一種新型水面無人艇操縱性試驗分析

馬天宇，杭 岑，楊松林

(1.中國艦船研究院，北京 100101；2.上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125；3.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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一種新型水面無人艇操縱性試驗分析

馬天宇1，杭 岑2，楊松林3

(1.中國艦船研究院，北京 100101；2.上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125；3.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

設(shè)計制作一種從艇舯向艇艉橫向?qū)ΨQ加裝短翼型片體的新型自控水面無人艇(Unmanned Surface Vehicle，USV)模型，開展了多種工況狀態(tài)下的自航模操縱運動試驗，主要包括慣性試驗、回轉(zhuǎn)試驗和Z形操舵試驗。通過分析試驗數(shù)據(jù)得到的相應(yīng)結(jié)論，可為新型USV艇型操縱運動性能的研究提供技術(shù)支撐和參考。

水面無人艇；操縱運動；模型試驗；慣性試驗；回轉(zhuǎn)試驗；Z形操舵試驗

0 引言

USV是一種具有自主或半自主航行能力的水上無人運動平臺，操縱性是衡量USV航行性能優(yōu)劣的一個重要指標。良好的操縱性使USV在完成任務(wù)時更加機動靈活，并可提高水上生存能力。

近年來，USV的操縱性引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。文獻[1]考慮國際海上避碰規(guī)則，提出一種基于快速擴展隨機樹(RRT)算法的USV尋優(yōu)路徑避碰系統(tǒng)，通過仿真和全尺寸試驗，驗證了該系統(tǒng)的魯棒性。文獻[2-3]對一艘雙體USV的導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制和路徑規(guī)劃等方面進行了研究，設(shè)計了包含瞄準線導(dǎo)航點和人工偏移方案的障礙物檢測與避碰策略。文獻[4]提出一種約束USV偏航角速度的路徑規(guī)劃算法，可實時在柵格地圖上顯示生成有效路徑。文獻[5]討論了一種基于相對坐標下的USV運動規(guī)劃方法。文獻[6]利用最小二乘支持向量機辨識方法得到了無人滑行艇艏向響應(yīng)方程中的一、二階線性與非線性參數(shù)，并設(shè)計了艏向控制系統(tǒng)和仿人腦模型智能運動控制系統(tǒng)。文獻[7]考慮了定常風(fēng)的干擾，對USV在風(fēng)壓作用下的操縱運動性能進行了仿真研究。

綜上，國內(nèi)外在USV的避碰、運動規(guī)劃、仿真實驗等方面開展了較多研究工作，但在操縱性模型試驗方面的嘗試比較少。本文針對一種新型水面無人艇開展了自航模操縱性試驗:慣性試驗、回轉(zhuǎn)試驗和Z形操舵試驗。

1 艇型設(shè)計

采用“母型艇改造法”，設(shè)計制作一種新型自控USV模型，其艇型特點是：在滑行艇艇體兩側(cè)的艇舭部采用雙折角線線型，從艇舯向艇艉橫向?qū)ΨQ加裝短翼型片體。這樣設(shè)計的目的主要有兩點：第一，可以有效抑制高速航行時滑行面的側(cè)向飛濺，快速性良好；第二，可以起到減搖并改善航行穩(wěn)定性的作用[8]。新型USV模型艇體效果圖如圖1所示。表1給出了新型USV模型的主要參數(shù)。

圖1 新型USV模型艇體效果圖

主尺度符號數(shù)值單位艇長L1.50m艇寬B0.46m型深D0.19m設(shè)計吃水T0.13m設(shè)計排水量Δ50kg設(shè)計航速V5kn

2 試驗方案和步驟

慣性試驗在江蘇科技大學(xué)拖曳水池中進行，該水池長100 m，寬6 m，水深3 m?；剞D(zhuǎn)試驗和Z形操舵試驗在江蘇科技大學(xué)室外游泳池中進行，該水域長50 m，寬25 m，最大水深2 m。

2.1 慣性試驗

航行中的USV在接受到新的指令或遇到障礙物時，經(jīng)常需要面臨突然停船的情況,因而，開展慣性試驗，對于研究USV的機動性和停船性能具有一定意義。

為方便記錄USV的沖程距離，選擇USV在直航運動情況下，突然停船利用慣性沿原有航向移動。通過加載砝碼設(shè)定0.13、0.14、0.145 m這3種不同吃水，并設(shè)定1.5～2.1 V 7組不同主機控制電壓作為組合工況。自USV起始點沿拖曳水池方向，在池邊分別標記10 m加速段和20 m測速段，記錄測速段的時間，計算航速。同時記錄關(guān)閉主機后的沖程時間和慣性距離。每一工況試驗后，將艇模拖回起始點，待水面余波消散后，再進行下一種狀態(tài)試驗。

2.2 回轉(zhuǎn)試驗

水面無人艇的回轉(zhuǎn)性是指通過操舵使其進行圓周運動的性能。作為一種典型運動狀態(tài)，定?；剞D(zhuǎn)運動是USV操縱性試驗的重要研究內(nèi)容?？紤]露天的試驗條件，為方便采集數(shù)據(jù)并保證數(shù)據(jù)的精度，基于VB.NET語言編寫了USV回轉(zhuǎn)運動控制程序，通過給定艇載可編程自動控制器(PAC)不同的舵角信號，使艇模執(zhí)行程序，完成回轉(zhuǎn)試驗。艇模上的差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)可以有效采集試驗過程中艇模的位置、航速等信息, 回轉(zhuǎn)試驗中DGPS記錄的軌跡如圖2所示。為全面探究航速、舵角對USV回轉(zhuǎn)直徑的影響，通過加載砝碼，調(diào)節(jié)主機轉(zhuǎn)速，設(shè)計0.13、0.14、0.145 m 3種不同吃水狀態(tài)下，1.8、2.0、2.2 V 3種控制電壓和20°、25°、30°、35° 4種不同舵角(左舵)的組合工況回轉(zhuǎn)試驗。

2.3 Z形試驗

Z形試驗旨在研究USV在左右交替操舵時的操縱性能。預(yù)先設(shè)定好主機的控制電壓，使艇模以某一航速先進行直線航行，達到穩(wěn)定后，由核心控制器PAC發(fā)出操舵指令。艇模首先打右舵5°并保持，艇體向右逐漸轉(zhuǎn)向，當艏向角也達到5°時，立即打左舵5°并保持，艇體向右轉(zhuǎn)艏的角速度不斷減小，直至消失，然后艇體將逐漸向左轉(zhuǎn)向，當艏向角再次與舵角(此時即為5°)的值相同時，再打右舵5°，重復(fù)上述過程，直至完成5次操舵為止。Z形試驗如圖3所示。艇載三維電子羅盤在試驗過程中將自動采集舵角和艏向角，DGPS記錄位置和航速，所有數(shù)據(jù)均保存在PAC中?；谝陨显囼灹鞒?，設(shè)計了1.06、1.21、1.4 kn 3種不同航速狀態(tài)下，5°/5°，10°/10°和15°/15°的Z形試驗。

圖2 回轉(zhuǎn)試驗中DGPS記錄的軌跡

圖3 Z形試驗

3 試驗結(jié)果分析

3.1 慣性試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)慣性試驗記錄的航速及關(guān)閉主機后，艇模沖程時間和慣性距離，分別得到USV在3種不同的吃水狀態(tài)下航速隨電壓變化的曲線、沖程時間隨電壓變化的曲線和慣性距離隨電壓變化的曲線。這3種曲線圖分別如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 慣性試驗中航速隨控制電壓變化曲線

分析圖4可知：隨著控制電壓增大，航速也隨之增大。在控制電壓為1.5～1.9 V范圍內(nèi)，航速的增幅較為劇烈；當控制電壓大于1.9 V時，航速增幅減緩。比較圖中3條曲線，隨著艇模吃水增大，航速整體有所減小。當控制電壓分別為1.5 V和1.8 V時，吃水為0.145 m狀態(tài)下的航速比吃水為0.14 m狀態(tài)下的航速略高，但最大增幅僅為0.02 kn。

圖5 沖程時間隨控制電壓變化曲線

圖6 慣性距離隨控制電壓變化曲線

從圖5可知：隨著控制電壓增大，沖程時間經(jīng)歷了一個“先增大—后減小—再增大”的過程。吃水為0.13 m時，沖程時間減小發(fā)生在1.9～2.0 V電壓之間；對于吃水為0.14 m的狀態(tài)，沖程時間減小發(fā)生在1.8～1.9 V電壓之間；對于吃水為0.145 m的狀態(tài)，沖程時間減小發(fā)生在1.7～1.9 V之間?？梢姡S著吃水增大，艇模沖程時間出現(xiàn)減小趨勢的控制電壓拐點值越來越小。在1.5～1.7 V電壓范圍內(nèi)，吃水越大，沖程時間也越長。但在控制電壓大于1.8 V以后，隨著吃水增大，沖程時間先增后減。結(jié)合圖4，當航速處于0.655 ～1.456 kn范圍內(nèi)時，影響沖程時間的因素主要是排水量，控制電壓增大，航速增高，排水量越大沖程時間就越長。隨著航速增高至1.638 kn以后，影響沖程時間的因素主要是艇模的阻力，一方面航速較高，停船后的沖程段中摩擦阻力較大；另一方面，艇模在狹長的水池里航行不可避免地將受到池壁反射波干擾，興波阻力隨航速的增加也會變大。當吃水從0.13 m增加至0.14 m時，艇模沖程時間仍然有變長的趨勢，但當吃水從0.14 m增加至0.145 m時，艇模沖程時間反而變短，這說明在同一電壓下，隨著艇模吃水增大，沖程時間是由艇模的慣性和阻力共同決定的。

從圖6可知：當控制電壓從1.5 V增大至2.0 V時，3種吃水狀態(tài)下艇模的慣性距離均逐漸增大。但當控制電壓從2.0 V增至2.1 V時，吃水為0.13 m和0.14 m狀態(tài)下的慣性距離呈現(xiàn)減小的趨勢；吃水為0.145 m時，慣性距離仍在增大，但增幅很小。結(jié)合圖4，此時艇模的航速介于2.119～2.371 kn的范圍內(nèi)。隨著吃水變大，艇模的慣性距離也變大，說明從整體角度出發(fā)，慣性距離和排水量呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)，即慣性越大，慣性距離越大。特別是，在控制電壓為1.5～1.6 V時，3種吃水狀態(tài)下，慣性距離隨控制電壓增大而增加的變化趨勢特別明顯。此外，艇模在吃水為0.14 m狀態(tài)下，當控制電壓從1.7 V增加至1.8 V時，慣性距離增加得也很劇烈。

3.2 回轉(zhuǎn)試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)回轉(zhuǎn)試驗方案，每種狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)運動進行2次，并記錄航速和回轉(zhuǎn)直徑的平均值。

圖7給出了回轉(zhuǎn)試驗中，3種吃水狀態(tài)下的航速隨控制電壓變化的曲線。分析可知：隨著控制電壓增大，航速也逐漸增大；吃水越大，航速越小，這與吃水增大，艇模阻力增大的事實相符。在吃水為0.14 m和0.145 m的狀態(tài)下，當控制電壓從1.8 V增大到2.0 V時，航速增加較為明顯。當控制電壓從2.0 V增大到2.2 V時，3種吃水狀態(tài)下的航速增加趨勢基本一致，呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系。

圖7 回轉(zhuǎn)試驗中航速隨控制電壓變化曲線

圖8給出了吃水為0.13 m狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑隨航速變化的曲線。分析可知：20°和25°舵角狀態(tài)下，隨航速增大，回轉(zhuǎn)直徑先增大再減??；30°和35°舵角狀態(tài)下，隨航速增大，回轉(zhuǎn)直徑也逐漸增大。

圖9給出了吃水為0.14 m狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑隨航速變化的曲線。其變化規(guī)律與圖8類似，但略有不同，具體分析可知：20°、25°和30°舵角狀態(tài)下，隨航速增大，回轉(zhuǎn)直徑先增再減。在35°舵角狀態(tài)下，隨航速增大，回轉(zhuǎn)直徑逐漸增大。

圖8 吃水為0.13 m時回轉(zhuǎn)直徑隨航速變化曲線

圖9 吃水為0.14 m時回轉(zhuǎn)直徑隨航速變化曲線

圖10給出了吃水為0.145 m狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑隨航速變化的曲線。分析可知：20°舵角狀態(tài)下，隨航速增大，回轉(zhuǎn)直徑先增大再減小。在25°、30°和35°舵角狀態(tài)下，隨航速增大，回轉(zhuǎn)直徑逐漸增大。

圖10 吃水為0.145 m時回轉(zhuǎn)直徑隨航速變化曲線

綜合觀察比較圖8～圖10可以發(fā)現(xiàn)：回轉(zhuǎn)直徑隨航速的變化在局部有一定的線性規(guī)律，并且隨著舵角逐漸增大，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑整體減小。

圖11給出了在控制電壓為1.8 V狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑隨舵角變化的曲線。分析可知：3種吃水狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑均隨舵角的增大而減小。在吃水從0.13 m變化至0.14 m狀態(tài)的過程中，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑整體增大，并且在這2種吃水狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑隨舵角增大而變化的規(guī)律很相似，呈現(xiàn)較為規(guī)則的線性遞減規(guī)律。在吃水從0.14 m變化至0.145 m狀態(tài)的過程中，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑整體減小。結(jié)合圖7，隨著吃水的增大，航速逐漸減小，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑先整體增大，然后整體減小。只有在25°舵角時，吃水0.145 m狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)直徑比吃水0.13 m狀態(tài)下對應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑大；在20°、30°和35°舵角時，吃水0.145 m狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)直徑均比吃水0.13 m狀態(tài)下對應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑小。

圖11 1.8 V控制電壓下回轉(zhuǎn)直徑隨舵角變化曲線

圖12給出了在控制電壓為2.0 V狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑隨舵角變化的曲線。分析可知：3種吃水狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑均隨舵角的增大而減小。特別是，在吃水0.14 m狀態(tài)下，隨著舵角由25°增大到30°，以及在吃水0.145 m狀態(tài)下，隨著舵角由20°增大到25°，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑減小得幅度非常大。在吃水從0.13 m變化至0.14 m狀態(tài)的過程中，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑整體增大。在吃水從0.14 m變化至0.145 m狀態(tài)的過程中，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑整體減小。

圖12 2.0 V控制電壓下回轉(zhuǎn)直徑隨舵角變化曲線

圖13給出了在控制電壓為2.2 V狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑隨舵角變化的曲線。分析可知：3種吃水狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)直徑均隨舵角的增大而減小。在吃水從0.13 m變化至0.14 m狀態(tài)的過程中，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑整體增大。在吃水從0.14 m變化至0.145 m狀態(tài)的過程中，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑整體減小。當舵角從30°增加至35°的過程中，3種吃水狀態(tài)下相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑較為接近。結(jié)合圖7，隨著吃水的增大，航速逐漸減小，相應(yīng)的回轉(zhuǎn)直徑整體先增大再減小。

圖13 2.2 V控制電壓下回轉(zhuǎn)直徑隨舵角變化曲線

綜合觀察比較圖11～圖13可以發(fā)現(xiàn)：在不同的控制電壓下，回轉(zhuǎn)直徑隨舵角的增大而減小，整體上呈現(xiàn)負相關(guān)規(guī)律，這與圖8～圖10中得到的規(guī)律相吻合，并且隨著吃水的增加，回轉(zhuǎn)直徑先增后減。

3.3 Z形試驗數(shù)據(jù)分析

整理試驗中得到的舵角、艏向角和航速數(shù)據(jù)，分別計算得到各操舵情況和控制電壓試驗狀態(tài)下，第1超越角Ψov1、第2超越角Ψov2、第3超越角Ψov3，轉(zhuǎn)向滯后時間TL2、TL3、TL。

圖14給出了艇模在5°/5°操舵時，3個超越角隨航速變化的曲線。分析可知：隨著航速增大，超越角也逐漸增大。當航速為1.06 kn和1.21 kn時，第2超越角Ψov2最?。划敽剿贋?.4 kn時，第3超越角Ψov3最小。

圖14 5°/5°操舵時超越角隨航速變化曲線

圖15給出了艇模在10°/10°操舵時，3個超越角隨航速變化的曲線。分析可知：隨著航速增大，超越角也逐漸增大。當航速為1.06 kn時，第3超越角Ψov3最?。划敽剿贋?.21 kn和1.4 kn時，第2超越角Ψov2最小。

圖15 10°/10°操舵時超越角隨航速變化曲線

圖16給出了艇模在15°/15°操舵時，3個超越角隨航速變化的曲線。分析可知：隨著航速增大，超越角也逐漸增大。在1.06、1.21、1.4 kn航速下，第2超越角Ψov2均為最小。結(jié)合圖14和圖15可知：隨著Z形操舵角增大，3個超越角也整體隨之增大。

圖16 15°/15°操舵時超越角隨航速變化曲線

超越角在USV避碰運動中意義十分重大，工程上通常以第1超越角作為衡量船舶轉(zhuǎn)動慣性的參數(shù)。結(jié)合圖14～圖16，對于新型USV，在多種情況下第2超越角Ψov2是3個超越角中最小的值，因而觀察第1超越角Ψov1和第2超越角Ψov2隨航速的變化曲線，如圖17所示。從圖中可知：第1超越角Ψov1和第2超越角Ψov2均隨航速的增大而增大，并且隨著Z形操舵角的增大，第1超越角Ψov1和第2超越角Ψov2也相應(yīng)地增大；在15°/15°操舵情況下，Ψov1和Ψov2最大，說明艇模此時的轉(zhuǎn)動慣性最大。同時，隨著操舵角增大，Ψov1和Ψov2的增加呈現(xiàn)越來越劇烈的趨勢。

轉(zhuǎn)向滯后是指每次進行反向操舵通過零舵角的瞬間，至船舶達到最大轉(zhuǎn)艏角時的時間間隔。工程上常以第2超越時間TL2和第3超越時間TL3的平均值即TL作為衡量船舶轉(zhuǎn)動慣性的一種度量，并且可以作為船舶跟從性的一個衡量指標。TL越小，跟從性也越好。

圖17 第1超越角Ψov1和第2超越角Ψov2隨航速變化曲線

圖18給出了艇模在3種Z形操舵情況下，TL隨航速變化的曲線。觀察可知：在5°/5°操舵情況下，TL隨航速的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化；在10°/10°和15°/15°操舵情況下，TL均隨航速的增大而減小。當航速分別為1.06 kn和1.21 kn時，TL隨操舵角的增大而減小；當航速為1.4 kn時，TL隨操舵角的增大，先減小再增大。可見，航速的增大和操舵角的增大，有利于TL的減小，即零舵角之后出現(xiàn)零角速度的之后時間減小。針對圖18，在航速為1.4 kn，10°/10°的操舵情況下，TL最小，說明此時艇模的轉(zhuǎn)動慣性最小，跟從性最好。

圖19～圖21給出了艇模在3種Z形操舵情況下，艏向角隨時間變化的曲線。對比觀察可知：隨著Z形操舵角的增大，艏向角變化周期均有所增大。對于同一操舵角情況下，隨著航速增大，艏向角的變化周期逐漸縮短，但艏向角的幅值有所增大。

根據(jù)野本謙作提出的“K-T標準算法”[9]，計算各操舵角情況下的回轉(zhuǎn)性指數(shù)K和應(yīng)舵指數(shù)T值，并根據(jù)下式進行無因次化處理，得到K′和T′。

圖18 轉(zhuǎn)向滯后時間TL隨航速變化曲線

圖19 5°/5°操舵時艏向角隨時間變化曲線

圖20 10°/10°操舵時艏向角隨時間變化曲線

圖21 15°/15°操舵時艏向角隨時間變化曲線

式中：L為艇長，m；V為航速，m/s。

分別將5°/5°、10°/10°和15°/15°操舵情況下的K′和T′隨航速的變化繪成曲線，分別如圖22和圖23所示。

圖22 K′隨航速變化曲線

圖23 T′隨航速變化曲線

分析圖22和圖23可知：回轉(zhuǎn)性指數(shù)K′隨航速的增加而減小。3種操舵角情況下，航速由1.06kn增加到1.21kn過程中K′的降速比航速由1.21kn增加到1.4kn過程中K′的降速要大。應(yīng)舵指數(shù)T′隨航速的增加而增大。同時，回轉(zhuǎn)性指數(shù)K′和應(yīng)舵指數(shù)T′均隨操舵角的增大而減小。其中，K′的值減小的趨勢逐漸平緩，這與操舵角增大、回轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)有所增加有關(guān)。

4 結(jié)論

本文通過對一種新型USV慣性試驗，回轉(zhuǎn)試驗和Z形操舵試驗數(shù)據(jù)的分析，得出的主要結(jié)論有：

(1)不同排水量的艇模隨航速逐漸增加，沖程時間主要取決于阻力和慣性。當主機控制電壓增大到一定范圍時，艇模的慣性距離不再隨排水量增加而繼續(xù)增加。

(2)回轉(zhuǎn)直徑隨航速的變化在局部有線性規(guī)律，但沒有整體呈現(xiàn)正相關(guān)或負相關(guān)。隨舵角逐漸增大，相應(yīng)回轉(zhuǎn)直徑整體減小。在不同控制電壓下，回轉(zhuǎn)直徑隨舵角增大而減小，呈負相關(guān)規(guī)律，并且隨著吃水的增加，回轉(zhuǎn)直徑先增大后減小。

(3)操舵角越大，Ψov1和Ψov2越大，艇模的轉(zhuǎn)動慣性越大。航速增大和操舵角增大，有利于TL的減小。在航速為1.4kn，10°/10°操舵時，艇模轉(zhuǎn)動慣性最小，跟從性最好?；剞D(zhuǎn)性指數(shù)K′和應(yīng)舵指數(shù)T′均隨操舵角的增大而減小，其中，K′值變化較平緩，即操舵角增大，回轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)有所增大，產(chǎn)生了一定的非線性影響。

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2016-01-05

馬天宇(1989—)，男，助理工程師，碩士，研究方向為艦船總體;杭岑(1990—)，女，助理工程師，碩士，研究方向為船舶與海洋工程;楊松林(1956—)，男，教授，研究方向為船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造。

U661.33

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