张强强 李子圆 杨 翔

（浙江海洋学院，浙江 舟山 316002）

关于可变船USV航行性能研究

张强强 李子圆 杨 翔

（浙江海洋学院，浙江 舟山 316002）

型宽值是船舶性能中的一个重要参数，在船舶的稳定性、耐波性以及快速性中起着关键作用。相对于复杂多变的环境，固定型宽的船舶难以应付，而可变船宽更能够改变型宽以适应复杂环境下的工作。文章通过一种机械式可变船宽的方法设计制作了可变船宽双体USV，并由APM控制系统记录下USV航行轨迹，进而再从船的不同型宽入手，对船舶的航行阻力及稳定性进行研究，确定船舶航行时的最佳型宽比以满足船舶安全舒适性同时减少能耗，提升续航力，为船舶在复杂环境下的工作以及节能方面提供了参考。

可变船宽；USV；APM控制系统；航行性能

船舶的航行性能受到船型系型的影响是十分显著的，船舶的高速性、耐波性、稳性等诸多方面既有联系又有矛盾。对于小水线面船，总阻力主要由兴波阻力和摩擦阻力组成，其中摩擦阻力大小取决于船体湿表面积大小。而双体船的湿表面积较大,摩擦阻力必然较大。但由于船型瘦长,产生的兴波阻力比其他种类的船要低。在低速区域,摩擦阻力占据了主要部分；当速率增大时,兴波阻力急剧增大。当船型波的首尾横波在船尾相交时互为反相，两个船体产生的波浪相互抵消，兴波阻力减小，产生有利干扰。同时在不同的船速下，首尾横波相交情况均不一样。

本文所提出的可变船宽双体 USV可通过改变两个片体间距，控制首尾横波相交时相的正反，获取最佳航行性能，并配合自主研发设计制作的大功率推进器，进而有效地提高该USV的航行性能。

1 船体制作

同吨位的单体船相比，双体船的总宽度较大，因而往往有更大的甲板面积和舱室容积，尤其适合于装载那些体积很大而重量不大的低密度货物，可以具有较高的运输效率。

将单一船体分成两个，可以使每个船体更瘦长，从而有可能减小船的兴波阻力，尤其在高速时，兴波阻力有较大幅度的降低。

1.1船体结构模型设计

主尺度：船长1.70m；型宽0.35L～0.55L；设计空载排水量62kg；满载排水量120kg；设计巡航速度4kn；最高行进速度6kn。

图1　船体与机械式变船宽设计

1.2压载水系统

船舯设置了压载水舱与单体艏部密封舱，通过每个单体内配置的两个相同功率的单向水泵，可保证船舱内的密封性的同时，控制USV进行变吃水，达到该USV的运输功能。

1.3变船宽方案

为了实现变船宽的设计要求，本方案采用机械方法来实现变船宽。使用同步进给的两部电动推杆作为驱动器，使左右对称的八个滑块沿滑轨同步滑动，以实现USV两单体与上层建筑之间的相对移动，从而改变该USV的型宽，达到对航行性能的优化目的（整体装配见图1）。

本设计方案中的滑动变化量为 20cm，占初始船宽的28.6%，初始水线宽的33.3%，可在一个相对充裕范围内获取良好的航速与间距配合，进而对船体航行性能产生较为显著的影响。

2 控制单元

2.1APM控制系统

APM是国外的一个开源飞控系统，能够支持固定翼，直升机，3轴、4轴、6轴飞行器，当然将其移植到航行器上，利用较为成熟且开源的 APM控制技术进行控制系统的自主设计，并引入卫星导航、航线规划、3DR实时数据采集与记录等技术，以获取该USV在不同船型系数下的航行数据进而对其进行分析。

2.2视频传输

相对于传统的低频图像传输，将5.8G图传、OSD、SJ400摄像头、视频切换器进行整合，得到高质量的光学图像信息，以便于实时了解与控制该USV的航行状态。

2.3433增程模块

将控制所使用的2.4G频率通过433增程进行降频与信号强化处理，使得该船只的远程控制得以实现，即超视距控制。

3 方案分析

3.1理论计算

由J·H·密契尔——T·H·海佛洛克薄船理论，对于以等速 V前进的双体船，其自身行波阻力和干扰兴波阻力可用下式表示：

坐标轴原点设置在船体中心线离船艏垂线 L/2未受扰动的水表面处，运动方向为x方向，z轴垂直向上，而y方向为船体的宽度方向。

设定：Ⅰ液体不可压缩，且均匀连续；Ⅱ液体没有黏性，运动为无旋；Ⅲ航行波为微波，边界条件为线性；Ⅳ船体可用分布于y=0的船体中央平面的源汇分布代替。

则有：

故由上式可知，干扰阻力与船型形状、佛式数和间距船长比有关。

根据上述双体船型的相关计算公式，笔者可以得出V=1.8～2.2m/s（速度间隔0.2m/s），五个速度区间内相对应的间距对总阻力影响曲线。

图2　V=1.8～2.2m/s 时间距对总阻力的影响（理论计算）

从以上分析笔者可以看到，在相同速度区间内两单体间距对总阻力的影响在前段是比较明显的，切当速度低于 2m/s时不同航速对应一个最佳间距，其产生的干扰阻力最小。

3.2稳性—间距分析

如图3、4所示，为实际航行中通过电脑终端接受的数据所进行的数据分析而得到的计算曲线，其中，实际输出功率p介于300～340w之间（输出功率由Mission Planner地面站显示数据计算并进行油门控制得出)，两单体间距取值为0.7m与0.8m。

图3　0.7m单体间距roll值

图4　0.8m单体间距roll值

从两个不同单体间距在实际航行过程中获取的 USV roll值数据对比中，可以看出，不同单体间距的情况下，USV的横稳性是不同的，即通过调整单体间距实现变船宽在调整USV的横摇、纵摇稳定性方面是具有一定优势的。

3.3间距—续航力分析

鉴于目前双体USV的船宽、水线宽在设计制作之初已固化，只能在一个相对较窄的航速范围内得到较佳的航速-间距配合，故本设计提出了一种可通过改变两片体间距进而改变船宽、水线宽的双体USV方案，以达到在同一个USV上得到较大范围的、多种的最佳航—间距组合，减少航行阻力，进而提高续航能力。

4 总结

在无人驾驶领域，相比于无人机、无人汽车的高关注度，无人船还处在起步阶段。国产无人水面艇目前面临的最大问题，仍然是技术。国际上无人水面艇领域的研究起步于十年以前，以美国、以色列的军用无人水面艇为主导。不同于无人机市场的激烈竞争，全世界只有20多家企业生产无人水面艇，而且这个产业在国内几乎是空白的。但是无人水面艇前景广阔，应用价值不可小觑。

本文的研究表明船宽对双体船的航行性能是有一定的影响的，通过改变船的船宽可以有效降低船在航行中的阻力、提高船的横摇、纵摇稳定性及续航力。

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[5] 葛纬桢,郭值学.小水线面船的运动稳定性[J].中国造船, 2000,41(3):28-34.

Study on variable sailing ship USV performance

Type wide value is an important parameter in ship performance, in the stability of the ship, seakeeping and quickness plays a key role. Relative to the complicated and changeable environment, fixed type ship is difficult to cope with wide, instead of variable width is more wide type can change to adapt to the complex working environment. In this paper, a mechanical variable method to design the variable boat ship wide wide catamaran USV, and record the USV is controlled by the APM system trajectory, and then from different type of wide, study of ship resistance and stability of the ship, determine the best type of navigation when wide than to meet the ship safety comfort while reducing energy consumption, improve endurance, for the ship working in the complex environment and provides reference to save.

Variable breadth; USV; APM control system; navigation performance

G301

A

1008-1151(2015)10-0042-03

2015-09-11

2015年浙江海洋学院大学生科技创新项目（xj201529）。

张强强（1994－），男，浙江海洋学院学生。