基于Matlab的船舶Scharnow旋回仿真实现
时间：2020-12-15 04:01:29 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
【摘 要】在海上航行，驾驶员发现人员落水时就要紧急操纵船舶，对落水者实施救助。确定最佳的船舶旋回操纵航向，可以节约时间、距离和减少盲目行动，以此保证最短时间内救起落水者。本文在Matlab上对船舶Scharnow旋回进行仿真，在风流影响较小的情况下，确定最佳旋回操纵方式。
【关键词】Matlab；Scharnow；仿真
0 引言
为了提高救助效率，IMO.A601决议要求船舶定期进行人员落水的操纵试验，并记录下来作为以后的参考，其旋回法有四种：单旋回、双半旋回、Williamson和Scharnow。当采用Scharnow旋回，船舶会偏离原航迹线较远的反航向上，导致救助失败，因此有必要对旋回操纵深入研究，确定最佳变舵航向和把定航向。
首先是介绍船舶Scharnow旋回操纵法，其次是建立船舶运动数学模型，然后在Matlab上按IMO.A601决议要求进行模拟旋回试验，分析其轨迹，指出其不足，最后对其进行改进，保障船舶能够旋回到与初始航向相反的航迹线上，这对落水者救助具有指导意义。
1 Scharnow旋回法
按IMO.A601决议要求操船，考虑到船舶惯性，该方法不能使船舶旋回到与原航向相反的航迹线上，与原航迹线有偏移，因此有必要进行仿真试验和改进。现结合图1将其操纵要点叙述如下[1]：
（1）向落水者一舷操满舵（35°）；
（2）当船舶改向到240°时向另一舷满舵（35°）；
（3）船首距原初始航向的相反航向相差20°时回正舵；
（4）待航向变为初始航向的相反方向时把定，发现落水者适时停船接近落水者。图1中δL为距离偏移量。
2 数学模型
2.1 运动坐标系
船舶实际运动异常复杂，分解为6个自由度运动，建立运动坐标系有两种：空间坐标系和随船坐标系。空间坐标系是固定于地球表面的右手坐标系[2]，原点O通常与t=0时船舶中心一致，X0O0Y0平面位于静水面内，OX0指向正北，OY0指向正东，OZ0指向地心。o-xyz为随船坐标系，固定于船体的直角坐标系。o为船舶中心，ox指向船首，oy指向右舷，oz指向船底。
在随船坐标系中，船体任意时刻的运动可以分解为船舶中心沿3个坐标轴的直线运动及船体绕3个坐标轴的转动，前者用纵移速度u、横移速度v、垂荡速度w表示，后者用艏摇角速度r、横摇角速度p及纵摇角速度q表示[3]。建立运动数学模型时，一般要对船舶的六自由度运动进行简化[4]，在保证船舶旋回仿真精度的前提下，只考虑船舶的前进、横漂和转艏角速度的三自由度。
2.2 船舶操纵运动方程
在固定坐标系平面运动中，将船舶视为刚体，运用牛顿力学的动量定理和动量矩定理，随船坐标系原点取在船中，得到的模型如式（2）所示[6-8]。
（m+m）u’-（m+my）vr=XH+XP+XR（m+my）v’-（m+mx）ur=YH+YP+YR（IZZ+JZZ）r’’=NH+NP+NR（2）
其中：mx，my和Jzz表示船舶的附加质量和附加惯性距，u为纵移速度，v为横移速度和r艏摇速度。XH，YH和NH是船体所受到的粘性流体动力和力矩，XP，YP和NP是螺旋桨的推力、横向力和力矩，XR，YR和NR是舵对船体的纵向力、横向力和力矩。
参考贾新乐、杨盐生的《船舶运动数学模型：机理建模与辨识建模》书中计算方法来确定其余的mx，my和Jzz等未知量。
3 旋回仿真试验
3.1 依照IMO规定设置
采用船舶（MMSI：414726000）为船长189m，船宽32.2m，型深32.2m，船速1.5kn，吃水9.6m，方形系数0.660。假定该船正北航行，驾驶员接收到右舷有落水者报告后，采用Scharnow旋回操纵进行救助。按照IMO所推荐Scharnow旋回操纵要点试验（左右满舵35°），设置变舵航向240°和把定航向200°，结果如图3中（1）所示，该船舶旋回到离原航迹线较远的航迹线上，这达不到要求，也就没法救助落水者。
3.2 改进旋回航向
要使船舶尽快驶回到原航迹线上，即保证旋回区域要小，向左向右均满舵，这样船舶的航向变化就快，回到原航迹线上所需的时间短，更有利于对落水者快速救助。现就变舵航向和把定航向进行改进，以保证船舶正舵驶回到原航迹线上。
相同变舵航向、不同把定航向值
在Scharnow旋回模型中，左右均满舵，设置不同的把定航向值，进行仿真旋回试验，结果如图3所示。
把定航向值依次为200°，195°，190°，由图可以看出，当把定航向值为195°时最终航向接近180°，航行轨迹线相差不大，横向偏移量较小，能保证正舵情况返回到原航迹线上。
不同变舵航向、相同把定航向值
把定航向值为195°时，横向偏移量较小，现就把定航向值不变，设置不同的变舵航向值，进行仿真试验，结果如图4所示。
变舵航向值依次为245°，250°，255°。由图可以看出，在正舵把定航向195°值不变情况下，变舵航向值增大，横向偏移量减小，增大到255°时，该轮船舶刚好旋回到原来航迹线上，满足了Scharnow旋回操作目的，可以及时救起落水者。
3.3 旋回改进结果分析
现在就变舵航向为255°，把定航向为195°，左右舵均满舵，其仿真结果如图4中（6）所示，现对横向偏移量和航向曲线进行分析。
中可以看出，在Scharnow旋回过程中，由于船舶的惯性所致，航向最大可达260°左右，最后稳定在180°，航向与初始航向（000）相反，此时横向偏移量最小。
4 结语
在风流影响较小情况下，通过Scharnow旋回仿真试验，该船舶能够较准确地旋回到与初始航向相反的航迹线上，靠近落水者实施救助。寻找到了最佳变舵航向和把定航向，对今后的落水者应急操纵具有指导意义。
【参考文献】
[1]洪碧光.船舶操纵[M].大连海事大学出版社，2008，05.
[2]孫畅.船舶操纵系统建模与仿真[D].武汉：武汉理工大学，2003.
[3]韩晓宝，高维杰，刘海强.船舶旋回运动的建模与仿真[J].中国水运，2007，5（8）.
[4]张秀凤，尹勇，金一丞.规则波中船舶运动六自由度数学模型[J].交通运输工程学报，2007，7（3）：40-43.
[5]贾新乐，杨盐生.船舶运动数学模型：机理建模与辨识建模[M].大连海事大学出版社，1999，04.
[6]洪剑飞.舵角和航速影响下的船舶操纵运动建模与仿真[D].大连：大连海事大学， 2010.
[7]李文魁，陈永冰，田蔚风，等.基于MATLAB的船舶运动控制实时仿真研究[J].系统仿真学报，2007，19（19）：4424-4427.
[8]岳晋，任光，曹辉.基于Simulink的船舶运动模型动态仿真研究[J].大连海事大学学报，2009，35（4）：13-16.
[责任编辑：朱丽娜]
