船舶操縱性實時監測系統設計實驗分析

王 俊,楊旺林,楊松林

（鎮江瑞舟船舶監理有限公司,江蘇 鎮江 212004）

0 引言

一些船舶航行水域多變，對操縱性提出較高要求。研究船舶運動要建立精確的數學模型。目前建立數學模型主要有機理建模法和辨識建模法。基于系統辨識對實驗數據進行辨識，可有效確定船舶水動力導數。隨著系統辨識的不斷發展以及船舶模型實驗數據采集方法的日益優化，系統辨識研究船舶性能已廣泛應用[1-5]。

船舶操縱性，要求船舶能按照實際需要在一定允許范圍內調整或保持航向、位置、航速等。主要包括：航向穩定性、停船性能、回轉性、轉首性和跟從性[6]。

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

該文研究的核心內容是船舶操縱性實時監測系統的設計研究。建立船舶操縱性系統辨識模型，實時對一艘滑行艇模型進行操縱性辨識，包括建立船載傳感器系統或船載電腦與岸機之間數據的實時傳輸及相關顯示或分析系統。通過對船模操縱性實時監測，驗證所設計監測系統的可靠性。主要內容包括：船舶操縱性實時監測硬件系統、軟件系統設計以及實驗驗證。

1 船舶操縱性實時監測系統搭建

1.1 實驗模型

該次實驗選用了江蘇科技大學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

1.2 硬件系統

要實現對船模操縱性實時監測，船模需包含核心控制系統、姿態測量系統、導航定位系統、數據傳輸系統、數據分析系統、能源系統，各系統有機結合，組成船舶操縱性實時監測的硬件系統（見圖1）。

圖1 硬件系統框架圖

1.3 軟件系統

操縱性實時監測軟件系統，要建立操縱性數學模型，進而確定相關性能的監測方法。首先建立操縱性數學模型，然后運用系統辨識的方法對操縱性進行實時監測，對所需數據進行測量、傳輸，再由岸機電腦進行計算。

回轉性能是衡量船舶操縱性的重要標準。船舶在轉向、調頭、進出港時需要具備良好的機動性能，都對回轉性能提出較高要求。定?；剞D是船舶操縱性實驗的重要內容。因此該文建立的船舶操縱性數學模型為回轉運動數學模型。

范尚雍曾根據眾多實船和自航船模的實驗資料整理了與Fr相關的曲線，在《艦船船體規范》中也給出了高速船的DS/DS0公式[9]：

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

設相對回轉直徑DL=D/L，其中D為回轉直徑，L為船長，回轉直徑與速度呈正相關，與舵角成反相關。假設：

式中，a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4——辨識參數；N——實驗數據組數；DLi——實測相對回轉直徑數據。優化計算時，目標函數值越小越好。根據多次計算設定辨識參數的上下限為：

2 船舶操縱性實時監測系統船模實驗及分析

2.1 操縱性實時監測實驗方案

回轉實驗在江蘇科技大學一游泳池中進行，長50 m，寬25 m，水深1.9 m?；赩B.NET語言編寫了船模回轉運動控制程序，通過在核心控制器PAC中設置不同的舵角，使船模按設定程序完成回轉實驗。船模上的DGPS和三維電子羅盤能有效采集船模在實驗過程中的位置、艏向角、航速等信息。通過加載配重，變換主機轉速，該文設計了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）進行回轉實驗，進而實現對船模操行性能的實時監測。

2.2 操縱性實時監測實驗情況與分析（見圖2～3、表2～4）

圖2 操縱性實時監測實驗

表2 回轉實驗數據記錄表格

圖3 回轉系統辨識程序

表3 回轉試驗辨識結果

表4 辨識所得參數

實驗中，船模按照既定程序進行回轉運動，MTI、DGPS、三維電子羅盤串口正常調用并采集數據，岸機正常接收DGPS、三維電子羅盤所采集的實時數據。實驗結束后在PAC內部成功生成記錄DGPS、三維電子羅盤數據的TXT文檔。將回轉運動系統辨識相關數據輸入到回轉性能系統辨識程序中，數據處理正常。通過辨識得到了回轉性能相關參數，表達出了回轉運動方程，辨識結果相對誤差小。

所構建的船舶操縱性實時監測系統，數據采集系統運轉正常，數據傳輸系統運轉正常，數據分析系統運轉正常，同時構建的船舶回轉運動系統辨識數學模型能夠用來研究船舶回轉運動。

綜上，判定船舶操縱性實時監測系統，對船模操縱性實時監測正常，船舶操縱性實時監測系統實驗驗證成功。

3 結論

該文構建了船舶操縱性實時監測硬件系統，以可編程自動控制器PAC作為核心控制器，導航系統由DGPS、三維電子羅盤組成，姿態測量系統由激光測距儀組成，數據傳輸系統采用數傳電臺，數據分析系統采用PC電腦。通過測試，該硬件監測系統符合該文所構建的船舶操縱性實時監測系統的要求。

同時，構建了船舶操縱性實時監測軟件系統，建立了船舶操縱性數學模型，基于遺傳算法確立了操縱性性能研究的系統辨識模型，并基于VB6.0改編了相應的系統辨識程序，編寫了船模運動控制、數據傳輸程序以及各數據采集串口程序，設計了PAC執行程序界面。

對船舶操縱性實時監測系統成功進行了船模實驗驗證，該系統設計成功。