噴水推進(jìn)船舶二維控制手柄優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳 穎，趙 楠，孟堃宇

(1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)第八軍事代表室，上海 200011；2. 中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

0 引 言

噴水推進(jìn)船舶普遍采用一種集首向操縱和正/倒車控制功能于一體的二維手柄，其很好融合了噴水推進(jìn)操縱性能佳、機(jī)動(dòng)性高的優(yōu)點(diǎn)，具有無級調(diào)節(jié)、控制精度高、可切換多操縱模式的技術(shù)特點(diǎn)，能夠適應(yīng)大多數(shù)場景的船舶操縱需求[1]。但針對一些特定情況的操縱要求，如提升小舵角范圍以及多工況的操縱感，增加緊急停車功能等，現(xiàn)有二維手柄無法直接實(shí)現(xiàn)，且需要操船人員具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)。為此在現(xiàn)有二維手柄操縱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對其硬件結(jié)構(gòu)和控制策略開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)新的功能，提升駕控體驗(yàn)。

1 結(jié)構(gòu)和控制原理

噴水推進(jìn)依靠吸入與噴射水流的動(dòng)量差產(chǎn)生推力，并經(jīng)由安裝在噴口后方的操舵倒航機(jī)構(gòu)偏折高速噴射流從而產(chǎn)生船舶操舵力和倒車力。由于這種噴射流是矢量流，可以通過控制噴水推進(jìn)裝置的方向舵舵角、倒航斗位置和主機(jī)轉(zhuǎn)速的方式調(diào)節(jié)該矢量流的大小、方向，進(jìn)而調(diào)節(jié)船舶的航行姿態(tài)[2]。噴水推進(jìn)船舶二維手柄操縱系統(tǒng)基于對上述這些獨(dú)立且連續(xù)變化參數(shù)的控制實(shí)現(xiàn)船舶操縱。

圖1 為一種通用型噴水推進(jìn)二維手柄控制單元，主要包括：1）轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)，手柄本體繞垂直于水平面的Z軸旋轉(zhuǎn)至左、右最大舵角（一般為±30°），對噴水推進(jìn)的方向舵實(shí)施指令控制，實(shí)現(xiàn)對船舶首向的操縱；2）推進(jìn)系統(tǒng)，手柄操縱桿繞與紙面垂直的Y軸向前或向后推進(jìn)多個(gè)檔位（一般為±5 檔，也可參考螺旋槳推進(jìn)改為-3～+5 檔），同時(shí)對倒航斗位置和主機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)施聯(lián)合指令控制，實(shí)現(xiàn)對船舶的正/倒航、加/減速等的操控。除上述兩大系統(tǒng)外，還包括指示燈、顯示屏、功能按鍵等附屬結(jié)構(gòu)。

圖1 一種二維手柄操縱單元Fig. 1 Two-dimensional handle control unit

圖2 手柄操舵/斗指令信號傳遞原理框圖Fig. 2 Principle diagram of steering and reversing control signals transmission

在電氣控制原理方面，手柄操縱單元接收駕駛員物理指令后，會(huì)向主控計(jì)算機(jī)發(fā)送操縱指令信號。操舵和倒斗-主機(jī)指令兩路信號由手柄內(nèi)部旋轉(zhuǎn)電位器經(jīng)分壓產(chǎn)生，并經(jīng)過信號放大板轉(zhuǎn)換為DC0～5 V 電壓或DC4～20 mA 電流輸出標(biāo)準(zhǔn)信號。該信號直接傳輸至主控計(jì)算機(jī)AD 信號采樣口，作為操舵或操斗和主機(jī)轉(zhuǎn)速的聯(lián)合控制輸入信號使用。主控計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略程序?qū)⑿盘栠M(jìn)一步解算為實(shí)際舵角、倒斗位置和主機(jī)轉(zhuǎn)速需求，進(jìn)一步發(fā)送至底層控制器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作，形成完整的控制閉環(huán)[3]。

2 功能優(yōu)化

本文對二維手柄操縱系統(tǒng)的功能優(yōu)化設(shè)計(jì)基于目標(biāo)船的實(shí)際需求開展：1）有在狹窄的航道內(nèi)航行的需求，但由于噴水推進(jìn)轉(zhuǎn)舵響應(yīng)靈敏，為防止誤操作導(dǎo)致船體碰壁，希望能提升小舵角范圍內(nèi)（≤6°）的操縱體驗(yàn)；1）有多工況和緊急停車的操縱需求，手柄要兼顧最高航速、巡航、低速航行等工況，且在特殊狀態(tài)下能實(shí)現(xiàn)緊急停船。

2.1 小舵角優(yōu)化

噴水推進(jìn)裝置舵角運(yùn)動(dòng)范圍為±30°，在二維手柄單元上的操舵指令行程范圍為120°，如圖1 所示。因指令放大倍數(shù)僅2 倍，在駕駛過程中，會(huì)存在因操縱過猛而導(dǎo)致出現(xiàn)大舵角的情況，這對于狹窄航道內(nèi)航行比較危險(xiǎn)。考慮到若再加倍拓寬操舵行程的范圍（擴(kuò)大至240°）會(huì)導(dǎo)致手柄駕控體驗(yàn)變差，故最后采取的措施是僅加倍小舵角（≤6°）的指令范圍但不改變總行程的設(shè)計(jì)方案。分別從操舵策略曲線和手柄刻度指令兩方面實(shí)施[4]：如圖3(a)所示，策略曲線中橫坐標(biāo)為手柄操舵指令輸入量，縱坐標(biāo)為實(shí)際操舵指令。原始曲線（虛線）為直線，即輸入20%時(shí)，指令也為20%。現(xiàn)優(yōu)化加倍小舵角后（實(shí)線），將前12 輸入值對應(yīng)的輸出值減小一半至6，相當(dāng)于拓寬了指令輸出20%以內(nèi)的操縱范圍，而后面斜率加大，舵角變化加快；另一方面，策略曲線調(diào)整后手柄刻度也許進(jìn)行調(diào)整，由于二維手柄中指令刻度與電位器輸出值是線性對應(yīng)的，故只需要修改刻度盤即可，如圖3(b)所示。

圖3 手柄操舵曲線和刻度盤Fig. 3 Modifications on the steering curve and handle dial

2.2 多工況優(yōu)化

根據(jù)任務(wù)需求本船存在最大航速、正常巡航、低速航行、駐航、怠速倒車和全速倒車等多種工況，希望在手柄檔位中得到體現(xiàn)。手柄控制單元的檔位設(shè)計(jì)參考螺旋槳推進(jìn)的慣例，采用進(jìn)5 檔、零位和倒3 檔的方案，共9 檔。各重要推進(jìn)工況和檔位分布如表1所 示。

表1 倒航斗與轉(zhuǎn)速聯(lián)合控制曲線Tab. 1 Reversing bucket and rotation rate control curve

各推進(jìn)工況受噴水推進(jìn)倒航斗位置和轉(zhuǎn)速2 個(gè)參數(shù)同時(shí)控制，為簡化用戶操作，通常將這2 個(gè)參數(shù)采用聯(lián)控策略曲線的方式控制。根據(jù)噴水推進(jìn)航行特性預(yù)報(bào)的結(jié)果，得到各工況下的轉(zhuǎn)速和倒航斗位置情況（見表1），并繪制了聯(lián)控曲線，如圖4 中的“正常”曲線。在手柄推至“+2”和 “+4”檔的過程中，曲線均采用直線過渡。

圖4 手柄正常推進(jìn)和緊急停車聯(lián)合控制曲線Fig. 4 Control curve under normal propulsion and emergency stop condition

通過上述優(yōu)化，手柄操控系統(tǒng)已能夠滿足多工況推進(jìn)的要求，根據(jù)實(shí)船試航結(jié)果還要對曲線進(jìn)行微調(diào)。最后，為進(jìn)一步提高多工況的操控體驗(yàn)，在重要檔位加入了“指令反饋”結(jié)構(gòu)：對二維手柄推進(jìn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)副增加了一種彈簧滾珠結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。轉(zhuǎn)動(dòng)副由推桿和基座構(gòu)成，在基座上均勻布置數(shù)個(gè)彈簧滾珠結(jié)構(gòu)；通常狀態(tài)下可以作為軸承支撐推桿在基座上轉(zhuǎn)動(dòng)；在推桿上設(shè)計(jì)3 個(gè)凹坑，當(dāng)滾珠運(yùn)動(dòng)進(jìn)入凹坑后，操作者將獲得反饋，表示此時(shí)手柄已處于重要檔位，提升了駕控體驗(yàn)。

圖5 手柄指令反饋結(jié)構(gòu)Fig. 5 Instruction feedback structure

2.3 緊急停車

通常情況下，為了保護(hù)船體結(jié)構(gòu)和船上人員安全，在噴水推進(jìn)船的降速過程中均采用圖4 中的“正常”控制曲線，即轉(zhuǎn)速先下降，然后倒航斗逐漸關(guān)閉，利用水流的阻力停航，直至達(dá)到“駐航”穩(wěn)定狀態(tài)。緊急停車工況是指船從最大航速狀態(tài)緊急剎車，要求船在最短的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和停車距離內(nèi)將航速降低至0。因此在轉(zhuǎn)速和倒航斗控制中采取極限的控制方案，即主機(jī)不降轉(zhuǎn)速而直接關(guān)閉倒航斗，曲線如圖4 中的“緊急”所示。

除增加緊急停車曲線外，在手柄功能實(shí)現(xiàn)方面，為提高操縱系統(tǒng)集成度和駕控體驗(yàn)，創(chuàng)造性的將緊急停車聯(lián)合控制曲線也加入到手柄控制中。在最高航速狀態(tài)下，當(dāng)駕駛?cè)藛T在0.5 s 內(nèi)將手柄推桿從+5 檔迅速拉至-3 檔時(shí)，控制程序判定此次操作為“緊急停車”狀態(tài)，此時(shí)推進(jìn)聯(lián)合控制曲線將按圖4 中的點(diǎn)劃線“緊急”執(zhí)行。此時(shí)，倒航斗將迅速關(guān)閉，但轉(zhuǎn)速不降，實(shí)現(xiàn)了緊急停車功能。而若駕駛?cè)藛T拉手柄推桿的速度較慢，則控制程序仍采用圖4 中的“正常”聯(lián)控曲線緩慢停船。

3 仿真分析

基于噴水推進(jìn)船舶運(yùn)動(dòng)控制原理和噴水推進(jìn)推力分配理論[5]，在Matlab 軟件中的Simulink 平臺上，對上述手柄操縱系統(tǒng)的優(yōu)化內(nèi)容開展船舶運(yùn)動(dòng)的模擬仿真。

3.1 仿真原理

根據(jù)船舶操縱原理，在描述船船在水中的操縱運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常采用2 種不同的坐標(biāo)系：一種是相對于地球靜止的固定坐標(biāo)系E-ξηγ，用于描述船舶的位置信息；另一種坐標(biāo)系則是隨船運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系GXYZ，X軸沿船長方向，Y軸沿船的橫剖面方向，Z方向則沿船的豎直方向，用于描述船體自身的縱蕩、橫蕩、垂蕩，以及繞3 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，橫搖、縱搖和首搖等6 種運(yùn)動(dòng)方式。這2 個(gè)坐標(biāo)系均采用右手法則確定。由于本文關(guān)注的是噴水推進(jìn)船在水平面的操縱控制，僅涉及到XY平面內(nèi)的縱蕩、橫蕩和首搖3 個(gè)自由度，其他方向的運(yùn)動(dòng)暫時(shí)忽略。

考慮船舶在較為寬闊的海域航行時(shí)，根據(jù)日本MMG（manoeuvring model group）提出的運(yùn)動(dòng)分離思想、適用于常規(guī)（螺旋槳式）船舶操縱性方程組，結(jié)合噴水推進(jìn)器模型的特性和外界干擾，建立適用于噴水推進(jìn)船舶三自由度矢量控制模型的方程組如下：

式中：u，v，r分別是在船體運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下的縱向速度、橫向速度、首搖角速度；ψ為相對于地球坐標(biāo)系下的船舶首搖角；mx，my，Jzz均為船體附加質(zhì)量及附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；m為船體質(zhì)量；X，Y，N分別為船體所受縱向、橫向力及力矩；下標(biāo)H代表噴水推進(jìn)器所產(chǎn)生的力或力矩，下標(biāo)S代表船體所受粘性水動(dòng)力或水動(dòng)力矩，下標(biāo)W表示船體所受外界干擾力或力矩。

建立船舶的運(yùn)動(dòng)方程后，噴水推進(jìn)的推力特性計(jì)算可以歸結(jié)為噴水推進(jìn)系統(tǒng)、主機(jī)功率和船體三方面的平衡：噴水推進(jìn)系統(tǒng)的推力要與設(shè)計(jì)工況下的船體阻力和系統(tǒng)的附加阻力相平衡；主機(jī)的功率、扭矩要和推進(jìn)泵吸收的功率、扭矩相平衡；推進(jìn)器的揚(yáng)程與系統(tǒng)水力損失相平衡。

推力平衡方程為：

功率平衡方程為：

推進(jìn)泵揚(yáng)程與系統(tǒng)總損失平衡方程為：

式中：T為推力；V0為船速；Vj為噴速；α為伴流利用系數(shù)；β為動(dòng)能利用系數(shù)；hc為泵內(nèi)水位提升高度；k1為管道系統(tǒng)損失系數(shù)；Kj為噴口損失系數(shù)；t為推力減額系數(shù)；ρ為介質(zhì)的密度；g為重力加速度。

利用上述公式，結(jié)合噴泵的Q，H，ηp性能曲線，經(jīng)計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行可以得到各轉(zhuǎn)速n對應(yīng)的平衡推力T。通過噴水推進(jìn)推力分配機(jī)理，在已知主機(jī)轉(zhuǎn)速n，舵角θ以及倒車斗的位置角度γ等參數(shù)的條件下，得到噴水推進(jìn)裝置產(chǎn)生推力T的大小和方向，進(jìn)而通過對2 臺推進(jìn)器的異步控制，實(shí)現(xiàn)對船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的調(diào)整。

3.2 小舵角操縱仿真

在Simulink 平臺中輸入船的相關(guān)參數(shù)：本文仿真目標(biāo)船為13 m 高速船，排水量約9 t，采用雙機(jī)雙泵推進(jìn)，主機(jī)功率240 kW，最大航速不低于40 kn。

為模擬小舵角優(yōu)化后手柄操舵系統(tǒng)船舶運(yùn)動(dòng)情況，在Simulink 平臺開展仿真試驗(yàn)：假定船以6 kn 航速低速航行，并開展Z 型操舵試驗(yàn)[6]。

試驗(yàn)1：未優(yōu)化手柄時(shí)，駕駛員操縱手柄將舵角從0°操縱至+12°位置，然后反向操縱至–12°，其后再操縱至+12°，如此反復(fù)。

試驗(yàn)2：優(yōu)化后的手柄，駕駛員操縱手柄將舵角指示從0°操縱至+6°位置，然后反向操縱至–6°，其后再操縱至+6°，如此反復(fù)。

由于兩試驗(yàn)在手柄刻度盤上的行程相同，故默認(rèn)駕駛員以相同的速率進(jìn)行操舵，仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖6 手柄優(yōu)化前后的操舵指令和船舶仿真運(yùn)動(dòng)軌跡情況對比Fig. 6 Comparison of steering control command and ship motion simulation trail

模擬仿真對比軌跡的結(jié)果表明：在不改變操舵方法的前提下，手柄操縱系統(tǒng)經(jīng)優(yōu)化后，船舶小舵角運(yùn)動(dòng)軌跡明顯改善，船從原來的最大首向偏移幅值約13 m縮減為7 m，幅值縮小近46%，效果非常明顯。尤其是對于20 m 寬的河道，采用本優(yōu)化方案在操舵時(shí)可以大大降低觸邊的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 緊急停車仿真

為驗(yàn)證手柄操縱系統(tǒng)的緊急停車功能，在Simulink 平臺中開展模擬對比試驗(yàn)見，如圖7 所示。

圖7 船舶停船時(shí)間和軌跡仿真對比Fig. 7 Comparison of the simulation ship emergency stop time and motion trajectory

試驗(yàn)1：當(dāng)船舶穩(wěn)定運(yùn)行至航速約30 kn（15.4 m/s）時(shí)，將手柄從+5 檔拉回至0 推力位置，在阻力作用下，當(dāng)航速降低至0 kn 時(shí)，記錄此過程中的時(shí)間和停船距離；

試驗(yàn)2：當(dāng)船舶穩(wěn)定運(yùn)行至航速約30 kn 時(shí)，將手柄迅速從+5 檔拉至–3 檔并觸發(fā)“緊急停車”功能，當(dāng)航速降低至0 kn 時(shí)，記錄此過程中的時(shí)間和停船距離。

仿真結(jié)果表明：采用優(yōu)化后的手柄操縱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大航速緊急停船時(shí)，時(shí)間由正常停船的15 s 縮短至6 s，較正常停船時(shí)間縮短了60%；停船距離由110 m縮短至50 m（約4 倍船長），較正常停船距離縮短了54.5%，急停功能效果明顯。

4 結(jié) 語

本文針對船舶存在的狹窄航道航行、多工況推進(jìn)和緊急停車的實(shí)際需求，對噴水推進(jìn)二維手柄操縱系統(tǒng)的硬件和控制策略開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，并經(jīng)模擬仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明：

1）在不改變原有操舵習(xí)慣的前提下，手柄操舵系統(tǒng)優(yōu)化后首向運(yùn)動(dòng)的偏移幅值縮減46%，大大降低了狹窄航道碰壁的風(fēng)險(xiǎn)；

2）手柄采取了多工況檔位策略和“指令反饋”設(shè)計(jì)，提升了多工況的操縱體驗(yàn)；

3）手柄增加了“緊急停車”功能，停船距離縮短了54.5%，效果顯著。

本文提出的手柄操縱系統(tǒng)優(yōu)化方案，通過了實(shí)船測試，能夠大幅度提升特定場景下駕駛?cè)藛T的操船體驗(yàn)，且根據(jù)實(shí)際需求還能加入更多的輔助功能，如加速控制、Joystick 控制等，對相關(guān)技術(shù)提升有一定的借鑒作用。