魏榕根
泉州海洋职业学院 福建省泉州市 362700
摘要：随着经济和科技水平的快速发展，操纵性是船舶重要的水动力性能之一，它与船舶航行安全密切相关，在船舶的设计阶段需对其操纵性能进行评估。操纵性自航模试验是评估船舶操纵性能的重要技术手段。浅水中操纵性自航模试验结果的不确定度水平。给出了操纵性自航模试验结果的不确定度水平，包括Z形试验的超越角及回转试验的纵距、战术直径和稳定回转直径。并针对回转试验的回转直径及Z形试验的超越角进行了不确定度计算。对操纵性自航模试验的不确定度分析方法进行研究，形成自航模试验的不确定度分析方法；并以某集装箱船为研究对象，给出了回转试验和Z形试验的不确定度水平。
关键词：操纵性;自航模试验;不确定度
引言
由于气垫船自航模自由航行不受约束，且距离岸基有一定距离，其远程无线控制尤为关键。在保证远程控制指令数据长距离传输稳定的同时，气垫船自航模其自身操作的复杂性，也应保证其远程控制系统具备大量数据互换的能力。该文针对用于无约束状态下的模型试验气垫艇船自航模远程控制方法进行详细介绍，其中包括气垫船自航模自控系统与远程控制实施方法。
1系统工作流程
系统工作流程分为两部分：一部分是图像采集和处理并与伺服系统形成闭环，调节船模成像到图像的正中心；另一部分是当船模成像到达图像正中心后，采集当前水平与垂直伺服系统的角度，计算当前船模坐标并与上一坐标点进行关联，绘制运行路径。
2自航模试验简介
本文介绍的气垫船自航模总长小于5m，总重小于200kg它不同于常规水线面船艇，具有总重轻、航速高的特征，还包含水线面船艇所没有的围裙、空气螺旋桨、垫升风机、空气舵等特种设备。同时，所进行的试验需在无障碍物的开阔水域进行，水域面积不小于1.5km×1.5km，数据传输距离长和数据传输同时性也需要保障。自航模运动进行非线性仿真试验时，选择在开阔水域以获得相对真实的试验数据，因此，开阔水域对自航模远离岸基的远程操作控制提出了较高的要求。此外，还需对研制的气垫船自航模位置、航速、姿态、气垫压力和运动等参数进行测试。对垫升风机、推进电机、舵机和风门电机等重要设备需进行远程控制。
3自航模自控系统
3.1回转试验不确定度
开展了目标船在设计航速状态下，舵角为35??的回转试验，为分析重复试验不确定度水平，重复试验不少于10次。在回转试验中测量了船模的运动轨迹、航向、舵角等参量，并从回转轨迹获得表征回转性能的特征参量，如回转直径、纵距和战术直径等。采用B类不确定度分析方法，依据轨迹测量设备的检定证书，可知测量不确定度为0.1003%。采用A类不确定度分析方法，得到重复试验的不确定度水平。基于3自由度操纵运动方程，进行设计航速下目标船的回转计算，获得不确定度源（船长、船宽、吃水、舵弦长、舵展长、舵角和航速）的不确定度放大因子及其对回转直径、纵距和战术直径的影响水平。
3.2大数据量控制要素的传输
该自航模无线远程控制选用的是ZP3000系列，远程控制网关是一种物联网无线通信网关，支持国际通用标准的FDD-LTE、TDD-LTE、WCDMA（HSPA+）、CDMA2000（EVDO）、TD-Scdma等3G/4G移动宽带网络制式，提供方便快速的高速网络传输功能。
该系列产品采用高性能的32位专业网络通信处理器，以嵌入式实时操作系统为软件支撑平台，为用户提供安全，高速，稳定可靠的3G/4G无线路由网络，并支持2个以太网RJ45接口和通信串口。该系列产品可广泛应用于工业现场各类PLC和触摸屏的远程控制，程序上下载及状态监控等。各类网络设备、232/485串口设备点对点通信、视频监控和串口数据采集等。
3.3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。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。
3.4图像获取技术
由于自航模呈不规则形状，并且光学环境较为复杂，如果直接使用可见光成像，那么对于在所拍摄图像中的自航模较难识别，并且结果不稳定。为了解决这个问题，我们采用红外成像方法，即在自航模上中心位置安装近红外信号灯（近红外LED），然后采用在近红外波段响应比较灵敏的CMOS相机，并且在相机镜头上安装可见光滤波片，将900nm以下的光全部截至，这样最终成像为黑色背景上的一个亮斑（近红外信号灯成的像）。这样的画面，对图像处理较为容易，并且稳定性较好。在本系统中，由于该相机在近红外波段响应率很高，并且当其数据传输采用USB3.0、曝光时间设置为10ms、帧率约为100Hz时，图像质量及传输均达到要求。
3.5航模试验
在某大型气垫船模型试验中，为更全面地对运动状态下的自航模型进行研究，自航模试验选择在苏州某湖泊开阔水域进行无约束自航试验。试验主要目的是测试加速、制动、回转和航向稳定等运动性能，试验内容主要包括直航和惯性试验、回转试验等。进行自航模试验时，将所需操作各项指令集成于驾控台，从岸基驾控台进行远程控制。自航模惯性试验中，自航模加速到要求航速稳定一定时间后，通过岸基驾控台远程控制来降低推进风机转速。控制指令发出时，参数采集仪器能明显记录其速度变化。自航模回转试验中，自航模直航加速到要求航速后，通过岸基远程控制操纵空气舵角度。从岸基驾控台控制指令发出。在自航模各系试验中，通过操作岸基控制界面向自航模船载控制系统发出控制命令，船载控制系统依据不同的控制命令进行相应的运动，可实现岸基系统对船载系统的远程控制功能。同时，岸基系统能够实时获得船载系统的各项参数信息，可完成船载系统与岸基系统的远程通信功能。通过各系统协调配合，以满足研究母型船试验所需的航行要求。
结语
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，关于船舶操纵性自航模试验的不确定度尚未形成完整的分析体系。开展了操纵性自航模试验，并针对同一工况开展了多次重复试验，对进一步提高船舶操纵性自航模试验精度提供技术支撑。
参考文献
[1]马向能,孙张群,冯骏.测量不确定度分析在操纵性试验中的应用[J].船舶力学,2020(5):52-61.
[2]潜程.操纵性自航模试验中的不确定度分析[D].武汉:武汉理工大学,2018.