氣墊登陸艇駕控模擬訓練系統設計及仿真*

肖劍波 陸愛杰 馬玉成

（1.海軍工程大學艦船與海洋學院 武漢 430033）（2.中國人民解放軍91278部隊 大連 116000）（3.中國人民解放軍91999部隊 青島 266400）

1 引言

氣墊登陸艇設備眾多、控制系統復雜、航速快，對艇員操縱能力要求很高。高航速決定了其在操縱、避碰方面的難度比普通水面艦艇大很多，這要求艇員必須熟悉和熟練掌握各種情況的處置方法，反應要靈活，動作要迅速，只有這樣才能保證艇的安全航行和機動。氣墊登陸艇的航行狀態較多，分為“浮態”、“氣泡狀態”、“墊態”三種，需要艇員根據不同航行條件做出判斷采用何種狀態航行，并進行相應操縱實現艇航行狀態轉換。這都要求艇員具備較高的訓練水平和較強的應變能力。在某些特殊環境條件下，操作不熟練甚至操作不當，則容易引起該型艇艇體的高速回轉與側滑，最終可能導致埋艏、甩尾、翻船等重大事故[1～2]。

目前，該型艇艇員仍基本依托實艇進行培訓，導致培訓開銷大、周期長，且形成戰斗力慢。采取模擬系統訓練結合實艇操練是一種更為有效的方式，相比于實艇在同等訓練任務的條件下，采用模擬訓練可以極大減少訓練任務的開銷，而且更加安全[3]。在模擬器中進行訓練，可以十分方便地實現各種航行環境、各種任務要求下的訓練，艇（副）長（駕駛員）、艇員都可以在這個過程中迅速積累豐富的經驗，提高處理各種問題、故障的能力。本文以某型氣墊登陸艇駕控系統為研究對象，研究分析氣墊艇駕控模擬訓練系統總體結構、功能要求，在此基礎上對駕控模擬訓練系統的軟、硬件進行設計與開發。

2 駕控系統分析與總體設計

該型氣墊艇駕控系統主要包括該型艇綜合控制系統運動控制部分，涉及相關操舵，螺旋槳調距，側風門啟動關閉等功能。其操縱裝置主要由舵輪、螺旋槳調距手柄以及各種功能的按鍵開關等組成。此外，還包括相關運動、控制信息顯示觸摸屏，顯示導航信息的監視器，以及進行各種信號控制，信息通訊的集中控制柜等。

駕控系統的集中控制柜包含一個施耐德PLC中央處理器模塊，該模塊是該型艇駕控系統的核心，它通過附帶數字量、模擬量輸入模塊讀取駕駛人員的操縱命令，并進行相關處理，再將指令通過Modbus/TCP網絡將信號傳輸至其他控制系統及控制機構，進而完成對氣墊艇的操控。

模擬駕控系統是艇長或艇副長進行氣墊艇模擬駕駛操縱的平臺，為了使訓練更加貼近實際，更為逼真，模擬駕控系統按照1：1比例參照實艇進行制作，并按照實艇的格局進行布設。根據實艇駕控系統的結構組成和功能要求，模擬駕控系統可分為硬件系統和軟件系統兩部分，其中硬件系統主要由機架、操縱裝置、集中控制柜等組成；軟件系統主要由人機交互界面，通信軟件、運動仿真軟件、視景軟件等組成。整個操縱平臺的硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 駕控系統硬件結構框圖

駕控模擬訓練系統各模擬操作臺盤，需要通過接口系統實現模擬開關、儀表、指示燈等輸入輸出元件的信息與仿真計算機之間的交互。本系統在設計中，選擇與實裝同型號施耐德PLC作為接口模塊，并基于Modbus通信協議實現仿真計算機、模擬操作控制臺、教練員計算機之間的連接。方向舵、開關板、控制板等的信號包括模擬量和開關量等不同類型，系統選用數字電位器實現方向舵角度、螺距等的模擬采集；各開關量則接入PLC數字量輸入輸出模塊。

Modbus RTU是一種串行通信協議，是由Modicon公司于1979年發明的用于工業現場的總線協議。該協議是完全公開，沒有版權要求，方便部署和維護，用戶可根據自身需要對協議進行補充，設計符合自身需求實際使用的通信協議。Modbus采用主從式通信，日常使用較多的是Modbus RTU和Modbus TCP/IP兩種協議。Modbus/TCP通訊協議通過將Modbus報文幀插入到TCP報文幀中，使Modbus消息在以太網上傳輸，并結合TCP傳輸控制協議本身具有的嚴格應答機制實現Modbus的傳輸準確性控制[4]。

Modbus/TCP數據幀包含報文頭、功能代碼和數據三個部分，其中，MBAP報文頭分四個域，共7字節。模擬駕控系統中一共包含43個開關量輸入、11個開關量輸出和4個模擬量輸入。通信協議主要包括四個部分：變量名稱、變量地址、變量類型、變量說明。變量名稱以英文或者英文簡寫命名，變量類型根據需要進行通信的信號確定。在不同模塊中，Modbus/TCP通信地址編址的方式不同，所以需要進行四個通信的模塊的變量地址不完全相同，為確保各模塊之間的互通，在定義變量地址時需確認對應關系。

3 氣墊艇三自由度分離型模型

根據歐拉動力學方程以及動力學普遍定理，建立氣墊艇水面運動坐標系[5～7]，得出氣墊艇三自由度運動微分方程如下[3，8～9]：

其中，m為氣墊艇的質量，Izz為艇體繞Z軸的轉動慣量，Χ、Y分別為艇體在Χ、Y方向受到的合外力，N為艇體繞Z軸的合外力矩。

氣墊艇較常規船的操作難度大，受到多種外力和外力矩，且控制氣墊艇回轉、轉向、航行的操縱方式相比于常規船舶更加復雜，有空氣舵、空氣槳、側風門等多種操縱方式。通過機理分析，作用于艇體的外力和力矩又可分為

其中，下標的意義分別為a表示作用在艇體上的空氣型阻力（矩）；m表示空氣動量力（矩）；h表示水動力（矩）；p為空氣螺旋槳推力（矩）；r為舵力（矩）；c為側風門產生的力（矩）。

方便計算，本文將氣墊艇運動模型簡化為三自由度模型[10～12]為

其中，下標A為氣動力，H為水動力，P為螺旋槳力，R為舵力，Iz為氣墊艇對運動坐標系Z坐標軸的轉動慣量。

4 機理建模模型仿真

在前文所述的三自由度運動模型的基礎上，本節對其直線運動和回轉運動進行了仿真分析。

在實際氣墊艇全墊升航行狀態下，會風的影響最大，仿真試驗中選取風作為環境變量。采用風向、風速均隨時間變化的脈動風，風向變化方位在±5°以內，風速變在正負1m/s以內。變化量使用高斯白噪聲生成，再加上設定的風向和風速得到風模型。

1）無風條件下氣墊艇回轉運動

開展中度舵角以下的回轉試驗，采取的舵角為：5°、8°、10°、13°以及15°共5種不同的舵角，仿真中氣墊船的初始位置為原點，初始航速為30節，初始航向為正北方向，在轉向過程中保持空氣螺旋槳的轉速不變，外界環境條件為無風。

圖2為氣墊船在不同舵角下的回轉運動仿真軌跡，圖中菱形點為氣墊艇回轉運動的起點，從圖中可以看出，舵角從小變到大，氣墊船的回轉半徑是逐漸減小的，符合氣墊艇的回轉運動的一般規律。

圖2 氣墊艇回轉運動仿真軌跡

圖3為氣墊船在不同舵角下的回轉運動仿真航速，從圖中可以看出，氣墊艇隨著舵角的增加，航速依次減小，符合氣墊艇在回轉過程航速的變化規律。

圖3 氣墊艇回轉運動仿真航速

圖4為氣墊艇運動仿真的回轉角速度，從圖中可以看出，回轉舵角越大，氣墊艇的回轉角速度越大，與氣墊艇一般回轉角速度變化相符。

圖4 氣墊艇回轉運動仿真回轉角速度

從氣墊艇中度舵以下的回轉試驗中可以看出，無風條件下，回轉運動軌跡、速度、角速度等其他參數隨回轉舵角的變化規律是符合氣墊艇運動規律的，從理論上可以證明建立的模型能夠很好地反映氣墊艇在無風條件下中度舵角以下的回轉試驗。

2）有風條件下氣墊艇回轉運動

考慮到本模型操舵角度不易過大，相應的設置的風速也不易過大，有風條件下的回轉仿真試驗條件分為兩種：一是15°舵角，風速為2m/s，風向角分別為0°、45°、90°、180°；二是風速為2m/s，風向角為0°不變，舵角分別為5°、8°、10°、13°、15°。

第一種條件下，氣墊艇初始航速為30節，螺旋槳轉速在航行中保持不變，改變風向，仿真時間為1000s。回轉仿真軌跡如圖5所示。從圖中可以看出，不論風向如何，風速會使氣墊艇的回轉半徑減小；相同風速下，改變風向會改變氣墊船運動軌跡的走向，且軌跡走向隨風向的變化是符合客觀規律的。

圖5 風向改變的氣墊艇回轉運動仿真軌跡

第二種條件下，氣墊艇初始航速為30節，螺旋槳轉速在航行中保持不變，改變舵角，回轉仿真軌跡如圖6所示。

圖6 舵角改變的氣墊艇回轉運動仿真軌跡

從圖6中可以看出，在相同風速和風向的條件下，隨著舵角的增大，氣墊船回轉半徑會減小，回轉越容易，當風速相對氣墊艇航速過大以后，氣墊船的最終航跡會趨于直線；同時，結合圖5，在風速、風向和舵角相同的情況下，氣墊艇由逆風的航行狀態轉向成順風時，回轉的半徑會變小，由順風狀態轉向成逆風狀態時回轉半徑會變大，甚至當風速相對于舵角過大時，氣墊艇無法從順風狀態轉向成逆風。從定性角度看，所建立的模型能夠很好地模擬氣墊艇在有風情況下中度舵角以下的回轉試驗。

5 結語

為提升操作人員訓練水平，開展了某型氣墊登陸艇駕控模擬訓練系統研制工作。以實艇駕控系統為研究對象，分析了其結構和功能要求，進而對模擬駕控系統進行設計與開發，采用機理分析和辨識方法建立了氣墊艇平面運動模型，基于Modbus/TCP通信協議框架設計了模擬駕控系統的通信協議；采用機理分析的方法建立了氣墊艇三自由度平面運動模型，并進行了相關仿真試驗。仿真結果驗證，系統可模擬實艇相關運動工況，滿足仿真要求。