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    船舶操縱性約束模測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

    2024-02-29 04:32:12馬雪泉謝鳳偉吳永順
    關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)處理導(dǎo)數(shù)平面

    王 飛,馬雪泉,謝鳳偉,吳永順

    (1.上海交通大學(xué) 船建學(xué)院,上海 200240;2.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司,上海 200135;3.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011)

    0 引言

    船舶操縱性是船舶一種最為基本的航海性能,隨著現(xiàn)代新型船舶的出現(xiàn)、航運(yùn)業(yè)的發(fā)展及海上航行密度的提高,新建船舶必須滿足國(guó)際海事組織“IMO船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)”中的要求,為此需要在設(shè)計(jì)階段展開(kāi)研究,準(zhǔn)確預(yù)報(bào)實(shí)船的操縱性能。迄今通過(guò)建立運(yùn)動(dòng)方程,展開(kāi)約束模實(shí)驗(yàn),確定水動(dòng)力導(dǎo)數(shù),來(lái)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算,是預(yù)報(bào)船舶操縱性基本的、可靠的研究手段[1-3]。

    約束模實(shí)驗(yàn)通常采用平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(PMM,planar motion mechanism)在水池或水槽中展開(kāi),其可以進(jìn)行斜拖、橫蕩、艏搖及組合等諸多約束模實(shí)驗(yàn)。約束模實(shí)驗(yàn)的基本原理在理論上很早就已經(jīng)提出,但作為實(shí)際工程應(yīng)用問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)這些原理的技術(shù),鮮有公開(kāi)文獻(xiàn)發(fā)表,特別是精確的、可靠的實(shí)驗(yàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)[3-4]。為此本文以此為背景,利用已有的平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)備,展開(kāi)測(cè)量與數(shù)據(jù)分析技術(shù)研究。設(shè)計(jì)測(cè)量軟硬件方案,推導(dǎo)數(shù)據(jù)處理與分析算法,編寫(xiě)程序,以期實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在線測(cè)量、分析與處理。為保證系統(tǒng)的自主性,本文不借助Matlab、LabView等外部工具,基本及主要功能內(nèi)部自主實(shí)現(xiàn)。

    1 測(cè)量分析系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

    約束模實(shí)驗(yàn)通常利用平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在拖曳水池或水槽中展開(kāi),其中平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定于拖車(chē)框架上,一般獨(dú)立操控;船模通過(guò)測(cè)力天平經(jīng)過(guò)可升降的無(wú)摩擦機(jī)構(gòu)連接于平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上,船模自由升沉縱傾。實(shí)驗(yàn)時(shí)平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)船模向前運(yùn)動(dòng),流體作用在船模上的作用力最終以模型約束力的形式作用在測(cè)量天平上,這些作用力輸入測(cè)量分析系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理分析。

    對(duì)應(yīng)的測(cè)量及數(shù)據(jù)分析程序,為保證效率與便捷性,具有以下基本功能:

    1)作用力及傳感器等信號(hào)在線采集顯示;

    2)數(shù)據(jù)采集兼具手動(dòng)開(kāi)始及觸發(fā)開(kāi)始;

    3)平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)測(cè);

    4)舵角螺旋槳轉(zhuǎn)速等外設(shè)的在線操控;

    5)較完善的數(shù)據(jù)后處理功能,包括水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)的在線計(jì)算及圖表繪制;

    6)良好的擴(kuò)展性,以兼容不同的儀器設(shè)備。

    相對(duì)于其它常規(guī)測(cè)量系統(tǒng),本文系統(tǒng)需要在有較強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下,精確解決橫蕩艏搖等動(dòng)態(tài)約束模實(shí)驗(yàn)的零相位起始整周期測(cè)量問(wèn)題;確保測(cè)量在運(yùn)動(dòng)周期的零相位開(kāi)始,并精確測(cè)量整數(shù)個(gè)周期。

    根據(jù)這些目的,本文在已有的平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,組建了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析系統(tǒng)。為了確定橫蕩、艏搖等動(dòng)態(tài)約束模實(shí)驗(yàn)的零相位,本文在平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上額外設(shè)置了開(kāi)始觸發(fā)裝置(光電開(kāi)關(guān)),并將其接至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的觸發(fā)端口上。

    整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備主要包括以下幾部分:

    1)平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu):本實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備,運(yùn)動(dòng)幅度達(dá)1.0 m,為獨(dú)立操控。

    2)數(shù)據(jù)采集:康泰克多功能PCI數(shù)據(jù)采集卡1套,16位精度,采集的數(shù)據(jù)包括測(cè)力天平作用力、平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)姿態(tài)、觸發(fā)信號(hào)等。

    3)運(yùn)動(dòng)控制:研華4路步進(jìn)/伺服電機(jī)控制卡1套,用于控制舵角及螺旋槳轉(zhuǎn)速。

    4)光電開(kāi)關(guān):采用紅外對(duì)射光電開(kāi)關(guān),TTL數(shù)字信號(hào)輸出以降低干擾;數(shù)量共3個(gè),其一安裝于平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中心,作為觸發(fā)信號(hào)使用;另兩個(gè)安裝于兩側(cè),用于左右限位報(bào)警。

    5)輔助機(jī)構(gòu):舵角控制采用步進(jìn)電機(jī),螺旋槳轉(zhuǎn)速控制采用伺服電機(jī),共4個(gè)電機(jī),分別對(duì)應(yīng)左舵右舵和左槳右槳;線位移傳感器及角位移傳感器各一個(gè),用于測(cè)量平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的橫向位移和艏向角度。

    1.1 數(shù)據(jù)采集方案

    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由16位32通道康泰克PCI數(shù)據(jù)采集卡組成,其具有硬件觸發(fā)啟動(dòng)及觸發(fā)停止功能,用于采集測(cè)力天平的輸出電壓信號(hào),同時(shí)采集角位移及線位移傳感器等信號(hào),配合測(cè)量分析程序完成數(shù)據(jù)的在線采集、處理、顯示及存盤(pán)等功能。

    1.2 零相位整周期測(cè)量方案

    對(duì)于橫蕩、艏搖等動(dòng)態(tài)約束模實(shí)驗(yàn),其測(cè)量起始點(diǎn)需要從正弦函數(shù)y=sin(ωt)的相位零點(diǎn)開(kāi)始,也即一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的起始時(shí)刻開(kāi)始數(shù)據(jù)采集。由于PMM從開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到穩(wěn)定自身有一個(gè)啟動(dòng)過(guò)程,前面2、3個(gè)周期是過(guò)渡的,后續(xù)周期才是穩(wěn)定可用的。精準(zhǔn)控制(計(jì)時(shí)控制精度為毫秒級(jí))在一個(gè)周期的起始時(shí)刻開(kāi)始數(shù)據(jù)采集,手工無(wú)法實(shí)現(xiàn),只能采用硬件觸發(fā)的方式開(kāi)啟。

    本文采用以數(shù)字信號(hào)輸出的紅外光電對(duì)射開(kāi)關(guān),以觸發(fā)方式來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集。其中光電開(kāi)關(guān)位于PMM中心位置,其信號(hào)接至數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)端口,當(dāng)其光線沒(méi)被阻擋時(shí)輸出低電平,而當(dāng)PMM由左側(cè)運(yùn)動(dòng)至該位置時(shí)光線被其上的一微小擋板阻斷,光電開(kāi)關(guān)輸出5 V高電平,數(shù)據(jù)采集卡自動(dòng)開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集。同時(shí)為數(shù)據(jù)處理檢測(cè)之用,該觸發(fā)信號(hào)一并接入采集卡的采集通道。

    在編寫(xiě)測(cè)量分析系統(tǒng)程序時(shí),需將采集模式設(shè)置為觸發(fā)啟動(dòng)模式。程序中,點(diǎn)擊開(kāi)始后首先使用采集卡觸發(fā)函數(shù)AioSetAiStartTrigger 設(shè)置信號(hào)上升沿為啟動(dòng)模式,然后使用函數(shù)AioResetAiMemory和AioStartAi啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集,此時(shí)程序并未開(kāi)始采集數(shù)據(jù),只是監(jiān)測(cè)觸發(fā)信號(hào),收到觸發(fā)信號(hào)后才真正開(kāi)始采集。待采集3、4個(gè)周期后,使用AioStopAi停止采集。

    數(shù)據(jù)采集完成要停止時(shí),因傅里葉分析的要求,采樣時(shí)長(zhǎng)必須精確地為運(yùn)動(dòng)周期的整數(shù)倍,手工無(wú)法實(shí)現(xiàn),硬件觸發(fā)停止也有諸多不便。本文采用軟件方法實(shí)現(xiàn):數(shù)據(jù)采集完成后,對(duì)光電開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行處理,檢測(cè)其上升沿信號(hào),以最后一個(gè)偶數(shù)次上升沿作為停止時(shí)刻,此時(shí)刻之前的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù),進(jìn)行在線處理,此后的數(shù)據(jù)直接忽略。

    1.3 平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)

    監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是為了實(shí)時(shí)記錄整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),主要作參考之用,為后期數(shù)據(jù)處理分析提供運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)。該部分由角位移傳感器、線位移傳感器和數(shù)據(jù)采集卡組成。其中角位移傳感器通過(guò)塑料絕緣件連接于平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的艏搖軸上,線位移傳感器通過(guò)塑料絕緣件連接于平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的橫蕩機(jī)構(gòu)上,這兩個(gè)傳感器信號(hào)全部接入數(shù)據(jù)采集卡由采集系統(tǒng)進(jìn)行后臺(tái)采集。

    1.4 槳舵的控制

    本文采用研華四路運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)程控船模的舵角和螺旋槳轉(zhuǎn)速,舵角采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制,螺旋槳轉(zhuǎn)速采用伺服電機(jī)進(jìn)行控制,以CW/CCW脈沖方式運(yùn)行[5]。其中第1,2路用于控制左、右舵的舵角,以點(diǎn)位模式運(yùn)行;第3,4路用于控制左、右槳的轉(zhuǎn)速,以速度模式運(yùn)行。

    測(cè)量分析程序中,舵角的控制采用如下方式實(shí)現(xiàn):使用函數(shù)Acm_SetF64Property設(shè)置轉(zhuǎn)舵的起始速度(PAR_AxVelLow)、運(yùn)行速度(PAR_AxVelHigh),加速度(PAR_AxAcc)、減速度(PAR_AxDec)和TS過(guò)渡曲線(PAR_AxJerk),為減小轉(zhuǎn)舵擾動(dòng),運(yùn)行速度應(yīng)為小量,可設(shè)置為1~3°/s;然后使用Acm_AxMoveAbs或Acm_AxChangePos驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)舵角。螺旋槳轉(zhuǎn)速的控制實(shí)現(xiàn)方法類(lèi)似,首先使用函數(shù)Acm_SetF64Property設(shè)置起始速度、運(yùn)行速度、加速度、減速度及過(guò)渡曲線,其中運(yùn)行速度為螺旋槳的目標(biāo)轉(zhuǎn)速,然后使用函數(shù)Acm_AxMoveVel或Acm_AxChangeVel轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋槳;停止則使用Acm_AxStopDecEx函數(shù)。

    2 約束模方程及數(shù)據(jù)處理方法

    本文采用如下三自由度船舶操縱性運(yùn)動(dòng)控制方程:

    (1)

    式中,m,Izz分別為船舶的質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;u,v,r分別為船舶縱向、橫向速度及轉(zhuǎn)首角速度,其上面的點(diǎn)表示對(duì)時(shí)間求導(dǎo),即運(yùn)動(dòng)加速度;X,Y,N分別為船舶縱向、橫向及艏向的約束力;而各個(gè)帶下標(biāo)的X,Y,N分別為對(duì)應(yīng)的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù),如Xuu為縱向水動(dòng)力關(guān)于u的二階導(dǎo)數(shù),Yv為橫向水動(dòng)力關(guān)于v的一階導(dǎo)數(shù),限于篇幅其余導(dǎo)數(shù)意義可參考文獻(xiàn)[3],而對(duì)應(yīng)的無(wú)因次導(dǎo)數(shù)在其后加撇號(hào)(’)表示。本文限于篇幅僅簡(jiǎn)要給出斜拖、橫蕩和艏搖3種約束模實(shí)驗(yàn)的方程及數(shù)據(jù)分析處理方法。

    2.1 斜拖數(shù)據(jù)處理

    斜拖實(shí)驗(yàn)為穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn),船模運(yùn)動(dòng)速度為U,漂角為β,其余運(yùn)動(dòng)參數(shù)為零,將其代入式(1)得斜拖約束模方程:

    (2)

    式中,u=Ucos(β),v= -Usin(β),Xuu本文用零漂角的值直接進(jìn)行計(jì)算;對(duì)于該斜拖方程,在測(cè)量完不同漂角的約束力后,將其轉(zhuǎn)換為基本的y=a+bx線性函數(shù),應(yīng)用最小二乘擬合算法[6-8]計(jì)算各水動(dòng)力導(dǎo)數(shù),轉(zhuǎn)換公式為:

    (3)

    根據(jù)操縱性研究國(guó)際慣例,需將有因次導(dǎo)數(shù)轉(zhuǎn)換為無(wú)因次形式,本文采用C=F/(0.5ρL2U2)的形式進(jìn)行無(wú)因次化。

    2.2 橫蕩數(shù)據(jù)處理

    橫蕩為動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn),一般只用于分析慣性類(lèi)水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)。船模速度為U,平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)橫向作y=a·sin(ωt)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)幅值為a,角頻率為ω,將其求導(dǎo)確定橫向速度及加速度并代入式(1),得橫蕩約束模方程:

    Yvva2ω2|cos(ωt)|cos(ωt)

    Nvva2ω2|cos(ωt)|cos(ωt)

    (4)

    根據(jù)傅里葉分析的原理[6-8],對(duì)應(yīng)水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)為:

    (5)

    式中,F(xiàn)ourier_sin1(Y)表示計(jì)算作用力Y的傅里葉sin項(xiàng)1階次系數(shù),其余類(lèi)似。

    (6)

    2.3 艏搖數(shù)據(jù)處理

    艏搖實(shí)驗(yàn)為動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn),船模速度為U,平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)橫向作y=a·sin(ωt)運(yùn)動(dòng),艏向作Ψ=arctan(aω/Ucos(ωt))運(yùn)動(dòng),漂角β≡0,將這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)代入式(1),并進(jìn)行傅里葉分析,可得到對(duì)應(yīng)的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)的艏搖運(yùn)動(dòng)方程:

    Fourier_cos0{X-XuuU2[1+k2cos2(ωt)]}

    (7)

    Fourier_sin1(Y-ma2ω2sin(ωt)cos(ψ))

    (8)

    (9)

    Fourier_sin1(N)

    (10)

    式中,k=aω/U,ψ為艏向角,以上各水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)本文建議用合速度周期均值Um進(jìn)行無(wú)因次化,其均值近似為:

    (11)

    為保證精度,特別是高階項(xiàng)導(dǎo)數(shù)的精度,需要改變幅值a進(jìn)行(≥5)個(gè)工況的測(cè)量。在所有工況測(cè)量完成后,根據(jù)式(7)~(10)應(yīng)用最小二乘擬合算法計(jì)算各個(gè)水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)。其最小二乘轉(zhuǎn)換公式為同式(3)、(6)類(lèi)似,限于篇幅不再給出。

    3 測(cè)量分析程序

    在以上工作的基礎(chǔ)上,本文編寫(xiě)了測(cè)量及數(shù)據(jù)處理分析程序[8-12]。該程序全部采用C語(yǔ)言編寫(xiě),可運(yùn)行于Win2000~Win10系統(tǒng),主要功能內(nèi)部自主實(shí)現(xiàn),程序界面如圖2所示。為兼顧擴(kuò)展性,程序分為兩大部分,即專(zhuān)用的主控程序部分和通用的輔控程序部分(舵角控制、轉(zhuǎn)速控制、運(yùn)動(dòng)指示等),輔控程序由主控程序聯(lián)機(jī)在線自動(dòng)操控,也可手控運(yùn)行。

    圖2 船舶約束模測(cè)量分析程序

    程序中已內(nèi)置配套傳感器的系數(shù),可以直接使用,也可重新標(biāo)定。數(shù)據(jù)記錄方面,采用Excel以多頁(yè)表形式存儲(chǔ)所有設(shè)置性、結(jié)果性數(shù)據(jù),而原始測(cè)量數(shù)據(jù)因數(shù)量巨大則以二進(jìn)制文件另行保存。

    在進(jìn)行測(cè)量前,首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)類(lèi)型將程序數(shù)據(jù)處理方式調(diào)至斜拖、橫蕩或艏搖等界面;并根據(jù)需要進(jìn)行傳感器系數(shù)標(biāo)定及零點(diǎn)采集。

    測(cè)量時(shí),程序在線完成數(shù)據(jù)的采集與結(jié)果的計(jì)算處理,并記錄存盤(pán)。當(dāng)每組約束模所有工況完成后,通過(guò)程序菜單或字符控制臺(tái)模式,進(jìn)入水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)的在線分析處理界面,在線計(jì)算各水動(dòng)力導(dǎo)數(shù),檢驗(yàn)導(dǎo)數(shù)擬合曲線及原始測(cè)點(diǎn)曲線。如發(fā)現(xiàn)擬合曲線和測(cè)點(diǎn)曲線偏差較大,則表明數(shù)據(jù)可能存在較大誤差,可直接再次進(jìn)行重新測(cè)量即可,而不用等后期發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后再來(lái)重測(cè)。

    3.1 傳感器標(biāo)定

    作為一項(xiàng)基本功能,程序已內(nèi)置傳感器的標(biāo)定功能。標(biāo)定時(shí)將程序數(shù)據(jù)處理調(diào)至標(biāo)定界面,根據(jù)需要進(jìn)行測(cè)力傳感器、線位移傳感器及角位移傳感器的標(biāo)定。

    本文采用兩點(diǎn)線性方法標(biāo)定:

    y=k(u-u0)

    (12)

    其中:y為傳感器對(duì)應(yīng)的物理量,u為傳感器輸出電壓,u0為電壓零點(diǎn)。標(biāo)定流程如圖3所示(以線位移傳感器為例)。

    圖3 傳感器系數(shù)標(biāo)定流程

    其中,需保證精度兩步中傳感器的物理量差(y2-y1)足夠大,否則忽略該傳感器的標(biāo)定,其仍采用原先值。

    標(biāo)定結(jié)束后,程序自動(dòng)記錄這些傳感器系數(shù)和電壓零點(diǎn)。因傳感器的零點(diǎn)在不同情況下一般會(huì)出現(xiàn)一些變化,故程序中電壓零點(diǎn)可以單獨(dú)另行設(shè)置。

    3.2 數(shù)據(jù)在線采集與處理

    因作者通常使用的數(shù)據(jù)采樣速率均較高(≥1 000 Hz),程序中不能采用軟件輪詢的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。本文采用硬件緩存采集方式進(jìn)行,簡(jiǎn)要方案或步驟如下。

    1)進(jìn)行采集設(shè)置:設(shè)置數(shù)據(jù)采樣率,采樣通道,設(shè)置后臺(tái)FIFO緩存采集方式。

    2)設(shè)置后臺(tái)回調(diào)函數(shù),此函數(shù)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)在線采集與處理,并繪制顯示實(shí)時(shí)曲線;為防止程序堵塞,該回調(diào)函數(shù)僅進(jìn)行最基本的數(shù)據(jù)處理與顯示。

    3)數(shù)據(jù)采集完成后,停止當(dāng)前工況的采集,對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。對(duì)于斜拖,因其是穩(wěn)態(tài)工況,直接計(jì)算各約束力(X,Y,N)的均值并作記錄;對(duì)于橫蕩艏搖等動(dòng)態(tài)工況,首先對(duì)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行處理以確定實(shí)際運(yùn)動(dòng)周期,然后采用傅里葉分析,計(jì)算約束力的各個(gè)階次的傅里葉系數(shù),本文中計(jì)算零階至三階傅里葉系數(shù),并作記錄。

    待每組約束模所有工況完成后,進(jìn)行水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)的在線處理;采用式(2)、(3)對(duì)斜拖中間結(jié)果進(jìn)行最小二乘擬合確定斜拖導(dǎo)數(shù),采用式(5)~(10)對(duì)橫蕩艏搖結(jié)果進(jìn)行最小二乘擬合確定其各自導(dǎo)數(shù)。

    3.3 主控輔控程序的互聯(lián)

    在測(cè)量過(guò)程中,為提高效率,輔控程序自動(dòng)接受并執(zhí)行主控程序指令,無(wú)需手工介入。聯(lián)機(jī)時(shí)主控程序自動(dòng)下發(fā)運(yùn)動(dòng)指令并監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),輔控程序則接收指令驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),并向主控返回當(dāng)前狀態(tài)。在程序中,它們之間采用以下方式建立通訊互聯(lián):

    1)主控程序使用函數(shù)FindWindow 搜尋輔控程序。

    2)主控程序使用函數(shù)SendMessage 向輔控程序發(fā)送握手消息,輔控程序應(yīng)答,建立通訊。

    3)主控、輔控程序使用函數(shù)PostMessage 互相通訊互聯(lián)。

    4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量及分析

    在測(cè)量分析系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后,本文進(jìn)行了簡(jiǎn)單的實(shí)際測(cè)試,以驗(yàn)證以上各項(xiàng)工作。測(cè)量對(duì)象如圖4所示,船模長(zhǎng)度為2.485 m,船模質(zhì)量m=56.5 kg(m′=0.071 9);實(shí)驗(yàn)水溫21 ℃,流體密度997.996 kg/m3;船模運(yùn)動(dòng)速度根據(jù)實(shí)船目標(biāo)航速采用傅汝德相似原理進(jìn)行確定,為1.017 m/s;斜拖時(shí),漂角工況共11個(gè),分別為β=-30,-20,-15,-10,-5,0,5,10,15,20,30°;橫蕩及艏搖時(shí),PMM運(yùn)動(dòng)設(shè)定周期10 s,運(yùn)動(dòng)幅度a=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 m。下面給出具體的測(cè)量結(jié)果,并作簡(jiǎn)要分析。

    圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量船模

    4.1 測(cè)量過(guò)程及結(jié)果分析

    斜拖實(shí)驗(yàn)為穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)測(cè)量,漂角依次由-30°調(diào)整至+30°,每工況采樣時(shí)間≥20 s,取其時(shí)間均值作為最終結(jié)果,表 1給出了斜拖不同漂角時(shí)的模型約束力。

    表1 斜拖約束力測(cè)量結(jié)果

    因船體左右對(duì)稱,理論上,約束力X關(guān)于漂角偶對(duì)稱,約束力Y和N關(guān)于漂角奇對(duì)稱。但測(cè)量中因模型加工誤差、安裝偏差、測(cè)力天平誤差等各種因素影響,這3個(gè)約束力關(guān)于漂角并不完全對(duì)稱性。測(cè)量結(jié)果顯示,約束力X對(duì)稱性稍差,其原因?yàn)閄數(shù)值較小,一個(gè)小的誤差就會(huì)產(chǎn)生較大的影響;而約束力Y和N因其數(shù)值較大,誤差影響較小,其對(duì)稱性比較理想。整體而言,斜拖測(cè)量結(jié)果是比較理想的。

    橫蕩和艏搖實(shí)驗(yàn)為動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)測(cè)量,實(shí)驗(yàn)時(shí)首先啟動(dòng)平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行橫蕩艏搖運(yùn)動(dòng),待平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)2,3個(gè)周期到達(dá)穩(wěn)定后,然后在程序中點(diǎn)擊開(kāi)始采集,以觸發(fā)啟動(dòng)方式開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集,隨后當(dāng)平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到中間,也即相位零點(diǎn)時(shí),程序根據(jù)光電開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào),自動(dòng)開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集。

    圖5和圖6給出了部分橫蕩和艏搖測(cè)量結(jié)果,圖中包括了模型約束力(X,Y,N),觸發(fā)信號(hào)(Trig)及平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)橫向位移y和艏向角Ψ的歷時(shí)曲線,其中觸發(fā)信號(hào)單位為電壓V,橫向位移單位為m,艏向角單位為rad。

    圖5 橫蕩測(cè)量原始數(shù)據(jù)

    圖6 艏搖測(cè)量原始數(shù)據(jù)

    結(jié)果顯示:數(shù)據(jù)采集開(kāi)始時(shí)刻正好對(duì)應(yīng)觸發(fā)信號(hào)前面的上升沿,無(wú)延后或超前;觸發(fā)信號(hào)約5秒一次,分別對(duì)應(yīng)0°和180°相位,高電平時(shí)間極短,僅幾十個(gè)毫秒,對(duì)應(yīng)光電開(kāi)關(guān)被擋板阻擋的時(shí)間;約束力(X,Y,N)橫蕩時(shí)表現(xiàn)為較理想三角函數(shù)曲線,而艏搖時(shí)則表現(xiàn)為變形的三角函數(shù)曲線,其原因?yàn)楦唠A項(xiàng)作用力的影響較大以致曲線變形;而平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)橫向位移曲線y,為理想的正弦函數(shù)曲線,零時(shí)刻位移y=0,運(yùn)動(dòng)幅值和設(shè)定值一致,可以認(rèn)為平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),測(cè)量系統(tǒng)姿態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果同預(yù)期結(jié)果一致;圖6顯示艏搖時(shí),艏向角曲線同位移曲線相差90°相位,角度幅值和設(shè)定值一致,符合預(yù)期結(jié)果。

    根據(jù)以上測(cè)量結(jié)果可以認(rèn)為,本文開(kāi)發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)及編寫(xiě)的測(cè)量程序在穩(wěn)態(tài)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量、觸發(fā)采集、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)等方面,測(cè)量結(jié)果和預(yù)期結(jié)果一致,滿足約束模實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)要求。

    4.2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

    根據(jù)以上測(cè)量結(jié)果,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析,以確定對(duì)應(yīng)的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)。根據(jù)式(3)對(duì)斜拖數(shù)據(jù)進(jìn)行在線數(shù)據(jù)處理,結(jié)果如圖7所示,其中的點(diǎn)線為測(cè)量數(shù)據(jù),連續(xù)曲線為導(dǎo)數(shù)的擬合結(jié)果;可見(jiàn)X作用力擬合有些偏差,其導(dǎo)數(shù)精度可能有些偏低,而Y,N作用力擬合結(jié)果很好,說(shuō)明Y,N導(dǎo)數(shù)的精度較高。

    圖7 斜拖水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)處理結(jié)果

    根據(jù)式(5)、(6)對(duì)橫蕩數(shù)據(jù)進(jìn)行在線數(shù)據(jù)處理,結(jié)果如圖8所示。

    圖8 橫蕩水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)處理結(jié)果

    根據(jù)式(7)~(10)對(duì)艏搖數(shù)據(jù)進(jìn)行在線數(shù)據(jù)處理,結(jié)果如圖9所示。

    圖9 艏搖水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)處理結(jié)果

    根據(jù)以上處理結(jié)果可以看出,測(cè)量結(jié)果同水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)的擬合曲線,除個(gè)別點(diǎn)外均符合得較好;說(shuō)明了本文測(cè)量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析處理方法的正確性與可靠性。

    綜合以上各圖表,船舶的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)如表2所示。

    4.3 觸發(fā)信號(hào)及運(yùn)動(dòng)周期分析

    橫蕩及艏搖測(cè)量結(jié)果曲線顯示,數(shù)據(jù)采集起始時(shí)刻位于觸發(fā)信號(hào)(Trig)的上升沿起點(diǎn)及止點(diǎn)之間,但上升沿時(shí)間極短,不足1~2 ms,觸發(fā)信號(hào)(光電開(kāi)關(guān)信號(hào))上升沿在采集系統(tǒng)中不一定會(huì)記錄下來(lái)。

    故在測(cè)量完成后確定實(shí)際運(yùn)動(dòng)周期時(shí),需將光電開(kāi)關(guān)信號(hào)起始的1~2 s數(shù)據(jù)跳過(guò),檢測(cè)其后第偶數(shù)次(偶數(shù)次對(duì)應(yīng)360°相位)上升沿信號(hào)作為實(shí)際周期;同時(shí)結(jié)果顯示觸發(fā)信號(hào)中有一定的噪聲,為剔除噪聲干擾本文建議以觸發(fā)信號(hào)上升幅度大于50%高電平作為判斷基準(zhǔn),以確保系統(tǒng)的可靠性。

    同時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)存在橫蕩艏搖運(yùn)動(dòng)實(shí)際周期同設(shè)定值不一致問(wèn)題。實(shí)測(cè)結(jié)果圖5及圖6顯示第4周期的上升沿對(duì)應(yīng)約40.026 s,對(duì)應(yīng)周期為10.006 5 s,同設(shè)定周期10 s相比偏差約為0.7‰。其原因可能為PMM和測(cè)量系統(tǒng)的計(jì)時(shí)基準(zhǔn)有些差異;為了保證數(shù)據(jù)處理精度,本文建議使用實(shí)測(cè)周期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

    4.4 噪音與振動(dòng)問(wèn)題

    測(cè)量結(jié)果顯示,信號(hào)噪聲及振動(dòng)一直比較大,特別是靠近PMM艏搖電機(jī)的地方,而離其較遠(yuǎn)的線位移傳感器噪聲則相對(duì)小許多,這些噪聲可能會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定的負(fù)面影響。為了減小噪聲干擾[13-20],可能要增設(shè)零相移濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理,這些待以后改進(jìn)。

    5 結(jié)束語(yǔ)

    本文的工作解決了船舶操縱性約束模實(shí)驗(yàn)測(cè)量中相關(guān)應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題,基于平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)給出了較為完整的約束模實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析系統(tǒng),并成功應(yīng)用于實(shí)際工程實(shí)驗(yàn)。文中采用數(shù)據(jù)采集卡、運(yùn)動(dòng)控制卡及各類(lèi)傳感器等組建了約束模測(cè)量系統(tǒng),并采用光電開(kāi)關(guān)來(lái)精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)橫蕩艏搖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)啟動(dòng),解決了動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中的零相位整周期測(cè)量問(wèn)題;推導(dǎo)給出了約束模各水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)的數(shù)據(jù)處理分析方法,采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了較為完善的約束模實(shí)驗(yàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理分析程序,可實(shí)現(xiàn)約束模實(shí)驗(yàn)的在線處理與分析,完成各水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)的辨識(shí)。通過(guò)實(shí)際測(cè)量,驗(yàn)證了本文所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)。本文研究的展開(kāi),對(duì)于類(lèi)似實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)或技術(shù)的開(kāi)發(fā)可提供有益參考。

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