時最終航向接近180°，航行軌跡線相差不大，橫向偏移量較小，能保證正舵情況返回到原航跡線上。

不同變舵航向、相同把定航向值

把定航向值為195°時，橫向偏移量較小，現就把定航向值不變，設置不同的變舵航向值，進行仿真試驗，結果如圖4所示。

變舵航向值依次為245°，250°，255°。由圖可以看出，在正舵把定航向195°值不變情況下，變舵航向值增大，橫向偏移量減小，增大到255°時，該輪船舶剛好旋回到原來航跡線上，滿足了Scharnow旋回操作目的，可以及時救起落水者。

3.3 旋回改進結果分析

現在就變舵航向為255°，把定航向為195°，左右舵均滿舵，其仿真結果如圖4中（6）所示，現對橫向偏移量和航向曲線進行分析。

中可以看出，在Scharnow旋回過程中，由于船舶的慣性所致，航向最大可達260°左右，最后穩定在180°，航向與初始航向（000）相反，此時橫向偏移量最小。

4 結語

在風流影響較小情況下，通過Scharnow旋回仿真試驗，該船舶能夠較準確地旋回到與初始航向相反的航跡線上，靠近落水者實施救助。尋找到了最佳變舵航向和把定航向，對今后的落水者應急操縱具有指導意義。

【參考文獻】

[1]洪碧光.船舶操縱[M].大連海事大學出版社，2008，05.

[2]孫暢.船舶操縱系統建模與仿真[D].武漢：武漢理工大學，2003.

[3]韓曉寶，高維杰，劉海強.船舶旋回運動的建模與仿真[J].中國水運，2007，5（8）.

[4]張秀鳳，尹勇，金一丞.規則波中船舶運動六自由度數學模型[J].交通運輸工程學報，2007，7（3）：40-43.

[5]賈新樂，楊鹽生.船舶運動數學模型：機理建模與辨識建模[M].大連海事大學出版社，1999，04.

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[7]李文魁，陳永冰，田蔚風，等.基于MATLAB的船舶運動控制實時仿真研究[J].系統仿真學報，2007，19（19）：4424-4427.

[8]岳晉，任光，曹輝.基于Simulink的船舶運動模型動態仿真研究[J].大連海事大學學報，2009，35（4）：13-16.

[責任編輯：朱麗娜]