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。研究船舶運動要建立精確的數(shù)學模型。目前建立數(shù)學模型主要有機理建模法和辨識建模法?；谙到y(tǒng)辨識對實驗數(shù)據(jù)進行辨識，可有效確定船舶水動力導數(shù)。隨著系統(tǒng)辨識的不斷發(fā)展以及船舶模型實驗數(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(wěn)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(shù)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(tài)系統(tǒng)，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(jiān)測系統(tǒng)的設計研究。建立船舶操縱性系統(tǒng)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(tǒng)或船載電腦與岸機之間數(shù)據(jù)的實時傳輸及相關顯示或分析系統(tǒng)。通過對船模操縱性實時監(jiān)測，驗證所設計監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。主要內容包括：船舶操縱性實時監(jiān)測硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)設計以及實驗驗證。

1 船舶操縱性實時監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)

1.2 硬件系統(tǒng)

要實現(xiàn)對船模操縱性實時監(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)有機結合，組成船舶操縱性實時監(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)

操縱性實時監(jiān)測軟件系統(tǒng)，要建立操縱性數(shù)學模型，進而確定相關性能的監(jiān)測方法。首先建立操縱性數(shù)學模型，然后運用系統(tǒng)辨識的方法對操縱性進行實時監(jiān)測，對所需數(shù)據(jù)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(shù)學模型為回轉運動數(shù)學模型。

范尚雍曾根據(jù)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(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(shù)；N——實驗數(shù)據(jù)組數(shù)；DLi——實測相對回轉直徑數(shù)據(jù)。優(yōu)化計算時，目標函數(shù)值越小越好。根據(jù)多次計算設定辨識參數(shù)的上下限為：

2 船舶操縱性實時監(jiān)測系統(tǒng)船模實驗及分析

2.1 操縱性實時監(jiān)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?；剞D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(xiàn)對船模操行性能的實時監(jiān)測。

2.2 操縱性實時監(jiān)測實驗情況與分析（見圖2～3、表2～4）

圖2 操縱性實時監(jiān)測實驗

表2 回轉實驗數(shù)據(jù)記錄表格

圖3 回轉系統(tǒng)辨識程序

表3 回轉試驗辨識結果

表4 辨識所得參數(shù)

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(shù)據(jù)，岸機正常接收DGPS、三維電子羅盤所采集的實時數(shù)據(jù)。實驗結束后在PAC內部成功生成記錄DGPS、三維電子羅盤數(shù)據(jù)的TXT文檔。將回轉運動系統(tǒng)辨識相關數(shù)據(jù)輸入到回轉性能系統(tǒng)辨識程序中，數(shù)據(jù)處理正常。通過辨識得到了回轉性能相關參數(shù)，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(jiān)測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運轉正常，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)運轉正常，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)運轉正常，同時構建的船舶回轉運動系統(tǒng)辨識數(shù)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(jiān)測系統(tǒng)，對船模操縱性實時監(jiān)測正常，船舶操縱性實時監(jiān)測系統(tǒng)實驗驗證成功。

3 結論

該文構建了船舶操縱性實時監(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)符合該文所構建的船舶操縱性實時監(jiān)測系統(tǒng)的要求。

同時，構建了船舶操縱性實時監(jiān)測軟件系統(tǒng)，建立了船舶操縱性數(shù)學模型，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改編了相應的系統(tǒng)辨識程序，編寫了船模運動控制、數(shù)據(jù)傳輸程序以及各數(shù)據(jù)采集串口程序，設計了PAC執(zhí)行程序界面。

對船舶操縱性實時監(jiān)測系統(tǒng)成功進行了船模實驗驗證，該系統(tǒng)設計成功。