一种新型水面无人艇操纵性试验分析

马天宇，杭 岑，杨松林

(1.中国舰船研究院，北京 100101；2.上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125；3.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)



一种新型水面无人艇操纵性试验分析

马天宇1，杭 岑2，杨松林3

(1.中国舰船研究院，北京 100101；2.上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125；3.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

设计制作一种从艇舯向艇艉横向对称加装短翼型片体的新型自控水面无人艇(Unmanned Surface Vehicle，USV)模型，开展了多种工况状态下的自航模操纵运动试验，主要包括惯性试验、回转试验和Z形操舵试验。通过分析试验数据得到的相应结论，可为新型USV艇型操纵运动性能的研究提供技术支撑和参考。

水面无人艇；操纵运动；模型试验；惯性试验；回转试验；Z形操舵试验

0 引言

USV是一种具有自主或半自主航行能力的水上无人运动平台，操纵性是衡量USV航行性能优劣的一个重要指标。良好的操纵性使USV在完成任务时更加机动灵活，并可提高水上生存能力。

近年来，USV的操纵性引起了众多学者的关注。文献[1]考虑国际海上避碰规则，提出一种基于快速扩展随机树(RRT)算法的USV寻优路径避碰系统，通过仿真和全尺寸试验，验证了该系统的鲁棒性。文献[2-3]对一艘双体USV的导航、制导、控制和路径规划等方面进行了研究，设计了包含瞄准线导航点和人工偏移方案的障碍物检测与避碰策略。文献[4]提出一种约束USV偏航角速度的路径规划算法，可实时在栅格地图上显示生成有效路径。文献[5]讨论了一种基于相对坐标下的USV运动规划方法。文献[6]利用最小二乘支持向量机辨识方法得到了无人滑行艇艏向响应方程中的一、二阶线性与非线性参数，并设计了艏向控制系统和仿人脑模型智能运动控制系统。文献[7]考虑了定常风的干扰，对USV在风压作用下的操纵运动性能进行了仿真研究。

综上，国内外在USV的避碰、运动规划、仿真实验等方面开展了较多研究工作，但在操纵性模型试验方面的尝试比较少。本文针对一种新型水面无人艇开展了自航模操纵性试验:惯性试验、回转试验和Z形操舵试验。

1 艇型设计

采用“母型艇改造法”，设计制作一种新型自控USV模型，其艇型特点是：在滑行艇艇体两侧的艇舭部采用双折角线线型，从艇舯向艇艉横向对称加装短翼型片体。这样设计的目的主要有两点：第一，可以有效抑制高速航行时滑行面的侧向飞溅，快速性良好；第二，可以起到减摇并改善航行稳定性的作用[8]。新型USV模型艇体效果图如图1所示。表1给出了新型USV模型的主要参数。

图1 新型USV模型艇体效果图

主尺度符号数值单位艇长L1.50m艇宽B0.46m型深D0.19m设计吃水T0.13m设计排水量Δ50kg设计航速V5kn

2 试验方案和步骤

惯性试验在江苏科技大学拖曳水池中进行，该水池长100 m，宽6 m，水深3 m。回转试验和Z形操舵试验在江苏科技大学室外游泳池中进行，该水域长50 m，宽25 m，最大水深2 m。

2.1 惯性试验

航行中的USV在接受到新的指令或遇到障碍物时，经常需要面临突然停船的情况,因而，开展惯性试验，对于研究USV的机动性和停船性能具有一定意义。

为方便记录USV的冲程距离，选择USV在直航运动情况下，突然停船利用惯性沿原有航向移动。通过加载砝码设定0.13、0.14、0.145 m这3种不同吃水，并设定1.5～2.1 V 7组不同主机控制电压作为组合工况。自USV起始点沿拖曳水池方向，在池边分别标记10 m加速段和20 m测速段，记录测速段的时间，计算航速。同时记录关闭主机后的冲程时间和惯性距离。每一工况试验后，将艇模拖回起始点，待水面余波消散后，再进行下一种状态试验。

2.2 回转试验

水面无人艇的回转性是指通过操舵使其进行圆周运动的性能。作为一种典型运动状态，定常回转运动是USV操纵性试验的重要研究内容。考虑露天的试验条件，为方便采集数据并保证数据的精度，基于VB.NET语言编写了USV回转运动控制程序，通过给定艇载可编程自动控制器(PAC)不同的舵角信号，使艇模执行程序，完成回转试验。艇模上的差分全球定位系统(DGPS)可以有效采集试验过程中艇模的位置、航速等信息, 回转试验中DGPS记录的轨迹如图2所示。为全面探究航速、舵角对USV回转直径的影响，通过加载砝码，调节主机转速，设计0.13、0.14、0.145 m 3种不同吃水状态下，1.8、2.0、2.2 V 3种控制电压和20°、25°、30°、35° 4种不同舵角(左舵)的组合工况回转试验。

2.3 Z形试验

Z形试验旨在研究USV在左右交替操舵时的操纵性能。预先设定好主机的控制电压，使艇模以某一航速先进行直线航行，达到稳定后，由核心控制器PAC发出操舵指令。艇模首先打右舵5°并保持，艇体向右逐渐转向，当艏向角也达到5°时，立即打左舵5°并保持，艇体向右转艏的角速度不断减小，直至消失，然后艇体将逐渐向左转向，当艏向角再次与舵角(此时即为5°)的值相同时，再打右舵5°，重复上述过程，直至完成5次操舵为止。Z形试验如图3所示。艇载三维电子罗盘在试验过程中将自动采集舵角和艏向角，DGPS记录位置和航速，所有数据均保存在PAC中。基于以上试验流程，设计了1.06、1.21、1.4 kn 3种不同航速状态下，5°/5°，10°/10°和15°/15°的Z形试验。

图2 回转试验中DGPS记录的轨迹

图3 Z形试验

3 试验结果分析

3.1 惯性试验数据分析

根据惯性试验记录的航速及关闭主机后，艇模冲程时间和惯性距离，分别得到USV在3种不同的吃水状态下航速随电压变化的曲线、冲程时间随电压变化的曲线和惯性距离随电压变化的曲线。这3种曲线图分别如图4、图5和图6所示。

图4 惯性试验中航速随控制电压变化曲线

分析图4可知：随着控制电压增大，航速也随之增大。在控制电压为1.5～1.9 V范围内，航速的增幅较为剧烈；当控制电压大于1.9 V时，航速增幅减缓。比较图中3条曲线，随着艇模吃水增大，航速整体有所减小。当控制电压分别为1.5 V和1.8 V时，吃水为0.145 m状态下的航速比吃水为0.14 m状态下的航速略高，但最大增幅仅为0.02 kn。

图5 冲程时间随控制电压变化曲线

图6 惯性距离随控制电压变化曲线

从图5可知：随着控制电压增大，冲程时间经历了一个“先增大—后减小—再增大”的过程。吃水为0.13 m时，冲程时间减小发生在1.9～2.0 V电压之间；对于吃水为0.14 m的状态，冲程时间减小发生在1.8～1.9 V电压之间；对于吃水为0.145 m的状态，冲程时间减小发生在1.7～1.9 V之间。可见，随着吃水增大，艇模冲程时间出现减小趋势的控制电压拐点值越来越小。在1.5～1.7 V电压范围内，吃水越大，冲程时间也越长。但在控制电压大于1.8 V以后，随着吃水增大，冲程时间先增后减。结合图4，当航速处于0.655 ～1.456 kn范围内时，影响冲程时间的因素主要是排水量，控制电压增大，航速增高，排水量越大冲程时间就越长。随着航速增高至1.638 kn以后，影响冲程时间的因素主要是艇模的阻力，一方面航速较高，停船后的冲程段中摩擦阻力较大；另一方面，艇模在狭长的水池里航行不可避免地将受到池壁反射波干扰，兴波阻力随航速的增加也会变大。当吃水从0.13 m增加至0.14 m时，艇模冲程时间仍然有变长的趋势，但当吃水从0.14 m增加至0.145 m时，艇模冲程时间反而变短，这说明在同一电压下，随着艇模吃水增大，冲程时间是由艇模的惯性和阻力共同决定的。

从图6可知：当控制电压从1.5 V增大至2.0 V时，3种吃水状态下艇模的惯性距离均逐渐增大。但当控制电压从2.0 V增至2.1 V时，吃水为0.13 m和0.14 m状态下的惯性距离呈现减小的趋势；吃水为0.145 m时，惯性距离仍在增大，但增幅很小。结合图4，此时艇模的航速介于2.119～2.371 kn的范围内。随着吃水变大，艇模的惯性距离也变大，说明从整体角度出发，惯性距离和排水量呈现出明显的正相关，即惯性越大，惯性距离越大。特别是，在控制电压为1.5～1.6 V时，3种吃水状态下，惯性距离随控制电压增大而增加的变化趋势特别明显。此外，艇模在吃水为0.14 m状态下，当控制电压从1.7 V增加至1.8 V时，惯性距离增加得也很剧烈。

3.2 回转试验数据分析

根据回转试验方案，每种状态下的回转运动进行2次，并记录航速和回转直径的平均值。

图7给出了回转试验中，3种吃水状态下的航速随控制电压变化的曲线。分析可知：随着控制电压增大，航速也逐渐增大；吃水越大，航速越小，这与吃水增大，艇模阻力增大的事实相符。在吃水为0.14 m和0.145 m的状态下，当控制电压从1.8 V增大到2.0 V时，航速增加较为明显。当控制电压从2.0 V增大到2.2 V时，3种吃水状态下的航速增加趋势基本一致，呈现出明显的线性关系。

图7 回转试验中航速随控制电压变化曲线

图8给出了吃水为0.13 m状态下，回转直径随航速变化的曲线。分析可知：20°和25°舵角状态下，随航速增大，回转直径先增大再减小；30°和35°舵角状态下，随航速增大，回转直径也逐渐增大。

图9给出了吃水为0.14 m状态下，回转直径随航速变化的曲线。其变化规律与图8类似，但略有不同，具体分析可知：20°、25°和30°舵角状态下，随航速增大，回转直径先增再减。在35°舵角状态下，随航速增大，回转直径逐渐增大。

图8 吃水为0.13 m时回转直径随航速变化曲线

图9 吃水为0.14 m时回转直径随航速变化曲线

图10给出了吃水为0.145 m状态下，回转直径随航速变化的曲线。分析可知：20°舵角状态下，随航速增大，回转直径先增大再减小。在25°、30°和35°舵角状态下，随航速增大，回转直径逐渐增大。

图10 吃水为0.145 m时回转直径随航速变化曲线

综合观察比较图8～图10可以发现：回转直径随航速的变化在局部有一定的线性规律，并且随着舵角逐渐增大，相应的回转直径整体减小。

图11给出了在控制电压为1.8 V状态下，回转直径随舵角变化的曲线。分析可知：3种吃水状态下，回转直径均随舵角的增大而减小。在吃水从0.13 m变化至0.14 m状态的过程中，相应的回转直径整体增大，并且在这2种吃水状态下，回转直径随舵角增大而变化的规律很相似，呈现较为规则的线性递减规律。在吃水从0.14 m变化至0.145 m状态的过程中，相应的回转直径整体减小。结合图7，随着吃水的增大，航速逐渐减小，相应的回转直径先整体增大，然后整体减小。只有在25°舵角时，吃水0.145 m状态下的回转直径比吃水0.13 m状态下对应的回转直径大；在20°、30°和35°舵角时，吃水0.145 m状态下的回转直径均比吃水0.13 m状态下对应的回转直径小。

图11 1.8 V控制电压下回转直径随舵角变化曲线

图12给出了在控制电压为2.0 V状态下，回转直径随舵角变化的曲线。分析可知：3种吃水状态下，回转直径均随舵角的增大而减小。特别是，在吃水0.14 m状态下，随着舵角由25°增大到30°，以及在吃水0.145 m状态下，随着舵角由20°增大到25°，相应的回转直径减小得幅度非常大。在吃水从0.13 m变化至0.14 m状态的过程中，相应的回转直径整体增大。在吃水从0.14 m变化至0.145 m状态的过程中，相应的回转直径整体减小。

图12 2.0 V控制电压下回转直径随舵角变化曲线

图13给出了在控制电压为2.2 V状态下，回转直径随舵角变化的曲线。分析可知：3种吃水状态下，回转直径均随舵角的增大而减小。在吃水从0.13 m变化至0.14 m状态的过程中，相应的回转直径整体增大。在吃水从0.14 m变化至0.145 m状态的过程中，相应的回转直径整体减小。当舵角从30°增加至35°的过程中，3种吃水状态下相应的回转直径较为接近。结合图7，随着吃水的增大，航速逐渐减小，相应的回转直径整体先增大再减小。

图13 2.2 V控制电压下回转直径随舵角变化曲线

综合观察比较图11～图13可以发现：在不同的控制电压下，回转直径随舵角的增大而减小，整体上呈现负相关规律，这与图8～图10中得到的规律相吻合，并且随着吃水的增加，回转直径先增后减。

3.3 Z形试验数据分析

整理试验中得到的舵角、艏向角和航速数据，分别计算得到各操舵情况和控制电压试验状态下，第1超越角Ψov1、第2超越角Ψov2、第3超越角Ψov3，转向滞后时间TL2、TL3、TL。

图14给出了艇模在5°/5°操舵时，3个超越角随航速变化的曲线。分析可知：随着航速增大，超越角也逐渐增大。当航速为1.06 kn和1.21 kn时，第2超越角Ψov2最小；当航速为1.4 kn时，第3超越角Ψov3最小。

图14 5°/5°操舵时超越角随航速变化曲线

图15给出了艇模在10°/10°操舵时，3个超越角随航速变化的曲线。分析可知：随着航速增大，超越角也逐渐增大。当航速为1.06 kn时，第3超越角Ψov3最小；当航速为1.21 kn和1.4 kn时，第2超越角Ψov2最小。

图15 10°/10°操舵时超越角随航速变化曲线

图16给出了艇模在15°/15°操舵时，3个超越角随航速变化的曲线。分析可知：随着航速增大，超越角也逐渐增大。在1.06、1.21、1.4 kn航速下，第2超越角Ψov2均为最小。结合图14和图15可知：随着Z形操舵角增大，3个超越角也整体随之增大。

图16 15°/15°操舵时超越角随航速变化曲线

超越角在USV避碰运动中意义十分重大，工程上通常以第1超越角作为衡量船舶转动惯性的参数。结合图14～图16，对于新型USV，在多种情况下第2超越角Ψov2是3个超越角中最小的值，因而观察第1超越角Ψov1和第2超越角Ψov2随航速的变化曲线，如图17所示。从图中可知：第1超越角Ψov1和第2超越角Ψov2均随航速的增大而增大，并且随着Z形操舵角的增大，第1超越角Ψov1和第2超越角Ψov2也相应地增大；在15°/15°操舵情况下，Ψov1和Ψov2最大，说明艇模此时的转动惯性最大。同时，随着操舵角增大，Ψov1和Ψov2的增加呈现越来越剧烈的趋势。

转向滞后是指每次进行反向操舵通过零舵角的瞬间，至船舶达到最大转艏角时的时间间隔。工程上常以第2超越时间TL2和第3超越时间TL3的平均值即TL作为衡量船舶转动惯性的一种度量，并且可以作为船舶跟从性的一个衡量指标。TL越小，跟从性也越好。

图17 第1超越角Ψov1和第2超越角Ψov2随航速变化曲线

图18给出了艇模在3种Z形操舵情况下，TL随航速变化的曲线。观察可知：在5°/5°操舵情况下，TL随航速的增大呈现先增大后减小的变化；在10°/10°和15°/15°操舵情况下，TL均随航速的增大而减小。当航速分别为1.06 kn和1.21 kn时，TL随操舵角的增大而减小；当航速为1.4 kn时，TL随操舵角的增大，先减小再增大。可见，航速的增大和操舵角的增大，有利于TL的减小，即零舵角之后出现零角速度的之后时间减小。针对图18，在航速为1.4 kn，10°/10°的操舵情况下，TL最小，说明此时艇模的转动惯性最小，跟从性最好。

图19～图21给出了艇模在3种Z形操舵情况下，艏向角随时间变化的曲线。对比观察可知：随着Z形操舵角的增大，艏向角变化周期均有所增大。对于同一操舵角情况下，随着航速增大，艏向角的变化周期逐渐缩短，但艏向角的幅值有所增大。

根据野本谦作提出的“K-T标准算法”[9]，计算各操舵角情况下的回转性指数K和应舵指数T值，并根据下式进行无因次化处理，得到K′和T′。

图18 转向滞后时间TL随航速变化曲线

图19 5°/5°操舵时艏向角随时间变化曲线

图20 10°/10°操舵时艏向角随时间变化曲线

图21 15°/15°操舵时艏向角随时间变化曲线

式中：L为艇长，m；V为航速，m/s。

分别将5°/5°、10°/10°和15°/15°操舵情况下的K′和T′随航速的变化绘成曲线，分别如图22和图23所示。

图22 K′随航速变化曲线

图23 T′随航速变化曲线

分析图22和图23可知：回转性指数K′随航速的增加而减小。3种操舵角情况下，航速由1.06kn增加到1.21kn过程中K′的降速比航速由1.21kn增加到1.4kn过程中K′的降速要大。应舵指数T′随航速的增加而增大。同时，回转性指数K′和应舵指数T′均随操舵角的增大而减小。其中，K′的值减小的趋势逐渐平缓，这与操舵角增大、回转阻尼系数有所增加有关。

4 结论

本文通过对一种新型USV惯性试验，回转试验和Z形操舵试验数据的分析，得出的主要结论有：

(1)不同排水量的艇模随航速逐渐增加，冲程时间主要取决于阻力和惯性。当主机控制电压增大到一定范围时，艇模的惯性距离不再随排水量增加而继续增加。

(2)回转直径随航速的变化在局部有线性规律，但没有整体呈现正相关或负相关。随舵角逐渐增大，相应回转直径整体减小。在不同控制电压下，回转直径随舵角增大而减小，呈负相关规律，并且随着吃水的增加，回转直径先增大后减小。

(3)操舵角越大，Ψov1和Ψov2越大，艇模的转动惯性越大。航速增大和操舵角增大，有利于TL的减小。在航速为1.4kn，10°/10°操舵时，艇模转动惯性最小，跟从性最好。回转性指数K′和应舵指数T′均随操舵角的增大而减小，其中，K′值变化较平缓，即操舵角增大，回转阻尼系数有所增大，产生了一定的非线性影响。

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[9] 吴秀恒．船舶操纵性与耐波性[M]．北京：人民交通出版社，1999．

2016-01-05

马天宇(1989—)，男，助理工程师，硕士，研究方向为舰船总体;杭岑(1990—)，女，助理工程师，硕士，研究方向为船舶与海洋工程;杨松林(1956—)，男，教授，研究方向为船舶与海洋结构物设计制造。

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