郭義芬 吳 駿

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

直翼槳能夠在不改變轉(zhuǎn)速的情況下實(shí)現(xiàn)推力大小和方向無極可調(diào)，響應(yīng)速度快且具有良好的操縱性及機(jī)動性，因此被廣泛應(yīng)用于對動力定位控制要求較高的場合。國內(nèi)學(xué)者也已開展了對直翼槳性能的研究：浙江大學(xué)的陳先進(jìn)利用FLUENT軟件建立擺線推進(jìn)器CFD模型，分析了葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)對推進(jìn)器水動力性能的影響［1］；哈爾濱工程大學(xué)張洪雨教授利用CFD軟件對直徑0.25 m的五葉片擺線推進(jìn)器進(jìn)行了合理建模及數(shù)值模擬，模擬仿真出偏心率0.4～0.8、進(jìn)速系數(shù)0～0.3范圍內(nèi)的推進(jìn)器推力及扭矩變化規(guī)律。［2］

目前直翼槳主要生產(chǎn)廠家是德國福伊特公司，我國尚未實(shí)現(xiàn)對直翼槳的自主研發(fā)與生產(chǎn)，配套的直翼槳裝置往往都是引進(jìn)設(shè)備，供貨周期長。因此在船舶設(shè)計(jì)階段，一般并不具備動力定位控制裝置與直翼槳實(shí)物聯(lián)調(diào)的條件，使得我國自主研發(fā)的動力定位控制裝置與進(jìn)口直翼槳的接口有效性、協(xié)同控制算法的準(zhǔn)確性無法得以驗(yàn)證。

本文介紹了某型直翼槳模擬器的開發(fā)方法，以直翼槳水動力性能研究為基礎(chǔ)，通過映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)推力矢量與控制點(diǎn)信息之間的解算，模擬直翼槳工作性能。本設(shè)計(jì)適用于動力定位控制裝置與直翼槳模擬器半實(shí)物聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，以便于接口調(diào)試、協(xié)同控制算法驗(yàn)證及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 直翼槳控制原理及控制指令調(diào)制

1.1 直翼槳控制原理

直翼槳通過內(nèi)部機(jī)構(gòu)控制使其所有葉片弦線的垂直線相交于某一定點(diǎn)，該點(diǎn)通常稱為直翼槳的控制點(diǎn)N。通過改變控制點(diǎn)N的位置，即可改變?nèi)~片的運(yùn)動規(guī)律，最終實(shí)現(xiàn)推力方向和大小的變化和控制［3］。圖1為兩個不同控制點(diǎn)位置處對應(yīng)的直翼槳推力矢量示意圖。

圖1 直翼槳推力隨控制點(diǎn)變化圖

控制點(diǎn)N到轉(zhuǎn)軸中心O的距離稱為偏心距偏心距與葉片公轉(zhuǎn)半徑R的比值稱為直翼槳偏心率e，有：

以中心O為原點(diǎn)，直翼槳相對來流前進(jìn)速度方向?yàn)閥軸正向建立坐標(biāo)系xOy，控制點(diǎn)N與x軸正向的夾角即為偏轉(zhuǎn)角度β。控制點(diǎn)N的位置與偏心率和偏轉(zhuǎn)角度信息［e，β］一一對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)直翼槳的控制。

直翼槳的相關(guān)水動力性能參數(shù)還包括主推力Kt、轉(zhuǎn)矩M、水流相對速度v、輸出功率Pout、輸入功率Pin等。其水動力性能理論推導(dǎo)公式如下：

式中：Kt是主推力系數(shù)；Km轉(zhuǎn)矩系數(shù)；J是進(jìn)速系數(shù)；ρ是水的密度，kg/m3；v是相對水流速度，m/s；A是單個葉片剖面面積，m2；D是推進(jìn)器回轉(zhuǎn)直徑，m；n是轉(zhuǎn)速，r/min。

1.2 直翼槳控制指令調(diào)制與映射

在使用直翼槳推進(jìn)的船舶上，動力定位裝置對于直翼槳的控制指令具有兩種形式：一種是給出直翼槳控制點(diǎn)N的位置信息；另一種是給出控制推力的大小和方向［4］。由于直翼槳只能識別底層的控制指令，因此第一種方法需要動力定位控制裝置將推力分配信息進(jìn)行指令調(diào)制，把推力信號轉(zhuǎn)換為控制點(diǎn)位置信息發(fā)送至直翼槳，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制推力及力矩；第二種方法則是由直翼槳控制箱對獲取的控制推力信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

考慮到實(shí)船上，引進(jìn)設(shè)備直翼槳提供接口信息是推力大小和方向，因而本裝置開發(fā)中控制指令的調(diào)制與映射關(guān)系由直翼槳模擬器來實(shí)現(xiàn)。直翼槳的輸入/輸出指令調(diào)制與映射關(guān)系如圖2所示。

圖2 指令調(diào)制與映射關(guān)系圖

模擬器需要從動力定位控制裝置獲取左、右舷直翼槳的推力大小T和推力方向角度α組成的控制指令［T，α］，附加水流入口速度及當(dāng)前轉(zhuǎn)速后，由水動力性能推導(dǎo)求解出控制點(diǎn)偏心率、偏轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)矩、輸出功率、輸入功率、效率等信息，其中控制點(diǎn)對應(yīng)的偏心率e與偏轉(zhuǎn)角度β組成［e，β］底層控制指令作用于直翼槳，最終推進(jìn)器將實(shí)際產(chǎn)生的主推力大小和方向信息發(fā)送回動力定位控制裝置，實(shí)現(xiàn)控制閉環(huán)。

指令調(diào)制與映射具有兩種實(shí)現(xiàn)方式：方式1從理論推導(dǎo)角度出發(fā)，通過忽略某些對結(jié)果影響不大的參數(shù)進(jìn)行解析；方式2從仿真角度出發(fā)，通過對水動力性能仿真結(jié)果的曲線擬合獲得不同偏心率下的推力曲線。

1.2.1 方式1：理論推導(dǎo)法

由直翼槳的水動力性能理論公式，給出了直翼槳單個葉片的主推力T的計(jì)算公式，每個葉片的舷長為L，計(jì)算各個葉片旋轉(zhuǎn)一周的平均主推力，經(jīng)過無因次化處理后可得［5］：

在本船動力定位工況下，工作航速為3～6 kn，轉(zhuǎn)速信息為50 r/min，此時對應(yīng)的進(jìn)速系數(shù)J的范圍為0.9～1.8。由于進(jìn)速系數(shù)J在此范圍內(nèi)對推力的影響不明顯，因此只考慮偏心率e對推力系數(shù)的影響。對主推力系數(shù)采用二次擬合形式：

根據(jù)直翼槳水動力性能分析所得的推力系數(shù)與偏心率的曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，擬合曲線如圖3所示，可得擬合式為：

圖3 推力系數(shù)與偏心率擬合曲線

代入推力計(jì)算式可得：

所以直翼槳的控制模型為：

直翼槳內(nèi)旋狀態(tài)下（即左舷順時針旋轉(zhuǎn)、右舷逆時針旋轉(zhuǎn)），對上面模型進(jìn)行反解，得到指令調(diào)制結(jié)果如下：

由此，可以獲取從接口信息［T，α］到直翼槳底層控制信息［e，β］的唯一映射，完成控制指令的調(diào)制。

1.2.2 方式2：仿真取樣法

通過邊界條件設(shè)定，采用動網(wǎng)格進(jìn)行推進(jìn)器CFD仿真，可得到推進(jìn)器在不同偏心率（e= 0.4、0.5、0.6、0.7、0.8）下的水動力性能參數(shù)曲線如圖 4 所示［3］。

圖4 主推力3次擬合曲線

考慮仿真樣本數(shù)量有限，對不同偏心率下主推力隨著水流入口速度變化的曲線進(jìn)行3次多項(xiàng)式擬合，擬合得到的多項(xiàng)式系數(shù)如表1所示：

表1 主推力仿真三次擬合系數(shù)表

擬合曲線如圖4所示，可得主推力T與偏心率e和入口速度v之間的關(guān)系，記為T=f（e，v）。在某個水流入口速度v下，對主推力大小T所屬的范圍 ：［0，f（0.4，v）］、［f（0.4，v），f（0.5，v）］、［f（0.5，v），f（0.6，v）］、［f（0.6，v），f（0.7，v）］、［f（0.7，v），f（0.8，v）］、［f（0.8，v），fmax］進(jìn)行判斷。由于采樣數(shù)據(jù)有限，因而在推力范圍所屬的區(qū)間內(nèi)通過比例計(jì)算得到對應(yīng)的偏心率e數(shù)值。對于左舷順時針旋轉(zhuǎn)的推進(jìn)器，控制點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角超前推力方向角90°；對于右舷逆時針旋轉(zhuǎn)的推進(jìn)器，控制點(diǎn)滯后于推力方向角度90°。由此，通過數(shù)據(jù)讀取可以獲取從接口信息到直翼槳底層控制信息的唯一映射，完成控制指令的調(diào)制。

對以上兩種調(diào)制映射方式后進(jìn)行比較后可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)水流入口速度變化不大時，可以忽略進(jìn)速系數(shù)J對于調(diào)制方式的影響，此時第一種映射方式解析的準(zhǔn)確度更高；第二種映射方式適用于變化的水流入口速度，雖然采用的是比例讀取方式，但是在水域情況復(fù)雜的情況下更精確。結(jié)合直翼槳在本船的實(shí)際使用工況，模擬器的開發(fā)選用第二種映射方式。

2 直翼槳模擬器設(shè)計(jì)框架

本直翼槳模擬器開發(fā)旨在與動力定位控制裝置進(jìn)行半實(shí)物聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，其設(shè)計(jì)需要滿足以下功能：

（1）能夠模擬直翼槳的工作性能，于顯示界面給出葉片轉(zhuǎn)動情況及控制點(diǎn)信息；

（2）能夠正確執(zhí)行動力定位控制系統(tǒng)的控制指令，獲取推力的矢量信息并完成控制點(diǎn)的映射，最終反饋直翼槳實(shí)際狀態(tài)信息。

為滿足以上功能需求，本直翼槳模擬器的開發(fā)涉及硬件層和軟件層兩部分，如圖5所示。

圖5 直翼槳模擬器設(shè)計(jì)框架

硬件層主要由輸入接口和輸出接口兩部分組成：輸入接口負(fù)責(zé)接收動力定位控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，并傳遞至軟件層進(jìn)行處理；輸出接口負(fù)責(zé)將從軟件層獲取的反饋信息發(fā)送至動力定位控制系統(tǒng)，形成控制閉環(huán)。

軟件層由數(shù)據(jù)解析模塊、數(shù)據(jù)清洗模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)查找模塊和界面顯示模塊組成。軟件層各模塊將獲取的直翼槳控制力的大小和方向信息進(jìn)行解析、剔除可能的錯誤信息，通過信息調(diào)制實(shí)現(xiàn)推力矢量到推進(jìn)器控制點(diǎn)的映射，作用于推進(jìn)器并通過人機(jī)界面顯示，最后將直翼槳實(shí)際的狀態(tài)信息解析回推力矢量形式輸出。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

模擬器的硬件設(shè)計(jì)主要包括信號轉(zhuǎn)換模塊、通信模塊、Joystick手操桿和顯示處理模塊。信號轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)串口信號至模擬量信號之間的轉(zhuǎn)換，通訊模塊實(shí)現(xiàn)控制信號的收發(fā)，Joystick手操桿用于模擬器單機(jī)調(diào)試時替代動力定位控制系統(tǒng)的輸入信號，顯示處理模塊實(shí)現(xiàn)模擬器軟件的運(yùn)行及界面顯示。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 信號轉(zhuǎn)換模塊

直翼槳模擬器（VSP）與動力定位控制系統(tǒng)（DP）之間傳輸?shù)耐屏Υ笮『头较蛐盘枴⑵穆蚀笮⌒盘?、轉(zhuǎn)速信號等均為模擬量電流信號，而Arduino Mega2560只能讀取電壓信號，因而左、右舷直翼槳模擬器需要各自通過一個信號轉(zhuǎn)換模塊與單片機(jī)相連。本設(shè)計(jì)選用ZL522型模擬量轉(zhuǎn)換器，每個ZL522轉(zhuǎn)換器具備四路模擬量的輸入、輸出功能，滿足左/右舷推進(jìn)器的信號傳輸需求。

3.2 通信模塊

通信模塊選用成熟的Arduino Mega2560上的通信串口，該型是采用USB接口的核心電路板，具備數(shù)字輸入輸出、模擬量輸入、串口通信等功能，滿足本設(shè)計(jì)的需求。其中，TX1/RX1口用于實(shí)現(xiàn)與筆記本電腦通信，TX2/RX2口通過TTL轉(zhuǎn)485模塊與ZL522轉(zhuǎn)換器連接，TX3/RX3口用于軟件調(diào)試。GPIO34、36口用于請求、允控信號的收發(fā)。

3.3 Joystick手操桿

當(dāng)動力定位控制系統(tǒng)與直翼槳模擬器相連接時，直翼槳通過通信獲取推進(jìn)器的控制信號，而在單機(jī)調(diào)試時，可先采用joystick手柄直接控制模擬器。Joystick手柄直接通過USB口與筆記本電腦相連即可，無需轉(zhuǎn)換。

3.4 顯示處理模塊

模擬器軟件運(yùn)行在筆記本電腦上，筆記本電腦的3個USB口分別與單片機(jī)、Joystick手操桿及USB分線器連接。收發(fā)的信號通過處理換算后給用戶實(shí)時顯示動力定位控制下的推進(jìn)器運(yùn)行狀態(tài)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

模擬器的軟件設(shè)計(jì)采用JavaFX客戶端，通過Java編程語言實(shí)現(xiàn)所需功能。為了方便直翼槳水動力性能仿真數(shù)據(jù)查找，采用Redis數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。

4.1 模擬器軟件界面

模擬器軟件界面如圖7所示。

圖7 模擬器軟件界面

該模擬器軟件界面主要劃分為以下9個區(qū)域：

區(qū)域1：標(biāo)題區(qū)域。

區(qū)域2：推進(jìn)器總體控制區(qū)域，包括啟停、升力阻力顯示、聯(lián)調(diào)接口測試按鈕等。

區(qū)域3：推進(jìn)器運(yùn)動顯示區(qū)域，該區(qū)域直觀動態(tài)地顯示了推進(jìn)器的運(yùn)動狀態(tài)，包括推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)速度、葉片與控制點(diǎn)的運(yùn)動關(guān)系、葉片受到的升力阻力。

區(qū)域4：控制點(diǎn)控制區(qū)域，該區(qū)域顯示兩個推進(jìn)器各自的偏心率和偏心角度。

區(qū)域5：操縱桿模式區(qū)域，該區(qū)域可改變推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速和輸出的推力大小。

區(qū)域6：串口通信區(qū)域，用于查找當(dāng)前與DP操控臺和控制系統(tǒng)連接的串口號。

區(qū)域7：模式選擇模塊。當(dāng)前直翼槳有四種工作模式。分別為推進(jìn)電機(jī)模式，推進(jìn)電機(jī)+側(cè)推模式，主機(jī)+側(cè)推模式以及主機(jī)+側(cè)推+減搖模式。當(dāng)推進(jìn)監(jiān)控、電站監(jiān)控、側(cè)推控制和減搖控制就緒時，相應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮。

區(qū)域8：推進(jìn)器運(yùn)動狀態(tài)顯示模塊。在模擬器運(yùn)行過程中，系統(tǒng)將根據(jù)接收到的控制指令計(jì)算出當(dāng)前推進(jìn)器的狀態(tài)信息并表格顯示。

區(qū)域9：推進(jìn)器水動力性能顯示區(qū)域，包含推力曲線、轉(zhuǎn)矩曲線、輸出功率曲線、輸入功率曲線以及效率曲線。

4.2 算法流程圖

直翼槳模擬器開發(fā)前期，作者已經(jīng)對于該型號的直翼槳進(jìn)行了水動力性能分析研究，并采用Redis數(shù)據(jù)庫完成了數(shù)據(jù)存儲，采用1.2節(jié)所述的指令調(diào)制與映射，獲取輸入推力所對應(yīng)的偏心率e和偏轉(zhuǎn)角度β信息。軟件界面顯示直翼槳的主推力、轉(zhuǎn)矩、輸入功率、輸出功率、效率等信息，并反饋實(shí)際推力矢量信息。

軟件的算法流程圖如圖8所示，通過將外部輸入?yún)?shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、查找、映射計(jì)算后獲得的直翼槳控制信息還需要考慮輸入功率限制。由于不同工作模式下直翼槳所獲得的最大輸入功率不同，因此每當(dāng)解析出一組控制點(diǎn)偏心率大小及偏轉(zhuǎn)角度信息時，需要與當(dāng)前工作模式最大輸入功率進(jìn)行比對。當(dāng)需要功率超出模式上限時，算法將計(jì)算出上限功率時能夠給出的最大推力，并給出對應(yīng)的偏心率及偏轉(zhuǎn)角度，通過軟件界面顯示并指示功率受限。

5 系統(tǒng)測試

圖8 算法流程圖

系統(tǒng)測試分為單機(jī)測試和聯(lián)調(diào)測試兩部分：單機(jī)測試采用Joystick手操桿進(jìn)行控制，通過USB口與顯示控制模塊插拔連接，即可模擬實(shí)船動力定位的控制場景，此時不需要使用信號轉(zhuǎn)換模塊及通信模塊；聯(lián)調(diào)測試時需要接收外部發(fā)送的模擬量電流信號，通過信號轉(zhuǎn)換模塊和通信模塊傳輸至顯示控制模塊，該模擬量電流信號由實(shí)際動力定位控制系統(tǒng)發(fā)送。

測試中通過電流表給出兩路4～20 mA電流信號用于模擬輸入信號（控制力的大小和方向），在模擬器顯示界面顯示對應(yīng)的解析數(shù)據(jù)（控制點(diǎn)偏心率和偏轉(zhuǎn)角度）和圖形，在輸出端測到模擬器反饋電流信號（實(shí)際推力大小和方向）。測試結(jié)果表明直翼槳模擬器能夠模擬直翼槳的工作性能，并通過圖形化界面顯示相關(guān)信息；輸入輸出比較表明該模擬器能夠正確執(zhí)行控制指令。模擬器符合設(shè)計(jì)要求，每秒可處理10次模擬量輸入輸出，速度滿足系統(tǒng)使用需求。

6 結(jié) 語

本文介紹了某種型號的直翼槳模擬器的開發(fā)方法，包括直翼槳的控制原理、控制指令調(diào)制與映射、模擬器設(shè)計(jì)框架、軟硬件設(shè)計(jì)以及系測試流程。主要結(jié)論如下：

（1）給出指令調(diào)制與映射的兩種實(shí)現(xiàn)方式：方式1從理論推導(dǎo)角度出發(fā)，通過忽略某些對結(jié)果影響不大的參數(shù)進(jìn)行解析；方式2從仿真角度出發(fā)，通過對水動力性能仿真結(jié)果的曲線擬合獲得不同偏心率下的推力曲線。通過比較兩種方式的適用環(huán)境，本模擬器的開發(fā)選用第2種方式實(shí)現(xiàn)直翼槳推力矢量與控制點(diǎn)信息之間的映射求解。

（2）硬件設(shè)計(jì)采用信號轉(zhuǎn)換模塊、通信模塊、Joystick手操桿和顯示處理模塊，軟件設(shè)計(jì)采用JavaFX客戶端。

（3）模擬器的單機(jī)及串口調(diào)試結(jié)果滿足使用需求，適用于動力定位控制裝置與直翼槳模擬器半實(shí)物聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。

本設(shè)計(jì)采用較低的經(jīng)濟(jì)成本以配合動力定位系統(tǒng)的調(diào)試及協(xié)同控制可靠性驗(yàn)證，可推廣至配備動力定位系統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)中，具有較好的應(yīng)用前景和擴(kuò)展空間。