自航模系统的设计及其在操纵性试验中的应用

［引用格式］卫光.自航模系统的设计及其在操纵性试验中的应用[J].船舶物资与市场,2019(4):33-34.

自航模系统的设计及其在操纵性试验中的应用

卫 光

（黑龙江省科学院技术物理研究所，黑龙江 哈尔滨 150086）

摘 要 ：通过对S175的自航模系统进行分析后，本文初步探索了一种尺度修正的方法。通过对传统自航模系统的应用升级，在以往基础上进行了有效的改进，从而能相对更加高效便捷地进行基本的操纵性实验。且在非传统的操纵性实验上也有望获得进一步突破。此外，采取以Z型实验对船模系统进行有效性方面的验证，也能为将来操作性实验的进一步展开创造有利条件和奠定基石。

关键词：自航模试验；尺度效应；PC/104嵌入式计算机；操纵性试验

中图分类号：U661.7 文献标识码：A DOI:10.19727/j.cnki.cbwzysc.2019.04.006

0 引言

当下，作为船舶操纵性研究的重要手段，自航模试验已经开始受到业内越来越广泛的重视。之所以自航模型实验能获得广泛的重视和使用，究其根源是因为该类实验具有简单、便捷的特性，有利于整个试验活动的展开，其便利性较好，且整个实验过程费用可控，操作性所获得的参数也比较直观，并能得到一阶K、T指数等。

参照实际船舶Z型操纵率定来实际进行船舶模型的率定，接下来以简化的船舶一阶线性操纵性运动方程为依托，对船舶模型操纵试验资料进行分析：

即 。其中 为回转角速度；T为应舵性指

数； 为舵角；K为回转性指数。

在实验中可以得到舵角 和艏向角 随时间的变化曲线(见图1)，然后根据上述公式可以求得船舶操纵性无因次化指数

和 值，从而能对船舶模型与实际船舶进行比较[2]。此外在综合反映K、T 特征参数问题上，可以借鉴瑞典学者诺尔宾所建立的转首指数P ，P ≈0.5( / )。

1 自航模试验相似准则及尺度效应修正

一般来说，在自航模型实验过程中，由于实际船尺寸大小与模型所导致的性能不一致现象，称之为尺度效应，这种现象一般来说主要是因为船舶模型和实际船舶的雷诺数不相同而导致。由于一般来说船舶模型的雷诺数值性对于实际船舶来说小很多，因此会带来一定的影响，从而导致船舶模型的摩擦阻力数字增大[1]。而如果需要使船舶模型客服阻力增大的实际情况，达到实验所要求的实际航速标准，那么势必需要增加螺旋桨的推力，因此会致使螺旋桨后的诱导速度相应增大，同时也会使船舵的升力随之而增加，船舶模型的船舵效率和船舶的直线稳定性也会相应有所增强。此外，船舶模型雷诺数较小，也会导致另一个影响，即使得船舶模型的船舶失速角随之而减小。

常规来说，一般是采取对船舶模型的总体性能进行率定的办法，修正和控制尺度效应。船舶模型实验前，应该彩照实际船舶的操纵性率定的办法，通过率定来对船舶模型与实际船舶的操纵方面性能进行相似度判断。此外，采取修正措施对操纵性的差异进行改造，以进一步满足船舶模型实验与实际船舶航行的相似性。

图1船舶Z形操纵试验中舵角 和艏向角 与时间ti 的关系曲线

可知，当船舶模型的尺度愈接近与实际船舶，那么船舶模型的K.T指数便会与实际船舶的偏离趋于最小化。因此，当下国内在针对船舶模型操纵性能的负修正问题上，通常也是采取减小船舵面积来对其船舵的角度进行修正。

2 自航模系统设计

文章选取船舶模型以S175型集装箱船舶模型为例，所选取船舶模型长度为3.1818 m，比例缩放尺为1:55。S175型集装箱船舶模型的自航模系统可以进行独立的航行实验，该自航模系统中包括有船舶模型、推进系统（其中推进系统包含

收稿日期：2019-03-28

作者简介：卫光（1983-），男，硕士，助理研究员，研究方向为船模系统。

船舶物资与市场 33

基础科技

了电机、螺旋桨等）以及船舵系统（船舵与舵机等），此外还包含有运动控制、姿态控制与测量采集、无线电传输、电力供应系统等[3]。

图2 船模总布置示意图

对应图2数字部分依次为：1、船首 2、船模控制系统盒 3、PC/104嵌入式计算机，Atmeg16单片机、MTI姿态传感器、串口扩展、电平转换电路板 4、连接线 5、36V直流电源 6、船身 7、电机驱动盒 8、电机驱动器、开关电源、无线路由器 9、直流电机 10、船尾 11、船桨 12、舵机13、舵机与船舵的连接轴 14、舵。

3 自航模Z形操纵试验及结果分析

首先对船体模型进行安装，对主要部件如主机、仪器等进行调试，船舶模型下水后进行船舶模型的自航行实验，主要验证以下2个方面的目的：1）对船舶模型的具体性能进行判断，尤其是对于主机的功率、主机的转速以及模型航之间的关系作出有效评价；2）对船舶的螺旋桨、主机与船体之间的配合度情况进行分析，另外也对船舶船舵的转速等进行调试，通过调试让其达到实验所要求的数值[4]。完成上述调试工作后，进行Z形操纵性试验。

3.1 Z形操纵试验

本文所涉及的试验在（30 m，50 m）的水池中进行，通过测量后得知该水池完全满足Z形操纵的条件。航速和运动轨迹的测量由岸基设备完成。

3.2 结果分析

20艏向变化15舵角变化1050-505101520253035-5-10-15-20图3 10度舵角Z形操舵船模艏向响应（100 rpm）

34 船舶物资与市场

30艏向变化20舵角变化1000510152025-10-20-30图4 20度舵角Z形操舵船模艏向响应（100 rpm）

通过试验得到Z形操纵的K、T 指数，经无量纲化得到 、 见表1所示。

表1 Z形试验所得 、 值左舵10°右舵10°左舵20°右舵20°0.950.981.121.150.69

0.67

0.56

0.58

比较可知，在整个的实验过程中，具备相同的航速的前提下，转首时间随着船模舵角增大而减小。说明舵角的增大导致转首时间减小及回转角速度增大，20°舵角时的舵效要好于10°时的。以上现象，与单体船常见操纵性规律一致。因此说明试验结果合理可靠[5]。

参考文献：

[1]范尚雍.船舶操纵性[M].北京：国防工业出版社，1988.

[2]H SHIN,H S PARK,C S YANG, et al.Motion Analysis by Free-Running Model Test[C]// Proceedings of theTwelfth(2002)International Offshore and Polar Engineering Conference, Kitakyushu Japan,May 26-31,2002.

[3]严伟,金峰,韩继斌.船模试验技术及应用[J].湖北水利发电, 2008, (1):10~12.

[4]吴秀恒,张乐文,王仁康.船舶操纵性与耐波性[M].北京:人民交通出版社,1998.

[5]苏兴翘，高士奇，黄衍顺.船舶操纵性[M].北京：国防工业出版社，1988.