氣墊登陸艇駕控模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真*

肖劍波 陸愛杰 馬玉成

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

1 引言

氣墊登陸艇設(shè)備眾多、控制系統(tǒng)復(fù)雜、航速快，對(duì)艇員操縱能力要求很高。高航速?zèng)Q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(yīng)要靈活，動(dòng)作要迅速，只有這樣才能保證艇的安全航行和機(jī)動(dòng)。氣墊登陸艇的航行狀態(tài)較多，分為“浮態(tài)”、“氣泡狀態(tài)”、“墊態(tài)”三種，需要艇員根據(jù)不同航行條件做出判斷采用何種狀態(tài)航行，并進(jìn)行相應(yīng)操縱實(shí)現(xiàn)艇航行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。這都要求艇員具備較高的訓(xùn)練水平和較強(qiáng)的應(yīng)變能力。在某些特殊環(huán)境條件下，操作不熟練甚至操作不當(dāng)，則容易引起該型艇艇體的高速回轉(zhuǎn)與側(cè)滑，最終可能導(dǎo)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(shí)艇進(jìn)行培訓(xùn)，導(dǎo)致培訓(xùn)開銷大、周期長(zhǎng)，且形成戰(zhàn)斗力慢。采取模擬系統(tǒng)訓(xùn)練結(jié)合實(shí)艇操練是一種更為有效的方式，相比于實(shí)艇在同等訓(xùn)練任務(wù)的條件下，采用模擬訓(xùn)練可以極大減少訓(xùn)練任務(wù)的開銷，而且更加安全[3]。在模擬器中進(jìn)行訓(xùn)練，可以十分方便地實(shí)現(xiàn)各種航行環(huán)境、各種任務(wù)要求下的訓(xùn)練，艇（副）長(zhǎng)（駕駛員）、艇員都可以在這個(gè)過程中迅速積累豐富的經(jīng)驗(yàn)，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(tǒng)為研究對(duì)象，研究分析氣墊艇駕控模擬訓(xùn)練系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、功能要求，在此基礎(chǔ)上對(duì)駕控模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)。

2 駕控系統(tǒng)分析與總體設(shè)計(jì)

該型氣墊艇駕控系統(tǒng)主要包括該型艇綜合控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制部分，涉及相關(guān)操舵，螺旋槳調(diào)距，側(cè)風(fēng)門啟動(dòng)關(guān)閉等功能。其操縱裝置主要由舵輪、螺旋槳調(diào)距手柄以及各種功能的按鍵開關(guān)等組成。此外，還包括相關(guān)運(yùn)動(dòng)、控制信息顯示觸摸屏，顯示導(dǎo)航信息的監(jiān)視器，以及進(jìn)行各種信號(hào)控制，信息通訊的集中控制柜等。

駕控系統(tǒng)的集中控制柜包含一個(gè)施耐德PLC中央處理器模塊，該模塊是該型艇駕控系統(tǒng)的核心，它通過附帶數(shù)字量、模擬量輸入模塊讀取駕駛?cè)藛T的操縱命令，并進(jìn)行相關(guān)處理，再將指令通過Modbus/TCP網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳輸至其他控制系統(tǒng)及控制機(jī)構(gòu)，進(jìn)而完成對(duì)氣墊艇的操控。

模擬駕控系統(tǒng)是艇長(zhǎng)或艇副長(zhǎng)進(jìn)行氣墊艇模擬駕駛操縱的平臺(tái)，為了使訓(xùn)練更加貼近實(shí)際，更為逼真，模擬駕控系統(tǒng)按照1：1比例參照實(shí)艇進(jìn)行制作，并按照實(shí)艇的格局進(jìn)行布設(shè)。根據(jù)實(shí)艇駕控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和功能要求，模擬駕控系統(tǒng)可分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，其中硬件系統(tǒng)主要由機(jī)架、操縱裝置、集中控制柜等組成；軟件系統(tǒng)主要由人機(jī)交互界面，通信軟件、運(yùn)動(dòng)仿真軟件、視景軟件等組成。整個(gè)操縱平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 駕控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

駕控模擬訓(xùn)練系統(tǒng)各模擬操作臺(tái)盤，需要通過接口系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模擬開關(guān)、儀表、指示燈等輸入輸出元件的信息與仿真計(jì)算機(jī)之間的交互。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中，選擇與實(shí)裝同型號(hào)施耐德PLC作為接口模塊，并基于Modbus通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算機(jī)、模擬操作控制臺(tái)、教練員計(jì)算機(jī)之間的連接。方向舵、開關(guān)板、控制板等的信號(hào)包括模擬量和開關(guān)量等不同類型，系統(tǒng)選用數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)方向舵角度、螺距等的模擬采集；各開關(guān)量則接入PLC數(shù)字量輸入輸出模塊。

Modbus RTU是一種串行通信協(xié)議，是由Modicon公司于1979年發(fā)明的用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議。該協(xié)議是完全公開，沒有版權(quán)要求，方便部署和維護(hù)，用戶可根據(jù)自身需要對(duì)協(xié)議進(jìn)行補(bǔ)充，設(shè)計(jì)符合自身需求實(shí)際使用的通信協(xié)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(xié)議。Modbus/TCP通訊協(xié)議通過將Modbus報(bào)文幀插入到TCP報(bào)文幀中，使Modbus消息在以太網(wǎng)上傳輸，并結(jié)合TCP傳輸控制協(xié)議本身具有的嚴(yán)格應(yīng)答機(jī)制實(shí)現(xiàn)Modbus的傳輸準(zhǔn)確性控制[4]。

Modbus/TCP數(shù)據(jù)幀包含報(bào)文頭、功能代碼和數(shù)據(jù)三個(gè)部分，其中，MBAP報(bào)文頭分四個(gè)域，共7字節(jié)。模擬駕控系統(tǒng)中一共包含43個(gè)開關(guān)量輸入、11個(gè)開關(guān)量輸出和4個(gè)模擬量輸入。通信協(xié)議主要包括四個(gè)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(jiǎn)寫命名，變量類型根據(jù)需要進(jìn)行通信的信號(hào)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(jìn)行四個(gè)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(shí)需確認(rèn)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 氣墊艇三自由度分離型模型

根據(jù)歐拉動(dòng)力學(xué)方程以及動(dòng)力學(xué)普遍定理，建立氣墊艇水面運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系[5～7]，得出氣墊艇三自由度運(yùn)動(dòng)微分方程如下[3，8～9]：

其中，m為氣墊艇的質(zhì)量，Izz為艇體繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(guī)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(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向、航行的操縱方式相比于常規(guī)船舶更加復(fù)雜，有空氣舵、空氣槳、側(cè)風(fēng)門等多種操縱方式。通過機(jī)理分析，作用于艇體的外力和力矩又可分為

其中，下標(biāo)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(dòng)量力（矩）；h表示水動(dòng)力（矩）；p為空氣螺旋槳推力（矩）；r為舵力（矩）；c為側(cè)風(fēng)門產(chǎn)生的力（矩）。

方便計(jì)算，本文將氣墊艇運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)化為三自由度模型[10～12]為

其中，下標(biāo)A為氣動(dòng)力，H為水動(dòng)力，P為螺旋槳力，R為舵力，Iz為氣墊艇對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系Z坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

4 機(jī)理建模模型仿真

在前文所述的三自由度運(yùn)動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，本節(jié)對(duì)其直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真分析。

在實(shí)際氣墊艇全墊升航行狀態(tài)下，會(huì)風(fēng)的影響最大，仿真試驗(yàn)中選取風(fēng)作為環(huán)境變量。采用風(fēng)向、風(fēng)速均隨時(shí)間變化的脈動(dòng)風(fēng)，風(fēng)向變化方位在±5°以內(nèi)，風(fēng)速變?cè)谡?fù)1m/s以內(nèi)。變化量使用高斯白噪聲生成，再加上設(shè)定的風(fēng)向和風(fēng)速得到風(fēng)模型。

1）無風(fēng)條件下氣墊艇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

開展中度舵角以下的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，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(diǎn)，初始航速為30節(jié)，初始航向?yàn)檎狈较颍谵D(zhuǎn)向過程中保持空氣螺旋槳的轉(zhuǎn)速不變，外界環(huán)境條件為無風(fēng)。

圖2為氣墊船在不同舵角下的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真軌跡，圖中菱形點(diǎn)為氣墊艇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，從圖中可以看出，舵角從小變到大，氣墊船的回轉(zhuǎn)半徑是逐漸減小的，符合氣墊艇的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律。

圖2 氣墊艇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真軌跡

圖3為氣墊船在不同舵角下的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)過程航速的變化規(guī)律。

圖3 氣墊艇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真航速

圖4為氣墊艇運(yùn)動(dòng)仿真的回轉(zhuǎn)角速度，從圖中可以看出，回轉(zhuǎn)舵角越大，氣墊艇的回轉(zhuǎn)角速度越大，與氣墊艇一般回轉(zhuǎn)角速度變化相符。

圖4 氣墊艇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真回轉(zhuǎn)角速度

從氣墊艇中度舵以下的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中可以看出，無風(fēng)條件下，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、角速度等其他參數(shù)隨回轉(zhuǎn)舵角的變化規(guī)律是符合氣墊艇運(yùn)動(dòng)規(guī)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(fēng)條件下中度舵角以下的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

2）有風(fēng)條件下氣墊艇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

考慮到本模型操舵角度不易過大，相應(yīng)的設(shè)置的風(fēng)速也不易過大，有風(fēng)條件下的回轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)條件分為兩種：一是15°舵角，風(fēng)速為2m/s，風(fēng)向角分別為0°、45°、90°、180°；二是風(fēng)速為2m/s，風(fēng)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(jié)，螺旋槳轉(zhuǎn)速在航行中保持不變，改變風(fēng)向，仿真時(shí)間為1000s?；剞D(zhuǎn)仿真軌跡如圖5所示。從圖中可以看出，不論風(fēng)向如何，風(fēng)速會(huì)使氣墊艇的回轉(zhuǎn)半徑減??；相同風(fēng)速下，改變風(fēng)向會(huì)改變氣墊船運(yùn)動(dòng)軌跡的走向，且軌跡走向隨風(fēng)向的變化是符合客觀規(guī)律的。

圖5 風(fēng)向改變的氣墊艇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真軌跡

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

圖6 舵角改變的氣墊艇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真軌跡

從圖6中可以看出，在相同風(fēng)速和風(fēng)向的條件下，隨著舵角的增大，氣墊船回轉(zhuǎn)半徑會(huì)減小，回轉(zhuǎn)越容易，當(dāng)風(fēng)速相對(duì)氣墊艇航速過大以后，氣墊船的最終航跡會(huì)趨于直線；同時(shí)，結(jié)合圖5，在風(fēng)速、風(fēng)向和舵角相同的情況下，氣墊艇由逆風(fēng)的航行狀態(tài)轉(zhuǎn)向成順風(fēng)時(shí)，回轉(zhuǎn)的半徑會(huì)變小，由順風(fēng)狀態(tài)轉(zhuǎn)向成逆風(fēng)狀態(tài)時(shí)回轉(zhuǎn)半徑會(huì)變大，甚至當(dāng)風(fēng)速相對(duì)于舵角過大時(shí)，氣墊艇無法從順風(fēng)狀態(tài)轉(zhuǎn)向成逆風(fēng)。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(fēng)情況下中度舵角以下的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

5 結(jié)語

為提升操作人員訓(xùn)練水平，開展了某型氣墊登陸艇駕控模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研制工作。以實(shí)艇駕控系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了其結(jié)構(gòu)和功能要求，進(jìn)而對(duì)模擬駕控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，采用機(jī)理分析和辨識(shí)方法建立了氣墊艇平面運(yùn)動(dòng)模型，基于Modbus/TCP通信協(xié)議框架設(shè)計(jì)了模擬駕控系統(tǒng)的通信協(xié)議；采用機(jī)理分析的方法建立了氣墊艇三自由度平面運(yùn)動(dòng)模型，并進(jìn)行了相關(guān)仿真試驗(yàn)。仿真結(jié)果驗(yàn)證，系統(tǒng)可模擬實(shí)艇相關(guān)運(yùn)動(dòng)工況，滿足仿真要求。