新概念穿梭艇自航模操控系統(tǒng)試驗(yàn)研究

王健，劉旌揚(yáng)，魏成柱，李英輝，易宏

上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240

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新概念穿梭艇自航模操控系統(tǒng)試驗(yàn)研究

王健，劉旌揚(yáng)，魏成柱，李英輝，易宏

上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240

摘要：自航模試驗(yàn)是研究船舶性能的有效手段。針對(duì)新概念穿梭艇，設(shè)計(jì)一種自航模操控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括岸上操控系統(tǒng)和船載自航控制系統(tǒng)2部分，利用無線局域網(wǎng)完成岸上操控系統(tǒng)與船載自航控制系統(tǒng)之間的通信；執(zhí)行機(jī)構(gòu)配備傳感器獲取反饋數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)器采用成熟的可編程元件；使用Python語(yǔ)言編寫下位機(jī)和上位機(jī)軟件。將系統(tǒng)成功應(yīng)用于新概念穿梭艇的自航模試驗(yàn)中，試驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的自航模操控系統(tǒng)可以減小開發(fā)工作量，操作方便，可擴(kuò)展性和可移植性強(qiáng)，能夠反映新概念穿梭艇的操縱性能。最后經(jīng)與船模拖曳水池試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用于自航模試驗(yàn)時(shí)能夠有效獲取可靠數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：穿梭艇；自航模；操控系統(tǒng)

0　引　言

近年來，高性能排水型船（如常規(guī)高速雙體船、小水線面雙體船、穿浪雙體船、三體船、多體船、高性能排水型穿浪單體內(nèi)傾船型等）逐漸成為新的研究方向。在高性能排水型穿浪單體內(nèi)傾船型方面，美國(guó)和英國(guó)分別建造了DDG 1000“朱姆沃爾特”級(jí)驅(qū)逐艦和VSV“極細(xì)長(zhǎng)艇”［1］。這些高性能船與傳統(tǒng)排水型船相比，具有高速、高平穩(wěn)性等優(yōu)勢(shì)。

本文所涉及的新概念穿梭艇就是針對(duì)惡劣航行條件下的高速船艇需求提出的具有內(nèi)傾式船艏的排水型單體高速穿浪船［2］，具有穿浪、高速等優(yōu)點(diǎn)。魏成柱等［2-4］對(duì)該艇的船型特征進(jìn)行了數(shù)值分析和試驗(yàn)研究。為了研究新概念穿梭艇的運(yùn)動(dòng)和操縱等性能，需要進(jìn)行船模試驗(yàn)，包括拖曳試驗(yàn)和自航模試驗(yàn)。拖曳試驗(yàn)在拖曳試驗(yàn)水池進(jìn)行，試驗(yàn)條件具有通用性；而對(duì)于自航模試驗(yàn)，需要人工搭建動(dòng)力系統(tǒng)和操控系統(tǒng)，試驗(yàn)條件往往不具備通用性或可移植性。趙楊［1］設(shè)計(jì)了一套基于AVR單片機(jī)的自航操控系統(tǒng)，對(duì)目標(biāo)船舶的單槳單舵系統(tǒng)進(jìn)行控制，但是AVR單片機(jī)的接口數(shù)量較少，當(dāng)船模需要添加多個(gè)傳感器時(shí)，AVR單片機(jī)將很難勝任；蘇威［5］介紹了上海交通大學(xué)自主研發(fā)的新型自航模系統(tǒng)，其能在試驗(yàn)水池中得到船舶的各種操縱性數(shù)據(jù)，而且具有非常高的精度，但該套系統(tǒng)沒有在室外開闊自然水域進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證；Shin等［6］使用一套自航系統(tǒng)對(duì)某船型進(jìn)行試驗(yàn)并獲取了船舶參數(shù)，系統(tǒng)具有很高的可靠性和精度，但由于采用了視覺定位技術(shù)，所用定位設(shè)備龐大，且需要220 V供電，而自然開闊水域往往不具備供電條件，設(shè)備搭建較為困難，因此在自然開闊水域的應(yīng)用具有局限性；李成福［7］設(shè)計(jì)了以ATmega128單片機(jī)和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）為核心的下位機(jī)系統(tǒng)和由PC機(jī)構(gòu)成的上位機(jī)系統(tǒng)，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的串行通信從而實(shí)現(xiàn)對(duì)船模電機(jī)伺服控制和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，但ATmega128單片機(jī)接口數(shù)量少，擴(kuò)展能力有限，在某種程度上限制了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。蒲浩等［8］設(shè)計(jì)了一種基于Matlab軟件的新概念潛浮平臺(tái)自航操控系統(tǒng)，能夠有效地進(jìn)行自航試驗(yàn)，但是Matlab軟件較為昂貴且對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求較高；高雷等［9］設(shè)計(jì)了一套基于PLC的“可控船模研究系統(tǒng)”并成功應(yīng)用于船舶操縱性試驗(yàn)。本文所針對(duì)的穿梭艇是一種新概念排水型單體高速穿浪船，具有細(xì)長(zhǎng)、內(nèi)傾式船艏、穿浪功能、橫搖頻率高［4］等特點(diǎn)。對(duì)該新概念船型的研究需要大量的航行狀態(tài)數(shù)據(jù)，即需要給船模擴(kuò)展多種不同的傳感器，對(duì)自航系統(tǒng)的靈敏度和處理能力要求高，并且數(shù)據(jù)通信量大。同時(shí)，由于穿梭艇是一種新概念艇型，根據(jù)其實(shí)際航行效果，可能有必要對(duì)添加主動(dòng)T型水翼、主動(dòng)壓浪板等輔助機(jī)構(gòu)展開進(jìn)一步的研究，要求自航系統(tǒng)留有足夠的接口，方便擴(kuò)展這些功能。針對(duì)新概念穿梭艇的特點(diǎn)，本文將為穿梭艇自航模研究和設(shè)計(jì)一套通用性和擴(kuò)展性強(qiáng)的自航操控系統(tǒng)。系統(tǒng)將使用PC/ 104和ARM作為主控制器，其處理能力高且接口豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)；使用開源的Python語(yǔ)言進(jìn)行軟件模塊化開發(fā)，軟件成本低、運(yùn)行效率高。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將能有效解決新概念穿梭艇的試驗(yàn)需求，且對(duì)于普通船舶和其他新型船舶，如小水線面雙體船等的自航試驗(yàn)，該系統(tǒng)同樣適用，具有一定的通用性和可移植性。

1　穿梭艇自航模操控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1自航模介紹

穿梭艇自航?？s尺比為1∶6，采用雙槳雙舵的動(dòng)力系統(tǒng)，模型簡(jiǎn)圖如圖1所示，相關(guān)尺寸參數(shù)如表1所示。

圖1穿梭艇自航模示意圖Fig.1 Shuttle vessel free-running model

表1穿梭艇自航模參數(shù)Tab.1 Parameters of the shuttle vessel model

穿梭艇自航模要求所設(shè)計(jì)的操控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)操控與自動(dòng)控制，同時(shí)要能實(shí)時(shí)完成數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。其中，手動(dòng)操控要能實(shí)現(xiàn)穿梭艇自航模加減速航行、轉(zhuǎn)向、倒車動(dòng)作，自動(dòng)控制要求能夠?qū)崿F(xiàn)Z形操縱、航向自動(dòng)保持等。

1.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的自航模操控系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)通信的上、下位機(jī)體系，由以下幾部分組成。

1）核心控制單元。

核心控制單元包括上位機(jī)和下位機(jī)。上位機(jī)用于監(jiān)測(cè)自航模航行狀態(tài)、發(fā)送操控指令。下位機(jī)安裝在自航模內(nèi)，用于執(zhí)行控制命令、采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)上位機(jī)使用普通便攜式個(gè)人電腦?？紤]到船模尺度以及系統(tǒng)的擴(kuò)展性，下位機(jī)使用研華公司的PCM-3362型PC/104 CPU模塊，同時(shí)搭載PCM-3644型PC/104串行接口擴(kuò)展板、PCM-3910 型PC/104電源板。上位機(jī)和下位機(jī)均使用Windows XP操作系統(tǒng)。

2）無線通訊系統(tǒng)。

操控系統(tǒng)通過Windows XP的遠(yuǎn)程桌面功能，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的遠(yuǎn)程操控。選用TP-LINK公司的TL-WR742N無線路由器建立無線局域網(wǎng)，能夠覆蓋半徑200 m左右的水面。上位機(jī)和下位機(jī)都配備無線網(wǎng)卡，通過建立的局域網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的遠(yuǎn)程操控。

3）底層驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

底層驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括底層驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器。

底層驅(qū)動(dòng)器使用STM32核心板，該核心板采用ARM Cortex-M3系列嵌入式微處理器。

執(zhí)行器包括推進(jìn)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)。自航船模一般選用直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)作為其執(zhí)行器，新概念穿梭艇的推進(jìn)系統(tǒng)選用2個(gè)直流無刷霍爾電機(jī)，額定電壓24 V，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，額定功率180 W。配套螺旋槳外徑50 mm，雙槳外旋。使用ZM-6508直流無刷霍爾驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流無刷霍爾電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器讀取電機(jī)霍爾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)使用Tower Pro公司的MG995型大扭力伺服舵機(jī)控制垂直舵轉(zhuǎn)動(dòng)。

下位機(jī)通過RS232串行通信接口發(fā)送指令至STM32核心板，STM32核心板產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)并將其發(fā)送至ZM-6508驅(qū)動(dòng)器和舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速和舵角控制。對(duì)于不同的船舶自航模，如果其執(zhí)行器能夠通過PWM方式調(diào)節(jié)，該底層驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍然適用，則可方便移植到不同的船舶自航模中進(jìn)行試驗(yàn)。

4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由各種傳感器組成，其功能為采集自航模航行信息和執(zhí)行機(jī)構(gòu)信息，包括航速、自航模姿態(tài)、加速度、角速度、位置、舵角、螺旋槳轉(zhuǎn)速等信息。所選傳感器如表2所示，它們具有通用性，可在其他類型船舶自航模上使用。

表2傳感器型號(hào)Tab.2 Type of sensors

其中，GNSS RTK差分系統(tǒng)包括DGPS基站和DGPS移動(dòng)站，使用時(shí)基站固定在岸邊開闊位置，移動(dòng)站安裝在自航模上合適的位置，可以測(cè)量自航模經(jīng)緯度、航向角和航速數(shù)據(jù)。AHRS5110M慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可測(cè)量自航模三軸角度、三軸加速度和三軸角速度；E6B2-CWZ1X旋轉(zhuǎn)編碼器能夠測(cè)量舵角角度和螺旋槳轉(zhuǎn)速；DGPS系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過串行接口通信方式將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給PC/104下位機(jī)；STM32核心板讀取旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)，并通過串行接口將編碼器數(shù)據(jù)發(fā)送給PC/104下位機(jī)。

5）通訊保護(hù)系統(tǒng)。

由于局域網(wǎng)覆蓋面積及信號(hào)強(qiáng)度有限，為防止因網(wǎng)絡(luò)通訊中斷導(dǎo)致自航模失控的情況發(fā)生，設(shè)計(jì)了一套通訊保護(hù)系統(tǒng)，如圖2所示。使用繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)STM32核心板電源的通斷。當(dāng)上位機(jī)程序啟動(dòng)時(shí)，繼電器閉合，STM32核心板通電；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通訊中斷時(shí)間達(dá)到3 s時(shí)，下位機(jī)的通用輸入輸出（GPIO）接口驅(qū)動(dòng)繼電器切斷STM32核心板電源，底層驅(qū)動(dòng)信號(hào)消失，所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)就會(huì)停止動(dòng)作，直到網(wǎng)絡(luò)暢通并收到控制指令后再進(jìn)行下一次動(dòng)作，可避免因通信中斷導(dǎo)致的意外發(fā)生。

圖2通訊保護(hù)系統(tǒng)Fig.2 Protection system for communication

6）供電系統(tǒng)。

穿梭艇自航模供電電壓為24，12和5 V。使用2塊并聯(lián)24 V（10 A·h）鋰電池作為總電源，使用24 V轉(zhuǎn)12 V變壓器提供12 V電壓。其中：2個(gè)直流電機(jī)使用24 V電源供電；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、DGPS移動(dòng)站使用12 V電壓供電。下位機(jī)PC/104電源模塊使用24 V電源供電，該電源模塊能夠輸出+5 V電源，為STM32核心板、旋轉(zhuǎn)編碼器供電。各個(gè)硬件與電源之間通過插拔式接線端子連接。穿梭艇自航模操控系統(tǒng)硬件搭建結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3穿梭艇自航模操控系統(tǒng)硬件搭建結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware structure of the shuttle vessel manipulation and control system

大部分船舶的自航模都選用步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和舵機(jī)作為其執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不過在型號(hào)和數(shù)量上會(huì)有所不同，比如有些自航模會(huì)選用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力、配備單槳單舵或全回轉(zhuǎn)槳等；船舶自航模在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需要測(cè)得航行姿態(tài)、航速及位置等信息。新概念穿梭艇自航操控系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所選用的ARM Cortex-M3系列嵌入式微處理器最多可以同時(shí)產(chǎn)生30路PWM信號(hào)，具有至少16路A/D轉(zhuǎn)換通道、5個(gè)通用異步收發(fā)器（UART）通道，而步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和舵機(jī)均可以采用PWM方式進(jìn)行控制；穿梭艇自航系統(tǒng)所選用的姿態(tài)、位置、航速等傳感器可直接用在不同的船舶自航模上，具有通用性。這就使得穿梭艇自航操控系統(tǒng)可模塊化移植到具有一定數(shù)量的直流電機(jī)、舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的船舶自航模上，具有良好的通用性和可移植性，減少了不同船舶自航模自航系統(tǒng)的開發(fā)工作量。

1.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件采用開源編程語(yǔ)言Python進(jìn)行編寫，可在主流操作系統(tǒng)（如Windows，Linux等操作系統(tǒng)）上免費(fèi)使用，使得操控系統(tǒng)的軟件通用性提高，且能夠降低開發(fā)成本。同時(shí)，Python語(yǔ)言具有豐富的功能擴(kuò)展模塊，開發(fā)方便、快捷，能夠減小軟件制作工作量，加速軟件開發(fā)進(jìn)度，節(jié)省操控系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間。

1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制程序。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括螺旋槳和垂直舵。STM32核心板的PWM通道產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)、GPIO通道產(chǎn)生脈沖信號(hào)，發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)螺旋槳的運(yùn)動(dòng)控制。STM32產(chǎn)生頻率為50 Hz的PWM數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)垂直舵的控制。使用C語(yǔ)言編寫STM32驅(qū)動(dòng)程序，具體編程方法詳見文獻(xiàn)［10］。

STM32核心板使用RS232協(xié)議與下位機(jī)通信。所設(shè)計(jì)的通信協(xié)議如圖4所示。

圖4 STM32與下位機(jī)之間的通信協(xié)議Fig.4 Communication protocol between the lower computer and STM32

當(dāng)上位機(jī)通過遠(yuǎn)程桌面操控下位機(jī)PC/104工控機(jī)發(fā)送控制指令、下位機(jī)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，都需按照?qǐng)D4所示的通信協(xié)議對(duì)控制指令進(jìn)行封裝，STM32核心板根據(jù)收到的指令進(jìn)行解碼，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速、舵機(jī)轉(zhuǎn)角等相應(yīng)的功能。

2）數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)。

穿梭艇自航試驗(yàn)過程中需要采集的數(shù)據(jù)有：執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作數(shù)據(jù)，包括電機(jī)轉(zhuǎn)速指令數(shù)據(jù)、舵角指令數(shù)據(jù)、電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、舵角實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；航行狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括穿梭艇三軸角度、角速度、加速度、穿梭艇航速、絕對(duì)經(jīng)緯度坐標(biāo)值。進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)協(xié)議，使用Python語(yǔ)言的串行接口讀取模塊進(jìn)行編寫，讀取掛載在PC/104串行接口上各傳感器的數(shù)據(jù)；使用C語(yǔ)言編寫脈沖采集程序并在STM32核心板上運(yùn)行，用以讀取旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)。讀取的所有數(shù)據(jù)發(fā)送至PC/104操控軟件中，在同一頻率下，以.txt格式文件的形式實(shí)時(shí)保存至PC/104硬盤中，供后期處理使用。

3）操控界面設(shè)計(jì)。

穿梭艇自航操控系統(tǒng)具有的功能包括設(shè)備初始化、開環(huán)操控、自航閉環(huán)控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、急停及倒車等操作。自航模操控軟件程序流程簡(jiǎn)圖如圖5所示。采用Python語(yǔ)言的Tkinter模塊［11］編寫操控界面。新概念穿梭艇自航操控系統(tǒng)軟件界面分為航行狀態(tài)區(qū)、開環(huán)控制區(qū)和閉環(huán)控制區(qū)3個(gè)部分，其中航行狀態(tài)區(qū)用以顯示自航模航行姿態(tài)、航速信息、位置信息、螺旋槳轉(zhuǎn)速信息等，開環(huán)控制區(qū)設(shè)置加減速指令按鈕、左右舵指令按鈕等功能，閉環(huán)控制區(qū)設(shè)置Z形操縱指令按鈕、正弦操控指令按鈕，如圖6所示。

圖5自航模操控軟件程序流程簡(jiǎn)圖Fig.5　 Flow chart of the free-running model's manipulation and control software

圖6自航模操控軟件界面Fig.6　 Software interface of the free-running model's manipulation and control system

1.4軟、硬件性能分析

對(duì)新概念穿梭艇的研究，需要采集大量的航行狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通信量大；試驗(yàn)過程中有必要添加多種不同的傳感器，對(duì)自航系統(tǒng)的靈敏度和處理能力要求高；根據(jù)其實(shí)際航行效果，有可能需要對(duì)添加主動(dòng)T型水翼、主動(dòng)壓浪板等輔助機(jī)構(gòu)展開進(jìn)一步的研究，這就要求自航系統(tǒng)留有足夠的接口，方便擴(kuò)展這些功能。表3和表4所示為該自航操控系統(tǒng)的硬件和軟件性能。

由表3可以看出，自航硬件控制系統(tǒng)性能良好，且具有豐富的接口，數(shù)據(jù)處理能力和可擴(kuò)展性強(qiáng)；由表4可以看出，軟件開發(fā)效率、執(zhí)行效率高，能夠滿足新概念穿梭艇試驗(yàn)需求。

表3硬件性能Tab.3 Hardware performance

表4軟件性能Tab.4 Software performance

2　自航試驗(yàn)

自航模操縱性試驗(yàn)通常在露天水池、天然湖泊或室內(nèi)操縱性水池中進(jìn)行［12］。穿梭艇自航模操控系統(tǒng)硬件、軟件開發(fā)完成后，以模塊化的形式搭建在穿梭艇自航模上，在上海交通大學(xué)閔行校區(qū)的涵澤湖進(jìn)行試驗(yàn)，水域長(zhǎng)160 m，寬78 m，湖底平整，水深5 m，微弱風(fēng)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證操控系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)的有效性。圖7所示為正在進(jìn)行試驗(yàn)的自航模。因螺線試驗(yàn)和逆螺線試驗(yàn)可以評(píng)價(jià)船舶的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性［13］，同時(shí)也是對(duì)操控系統(tǒng)穩(wěn)定性的有力考驗(yàn)，故本研究使用螺線試驗(yàn)和逆螺線試驗(yàn)方法對(duì)穿梭艇自航模的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行分析，同時(shí)驗(yàn)證操控系統(tǒng)的可行性。

圖7穿梭艇自航模試驗(yàn)Fig.7　 Experiment of the shuttle vessel free-running model

試驗(yàn)開始前，先將穿梭艇自航模放入水中，使其處于自由靜止?fàn)顟B(tài)，讀取傳感器初始數(shù)據(jù)。然后將螺旋槳轉(zhuǎn)速逐漸加速至900 r/min，當(dāng)DGPS測(cè)得船模航速達(dá)到穩(wěn)定時(shí)（試驗(yàn)測(cè)得在螺旋槳轉(zhuǎn)速900 r/min下船模直線穩(wěn)定航速為1.3 m/s），下達(dá)螺線試驗(yàn)指令，舵角按照30°→20°→10°→0°→-10°→-20°→-30°→-20°→-10°→0°→10°→20°→30°依次變化以使穿梭艇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，每回轉(zhuǎn)一周更換一次舵角，進(jìn)行3組試驗(yàn)。選取其中一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從中選取經(jīng)緯度數(shù)據(jù)導(dǎo)入谷歌地球，顯示出的穿梭艇運(yùn)動(dòng)軌跡衛(wèi)星圖如圖8所示；選取舵角、橫傾角、艏向角速率繪制曲線，如圖9所示。

圖8螺線試驗(yàn)軌跡衛(wèi)星圖Fig.8　 Satellite image of spiral test

圖9螺線試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線Fig.9　 Curve of the spiral test

分析圖9的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在初始階段，穿梭艇直線航行，艏向角速率和橫傾角都為0，舵處于零位。當(dāng)t=40 s時(shí)下達(dá)螺線試驗(yàn)指令。在同一航速下，不同舵角將引起船舶航行回轉(zhuǎn)半徑的不同，艏向角變化率也將不同。從圖9可以看出，穿梭艇舵角從30°逐漸變小時(shí)，艏向角速率逐漸變小，而橫傾角的變化則很??；且自航系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定工作較長(zhǎng)時(shí)間，系統(tǒng)能有效工作，可靠運(yùn)行。根據(jù)IMO操縱性標(biāo)準(zhǔn)［13］，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析看出，穿梭艇具有良好的動(dòng)穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，自航操控系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定工作。此外，可以利用該系統(tǒng)進(jìn)行Z形操舵試驗(yàn)和制動(dòng)試驗(yàn)等，獲取的數(shù)據(jù)可用來分析和衡量船舶的回轉(zhuǎn)能力、制動(dòng)能力及偏轉(zhuǎn)抑制性能等，也可通過參數(shù)辨識(shí)等方法，獲取船舶操縱性K，T參數(shù)及船舶運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)等。

為進(jìn)一步驗(yàn)證穿梭艇自航操控系統(tǒng)的有效性，對(duì)穿梭艇船模不同航速下的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將自航操控系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)同穿梭艇船模拖曳水池試驗(yàn)（圖10）數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。表5所示為二者的對(duì)比數(shù)據(jù)。

圖10穿梭艇船模拖曳水池試驗(yàn)Fig.10 Towing experiment data of the shuttle vessel model

表5自航試驗(yàn)與拖曳試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比Tab.5 Comparison of experimental data between the free-running model and the towing one

繪制縱傾角隨航速變化的曲線，如圖11所示。由于試驗(yàn)條件所限，無法得到平靜的水面和無風(fēng)的環(huán)境，同時(shí)自航操控系統(tǒng)所使用的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能較差，有小角度的隨機(jī)漂移。在低速段，由于穿梭艇自航模傾角較小，這些外界隨機(jī)因素干擾占比較大，導(dǎo)致與水池試驗(yàn)的偏差較大?？梢钥吹剑诟咚俣?，偏差占比逐步縮小，穿梭艇自航?？v傾角與拖曳水池試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)基本一致?？梢钥闯?，自航操控系統(tǒng)是有效的。后續(xù)在經(jīng)費(fèi)和條件允許的情況下，會(huì)嘗試安裝精度更高的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，同時(shí)在室內(nèi)大型泳池等干擾小的環(huán)境下重復(fù)該試驗(yàn)，以期得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。

圖11縱傾角隨航速變化曲線Fig.11　 Variation of pitch angle with respect to speed

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的自航操控系統(tǒng)有效、可靠，且性能良好，能夠在一定程度上反映新概念穿梭艇的運(yùn)動(dòng)效果和操縱性能。

3　結(jié)　語(yǔ)

本文針對(duì)新概念穿梭艇自航模的自航試驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)和開發(fā)了完整的自航操控系統(tǒng)。自航操控系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程操控實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)之間的控制體系功能，使用Python開源語(yǔ)言進(jìn)行軟件的編寫。使用的STM32核心板和PC/104下位機(jī)主板均具有豐富的接口，使得操控系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性，如添加傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及更豐富的閉環(huán)控制算法等；同時(shí)，所設(shè)計(jì)的操控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠方便地移植到具有類似執(zhí)行機(jī)構(gòu)的海洋運(yùn)載器上，具有較好的可移植性。利用穿梭艇船模拖曳水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了自航操控系統(tǒng)的有效性以及穿梭艇自航系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的可行性。需要指出的是，本文只利用自航操控系統(tǒng)對(duì)穿梭艇的航速和姿態(tài)進(jìn)行了驗(yàn)證，其他方面的功能還有待后期在自航操控系統(tǒng)的使用過程中進(jìn)一步優(yōu)化和驗(yàn)證。

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Experimental study on the control system for the free-running model test of a new concept shuttle vessel

WANG Jian，LIU Jingyang，WEI Chengzhu，LI Yinghui，YI Hong

State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

Abstract：The free-running model test is an effective way to evaluate ship performance. In this paper, a Manipulation and Control (MC) system is designed for a new concept shuttle vessel. The MC system in?cludes two parts: an ashore control system and an onboard control system, and the two parts exchange infor?mation through a Wireless Local Area Network (WLAN). The actuators of the shuttle vessel are equipped with sensors to obtain the feedback data, and certain sophisticated programmable elements are incorporated as the drivers of the actuators, where the lower and upper computer software are both written in the Python programming language. The MC system is then successfully applied to the free-running model test of the new concept shuttle vessel. Experimental results indicate that the MC system is efficient in terms of the de?velopment effort, easy to be operated, and has good scalability and portability. The maneuverability of the new concept shuttle vessel is well demonstrated through the free-running model test results. Finally, the free-running experiment results tested with the MC system is compared with the actual towing tank data, which shows high consistency.

Key words：shuttle vessel；free-running model；control system

作者簡(jiǎn)介：王健，男，1989年生，博士生。研究方向：海洋運(yùn)載器運(yùn)動(dòng)控制。E-mail：nsms_sjtu@sjtu.edu.cn劉旌揚(yáng)（通信作者），男，1982年生，博士，講師。研究方向：海洋運(yùn)載器智能控制。E-mail：jy_liu@sjtu.edu.cn易宏，男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：潛水器與特種船舶開發(fā)研究，海上裝備與系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性與人因工程研究。E-mail：yihong@sjtu.edu.cn

基金項(xiàng)目：上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題（GKZD010061）

收稿日期：2015 - 08 - 08網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-1-19 14:55

中圖分類號(hào)：U661.73

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.01.012

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160119.1455.026.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：王健，劉旌揚(yáng)，魏成柱，等.新概念穿梭艇自航模操控系統(tǒng)試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)艦船研究，2016，11（1）：95-101. WANG Jian，LIU Jingyang，WEI Chengzhu，et al. Experimental study on the control system for the free-running model test of a new concept shuttle vesse［lJ］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（1）：95-101.