船舶智能橫向平移靠泊模擬仿真

李興盛　張嘉琪　馮炘　尹美琳　路春暉　付振楷

摘要：船舶螺旋槳-舵的傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)無(wú)法做到持續(xù)平移靠泊航行，為了解決船舶橫向平移靠泊難的問(wèn)題，建立靠泊數(shù)學(xué)模型，利用LabVIE虛擬儀器同步采集、圖像分析和實(shí)時(shí)處理技術(shù)開發(fā)編寫了一套橫向平移智能靠泊操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用船尾兩個(gè)可360度旋轉(zhuǎn)的螺旋槳為主要輸出控制，通過(guò)可以實(shí)時(shí)把船舶自身姿態(tài)角和螺旋槳推力及旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸并加工處理后再反饋到螺旋槳控制器上，應(yīng)用多重的判斷結(jié)構(gòu)提高測(cè)試效率和精度。最后通過(guò)在無(wú)環(huán)境干擾和存在環(huán)境干擾下模擬仿真，證明智能靠泊系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸正常、穩(wěn)定性良好，具有實(shí)用價(jià)值。

Abstract： This paper developed a set of control system based on LabVIEW， which uses the technology of synchronous acquisition， image analysis and real-time processing， to solve the difficult problem ship，lateral displacement berthing， and set up a mathematical model. The system uses two propellers at the stern， which rotate 360 degrees， as the main output control， which can transmit the ship's attitude angle and propeller data to the system in real-time and feedback to the propeller controller after processing， multiple judgment structures to improve test efficiency and accuracy. Finally， the simulation results show that the intelligent berthing system has normal data transmission， good stability， and practical value.

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;LabVIEW;數(shù)據(jù)采集;橫向靠泊;數(shù)學(xué)模型;模擬仿真

Key words： virtual instrument;LabVIEW;data collection;lateral displacement berthing;mathematical model;analog simulation

中圖分類號(hào)：U664.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）05-0267-04

0? 引言

船舶運(yùn)輸已成為當(dāng)今水上交通發(fā)展的主流，船舶自動(dòng)靠、離泊在水運(yùn)交通運(yùn)輸上已成為各個(gè)國(guó)家研究的熱點(diǎn)方向[1]，然而橫向平移靠泊在國(guó)內(nèi)研究較少。

船舶實(shí)現(xiàn)平行碼頭靠泊運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)螺旋槳-舵推進(jìn)系統(tǒng)的船舶由于構(gòu)造和舵效問(wèn)題難以成功，且由于螺旋槳內(nèi)部的流場(chǎng)分布不均勻、不穩(wěn)定，導(dǎo)致靠泊效率偏低[2]。本研究基于虛擬機(jī)LabVIEW控制可360°旋轉(zhuǎn)船尾雙螺旋槳推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)橫向平移靠泊。該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生更好的回轉(zhuǎn)力矩和側(cè)向力，提高船舶的操縱性及可靠性，縮短了靠泊時(shí)間，同時(shí)降低空泡及行駛中的噪音[3]，選擇LabVIEW因?yàn)椴粌H可以作為一個(gè)開發(fā)平臺(tái)，應(yīng)用于一般的數(shù)據(jù)管理、科學(xué)計(jì)算等方面，其最大的優(yōu)勢(shì)還在于非常容易和各種硬件集成[4]，LabVIEW 為測(cè)試儀器提供了最佳的開發(fā)平臺(tái)，它已經(jīng)成為編程語(yǔ)言的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]。

1? 建立數(shù)學(xué)模型

本研究平移靠泊問(wèn)題轉(zhuǎn)化為合力矩及力的合成與分解問(wèn)題。船舶實(shí)際航行有6個(gè)自由度方向[6]，為更直觀展示物理意義，本研究模型僅考慮3自由度，建立船舶螺旋槳平面數(shù)學(xué)模型，船舶俯視示意圖如圖1，可旋轉(zhuǎn)螺旋槳位于船尾兩側(cè)，可以提供不同方向上的力，分析船舶左舷方向側(cè)向航行的受力情況。Fa、Fb分別為左舷、右舷螺旋槳推力，F(xiàn)av、Fah、Fbv、Fbh分別為左、右舷豎直、水平分力，α、β為Fa、Fb與豎直方向的夾角;O是船舶重心，La與Lb之和為L(zhǎng)，即兩螺旋槳間的距離。滿足公式：

式（1）表示船舶水平和豎直方向合力距大小相等，方向相反，目的保證在航行中不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn);

式（2）表示船體豎直方向力為常數(shù);

式（3）表示水平方向力大小相等方向相反：

式（4）、式（5）表示水平豎直方向受力的三角函數(shù)關(guān)系。

綜上所述，根據(jù)剛體力學(xué)原理，物體所受合力距為0時(shí)，且合力方向指向物體運(yùn)動(dòng)方向，物體則不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)楹狭Ψ较颉?/p>

Fa、Fb為左、右螺旋槳推力，ρ液體密度，n為轉(zhuǎn)速，D為螺旋槳直徑，K為推力系數(shù)，J為進(jìn)速比。

式（6）、（7）、（8）則是表示雙計(jì)算螺旋槳推力大小。

2? LabVIEW軟件開發(fā)

2.1 螺旋槳控制流程

控制雙螺旋槳改變角度和速度的控制器主要包括船載工業(yè)電腦主機(jī)、螺旋槳控制器、螺旋槳角度電機(jī)控制器、螺旋槳轉(zhuǎn)速電機(jī)控制器等，整個(gè)操縱系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，船舶的實(shí)際航向作為反饋信號(hào)傳輸?shù)絺鞲衅?，最后通過(guò)電腦調(diào)節(jié)信號(hào)，按照預(yù)先規(guī)定路徑航行。原理圖如圖2所示。

2.2 螺旋槳控制程序設(shè)計(jì)

首先建立輸入全局變量，如圖3。輸入量分為輸入變量和輸入常量。輸入變量有三個(gè)，分別為螺旋槳a的推力及角度;靠泊角——左舷平移靠泊為0度，輸入常量5個(gè)，分別是角度與合力距精度——偏離航行的角度與船體所受力矩偏移大小，精度越高，船體靠泊穩(wěn)定性越好。

角度增量代表螺旋槳每轉(zhuǎn)動(dòng)一次所增加的角度;重心距槳間距離和兩槳間距離是根據(jù)船體實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行輸入。輸入變量根據(jù)實(shí)際靠泊要求輸入數(shù)值，而輸入常量是在船舶實(shí)際情況已經(jīng)錄入的最佳數(shù)值，輸入后即成為定量。輸入量確定后，將數(shù)學(xué)模型關(guān)系轉(zhuǎn)化成LabVIEW程序，求合力距程序部分框圖和程序停止條件件如圖4、圖5所示。當(dāng)程序同時(shí)滿足實(shí)際要求航行角度小于等于角度精度（實(shí)際靠泊中可接受的誤差角）與合力距小于等于合力距精度時(shí)，程序有解。為增加程序可行性，本研究中考慮了力是矢量，有大小和方向。

程序部分操縱控制界面如圖6所示。輸出區(qū)主要參數(shù)值為螺旋槳b推力、角度、合力和合力距四個(gè)值，其余輸出為執(zhí)行算法中的過(guò)程值。圖形顯示器表示槳a、b角度及合力距的大小。

3? 實(shí)驗(yàn)仿真模擬

3.1 重心對(duì)平移靠泊的影響

船舶重心位置影響著平移靠泊過(guò)程中螺旋槳推力的效率。利用控制變量發(fā)，讓合力距、偏移角度精度、兩螺旋槳之間距離L都不變，靠泊角為0度時(shí)，僅改變重心距槳間距離Lh。觀察Lh/L比值與螺旋槳效率Fa+Fb/C關(guān)系。通過(guò)LabVIEW計(jì)算得出關(guān)系曲線，Lh/L比值越小表示船舶重心越往后。由圖7，圖像橫坐標(biāo)表示Lh/L比值，縱坐標(biāo)表示螺旋槳輸出的效率值。由圖形可知隨著Lh/L比值逐漸變大，螺旋槳效率成下降趨勢(shì)，即船舶重心越在靠近船頭方向，螺旋槳推動(dòng)效率越低。所以為了保證螺旋槳有更高的調(diào)節(jié)方向效率，要保證船舶重心位置盡可能在船尾后方處。本研究中所設(shè)計(jì)的船舶兩槳間距離和重心距槳間距離的比值為1，此時(shí)螺旋槳控制船體靠泊效率值為45%左右，正負(fù)為1個(gè)誤差。

3.2 槳a旋轉(zhuǎn)角度與效率仿真

輸入值槳a旋轉(zhuǎn)角度存在有效的旋轉(zhuǎn)范圍，且在有效角度內(nèi)，是否存在最優(yōu)值，關(guān)系著程序的執(zhí)行效率，所有討論槳a旋轉(zhuǎn)角度最優(yōu)角度很有必要。設(shè)槳a以船舶左舷水平線為0°角，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正角，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù)角，其仿真結(jié)果如圖8所示。采用控制變量法，螺旋槳推力a推力固定，僅改變槳a角度，通過(guò)程序計(jì)算得到槳b推力及角度，最終得到船舶合力值和雙槳推力和的比值，即效率。根據(jù)圖像橫坐標(biāo)范圍可知，槳a旋轉(zhuǎn)角度范圍為240°- 328°之間，在此范圍中，保證系統(tǒng)存在解。同時(shí)隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加螺旋槳效率呈現(xiàn)先升高，然后到達(dá)峰值后平穩(wěn)一段時(shí)間，最后迅速降低。所以當(dāng)輸入角度在260°到320°之間效率值大于0.4，其中當(dāng)角度在290°到300°之間存在最大值0.45。所以槳a角度輸入選取值在290-300之間存在最優(yōu)值。

3.3 無(wú)干擾橫向平移輸出仿真

仿真得出槳a的最優(yōu)角度后，輸入槳a最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角300°，輸入不同的槳a推力值，觀察槳b輸出推力及角度的變化規(guī)律。如圖9所示，選取輸入槳a推力數(shù)值從1依次增加到100時(shí)，輸出槳b推力總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但是推力值不高于槳a的推力值，且兩數(shù)值差值相近。但是槳b的旋轉(zhuǎn)角度近乎不變，維持在66°，上下差1°左右擺動(dòng)。通過(guò)圖線可知，當(dāng)槳a旋角度不變時(shí)，槳a推力值與槳b的推力值變化呈現(xiàn)正相關(guān)，槳b旋轉(zhuǎn)角度的變化與槳a推力值影響不大。通過(guò)圖像可知，在靜水無(wú)干擾的條件下，實(shí)現(xiàn)側(cè)向平移運(yùn)動(dòng)，槳a旋轉(zhuǎn)角度為290-300°之間任意取值時(shí)，僅改變槳a的推力值大小，程序自動(dòng)算出槳b所需要的推力及旋轉(zhuǎn)角度大小，每給一個(gè)槳a推力值，輸出槳b會(huì)有值與之對(duì)應(yīng)，航向角曲線如圖10所示。

3.4 有干擾下橫向平移模擬仿真

實(shí)際船舶航行中，會(huì)存在水流、風(fēng)向等干擾因素，導(dǎo)致靠泊中的船舶偏離航線，無(wú)法持續(xù)保持固定的航線平穩(wěn)航行[7]，所以想要應(yīng)用到實(shí)際水域中，考慮環(huán)境因素的干擾尤為重要，如何抵消航行過(guò)程中的誤差是編寫程序中的難點(diǎn)所在。

在靠泊過(guò)程中為了保持船舶按照預(yù)定航線航行，船體不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，程序中引入了模糊PID算法[8]。PID控制能改善被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性，提高系統(tǒng)抗干擾性及參數(shù)實(shí)變的魯棒性[9]，應(yīng)用到靠泊控制則可以具有很好的穩(wěn)定性[10]。如果船舶偏離航線，PID算法將會(huì)根據(jù)偏轉(zhuǎn)的角度反饋到兩支螺旋槳控制器上，從而控制轉(zhuǎn)速是船體歸正到正確的航線。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真在僅考慮航向偏移時(shí)，將輸入槳a推力和角度分別設(shè)為數(shù)值10和300，模擬實(shí)際航行中船舶偏移航線的情況，即不斷改變靠泊偏移角度。規(guī)定靠泊點(diǎn)和船舶中心的水平角度為0°，順時(shí)針偏移為正角度，逆時(shí)針偏移為負(fù)角度，本研究最大有效偏移角度為正負(fù)50度。模擬圖像如圖11所示，整理偏移角從負(fù)50度逐漸增大到正50度，觀察槳b的推力及角度變化規(guī)律。

通過(guò)仿真模擬可知，偏移角度從-50度到規(guī)定航線0度再到偏移航線50的過(guò)程中，槳b推力是先平穩(wěn)上升，當(dāng)達(dá)到0度左右時(shí)，兩槳推力值最接近，當(dāng)偏移角大于30度時(shí)，推力值迅速上升，達(dá)到2-3倍槳a的推力值;槳b角度變化則是較為平穩(wěn)，保持在80度到60度中間。在偏移誤角度在-50到+50度之間，槳b推力值與偏移誤差呈正相關(guān)規(guī)律，而槳b旋轉(zhuǎn)角度與偏移誤差呈負(fù)相關(guān)規(guī)律。此時(shí)輸出航向角如圖12。

船舶在實(shí)際航行環(huán)境中除了發(fā)生航向角偏移，還有可能發(fā)生船頭偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，就是發(fā)生艏搖，所以考慮船頭偏移時(shí)，需要再引入模糊PID算法。

如圖13所示，變化曲線是加入PID算法的螺旋槳曲線。第一開始階段，船頭沒(méi)有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，正常航行，推力值不發(fā)生變化;第二階段船頭發(fā)生逆時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)，槳a推力先增大，后慢慢減少，槳b推力先減小，后慢慢增大，此時(shí)合力距變大且作用方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，用?lái)抵消船頭角度發(fā)生的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);第三階段圖線交叉點(diǎn)表明了船頭又出現(xiàn)了順時(shí)針?lè)较虻钠?第四階段船身歸正，雙槳推力又達(dá)到平衡狀態(tài)。此時(shí)航向角變化如圖14。

4? 結(jié)束語(yǔ)

本研究主要以基于LABVIE軟件的模擬仿真為主，討論了可旋轉(zhuǎn)螺旋槳在無(wú)環(huán)境干擾和有環(huán)境干擾的情況下，研究了橫向平移靠泊過(guò)程中兩支螺旋槳推力和旋轉(zhuǎn)角度的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用船尾雙旋轉(zhuǎn)螺旋槳能夠?qū)崿F(xiàn)平移航行，對(duì)該類船舶操縱運(yùn)動(dòng)有一定的參考價(jià)值，能夠簡(jiǎn)化靠泊操作流程，增加靠泊效率，提高靠泊的無(wú)人化和智能化。不足之處本文初步建立了船體在靜水條件下的受力分析及模型建立，但是船舶在水中會(huì)受到水流干擾力、風(fēng)流干擾力、慣性流體力等各種復(fù)雜力的存在，所以建立更精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)船舶的控制就會(huì)越精準(zhǔn)，所以下一步需要不斷完善船舶運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。

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