气垫登陆艇驾控模拟训练系统设计及仿真*

肖剑波 陆爱杰 马玉成

（1.海军工程大学舰船与海洋学院 武汉 430033）（2.中国人民解放军91278部队 大连 116000）（3.中国人民解放军91999部队 青岛 266400）

1 引言

气垫登陆艇设备众多、控制系统复杂、航速快，对艇员操纵能力要求很高。高航速决定了其在操纵、避碰方面的难度比普通水面舰艇大很多，这要求艇员必须熟悉和熟练掌握各种情况的处置方法，反应要灵活，动作要迅速，只有这样才能保证艇的安全航行和机动。气垫登陆艇的航行状态较多，分为“浮态”、“气泡状态”、“垫态”三种，需要艇员根据不同航行条件做出判断采用何种状态航行，并进行相应操纵实现艇航行状态转换。这都要求艇员具备较高的训练水平和较强的应变能力。在某些特殊环境条件下，操作不熟练甚至操作不当，则容易引起该型艇艇体的高速回转与侧滑，最终可能导致埋艏、甩尾、翻船等重大事故[1～2]。

目前，该型艇艇员仍基本依托实艇进行培训，导致培训开销大、周期长，且形成战斗力慢。采取模拟系统训练结合实艇操练是一种更为有效的方式，相比于实艇在同等训练任务的条件下，采用模拟训练可以极大减少训练任务的开销，而且更加安全[3]。在模拟器中进行训练，可以十分方便地实现各种航行环境、各种任务要求下的训练，艇（副）长（驾驶员）、艇员都可以在这个过程中迅速积累丰富的经验，提高处理各种问题、故障的能力。本文以某型气垫登陆艇驾控系统为研究对象，研究分析气垫艇驾控模拟训练系统总体结构、功能要求，在此基础上对驾控模拟训练系统的软、硬件进行设计与开发。

2 驾控系统分析与总体设计

该型气垫艇驾控系统主要包括该型艇综合控制系统运动控制部分，涉及相关操舵，螺旋桨调距，侧风门启动关闭等功能。其操纵装置主要由舵轮、螺旋桨调距手柄以及各种功能的按键开关等组成。此外，还包括相关运动、控制信息显示触摸屏，显示导航信息的监视器，以及进行各种信号控制，信息通讯的集中控制柜等。

驾控系统的集中控制柜包含一个施耐德PLC中央处理器模块，该模块是该型艇驾控系统的核心，它通过附带数字量、模拟量输入模块读取驾驶人员的操纵命令，并进行相关处理，再将指令通过Modbus/TCP网络将信号传输至其他控制系统及控制机构，进而完成对气垫艇的操控。

模拟驾控系统是艇长或艇副长进行气垫艇模拟驾驶操纵的平台，为了使训练更加贴近实际，更为逼真，模拟驾控系统按照1：1比例参照实艇进行制作，并按照实艇的格局进行布设。根据实艇驾控系统的结构组成和功能要求，模拟驾控系统可分为硬件系统和软件系统两部分，其中硬件系统主要由机架、操纵装置、集中控制柜等组成；软件系统主要由人机交互界面，通信软件、运动仿真软件、视景软件等组成。整个操纵平台的硬件结构框图如图1所示。

图1 驾控系统硬件结构框图

驾控模拟训练系统各模拟操作台盘，需要通过接口系统实现模拟开关、仪表、指示灯等输入输出元件的信息与仿真计算机之间的交互。本系统在设计中，选择与实装同型号施耐德PLC作为接口模块，并基于Modbus通信协议实现仿真计算机、模拟操作控制台、教练员计算机之间的连接。方向舵、开关板、控制板等的信号包括模拟量和开关量等不同类型，系统选用数字电位器实现方向舵角度、螺距等的模拟采集；各开关量则接入PLC数字量输入输出模块。

Modbus RTU是一种串行通信协议，是由Modicon公司于1979年发明的用于工业现场的总线协议。该协议是完全公开，没有版权要求，方便部署和维护，用户可根据自身需要对协议进行补充，设计符合自身需求实际使用的通信协议。Modbus采用主从式通信，日常使用较多的是Modbus RTU和Modbus TCP/IP两种协议。Modbus/TCP通讯协议通过将Modbus报文帧插入到TCP报文帧中，使Modbus消息在以太网上传输，并结合TCP传输控制协议本身具有的严格应答机制实现Modbus的传输准确性控制[4]。

Modbus/TCP数据帧包含报文头、功能代码和数据三个部分，其中，MBAP报文头分四个域，共7字节。模拟驾控系统中一共包含43个开关量输入、11个开关量输出和4个模拟量输入。通信协议主要包括四个部分：变量名称、变量地址、变量类型、变量说明。变量名称以英文或者英文简写命名，变量类型根据需要进行通信的信号确定。在不同模块中，Modbus/TCP通信地址编址的方式不同，所以需要进行四个通信的模块的变量地址不完全相同，为确保各模块之间的互通，在定义变量地址时需确认对应关系。

3 气垫艇三自由度分离型模型

根据欧拉动力学方程以及动力学普遍定理，建立气垫艇水面运动坐标系[5～7]，得出气垫艇三自由度运动微分方程如下[3，8～9]：

其中，m为气垫艇的质量，Izz为艇体绕Z轴的转动惯量，Χ、Y分别为艇体在Χ、Y方向受到的合外力，N为艇体绕Z轴的合外力矩。

气垫艇较常规船的操作难度大，受到多种外力和外力矩，且控制气垫艇回转、转向、航行的操纵方式相比于常规船舶更加复杂，有空气舵、空气桨、侧风门等多种操纵方式。通过机理分析，作用于艇体的外力和力矩又可分为

其中，下标的意义分别为a表示作用在艇体上的空气型阻力（矩）；m表示空气动量力（矩）；h表示水动力（矩）；p为空气螺旋桨推力（矩）；r为舵力（矩）；c为侧风门产生的力（矩）。

方便计算，本文将气垫艇运动模型简化为三自由度模型[10～12]为

其中，下标A为气动力，H为水动力，P为螺旋桨力，R为舵力，Iz为气垫艇对运动坐标系Z坐标轴的转动惯量。

4 机理建模模型仿真

在前文所述的三自由度运动模型的基础上，本节对其直线运动和回转运动进行了仿真分析。

在实际气垫艇全垫升航行状态下，会风的影响最大，仿真试验中选取风作为环境变量。采用风向、风速均随时间变化的脉动风，风向变化方位在±5°以内，风速变在正负1m/s以内。变化量使用高斯白噪声生成，再加上设定的风向和风速得到风模型。

1）无风条件下气垫艇回转运动

开展中度舵角以下的回转试验，采取的舵角为：5°、8°、10°、13°以及15°共5种不同的舵角，仿真中气垫船的初始位置为原点，初始航速为30节，初始航向为正北方向，在转向过程中保持空气螺旋桨的转速不变，外界环境条件为无风。

图2为气垫船在不同舵角下的回转运动仿真轨迹，图中菱形点为气垫艇回转运动的起点，从图中可以看出，舵角从小变到大，气垫船的回转半径是逐渐减小的，符合气垫艇的回转运动的一般规律。

图2 气垫艇回转运动仿真轨迹

图3为气垫船在不同舵角下的回转运动仿真航速，从图中可以看出，气垫艇随着舵角的增加，航速依次减小，符合气垫艇在回转过程航速的变化规律。

图3 气垫艇回转运动仿真航速

图4为气垫艇运动仿真的回转角速度，从图中可以看出，回转舵角越大，气垫艇的回转角速度越大，与气垫艇一般回转角速度变化相符。

图4 气垫艇回转运动仿真回转角速度

从气垫艇中度舵以下的回转试验中可以看出，无风条件下，回转运动轨迹、速度、角速度等其他参数随回转舵角的变化规律是符合气垫艇运动规律的，从理论上可以证明建立的模型能够很好地反映气垫艇在无风条件下中度舵角以下的回转试验。

2）有风条件下气垫艇回转运动

考虑到本模型操舵角度不易过大，相应的设置的风速也不易过大，有风条件下的回转仿真试验条件分为两种：一是15°舵角，风速为2m/s，风向角分别为0°、45°、90°、180°；二是风速为2m/s，风向角为0°不变，舵角分别为5°、8°、10°、13°、15°。

第一种条件下，气垫艇初始航速为30节，螺旋桨转速在航行中保持不变，改变风向，仿真时间为1000s。回转仿真轨迹如图5所示。从图中可以看出，不论风向如何，风速会使气垫艇的回转半径减小；相同风速下，改变风向会改变气垫船运动轨迹的走向，且轨迹走向随风向的变化是符合客观规律的。

图5 风向改变的气垫艇回转运动仿真轨迹

第二种条件下，气垫艇初始航速为30节，螺旋桨转速在航行中保持不变，改变舵角，回转仿真轨迹如图6所示。

图6 舵角改变的气垫艇回转运动仿真轨迹

从图6中可以看出，在相同风速和风向的条件下，随着舵角的增大，气垫船回转半径会减小，回转越容易，当风速相对气垫艇航速过大以后，气垫船的最终航迹会趋于直线；同时，结合图5，在风速、风向和舵角相同的情况下，气垫艇由逆风的航行状态转向成顺风时，回转的半径会变小，由顺风状态转向成逆风状态时回转半径会变大，甚至当风速相对于舵角过大时，气垫艇无法从顺风状态转向成逆风。从定性角度看，所建立的模型能够很好地模拟气垫艇在有风情况下中度舵角以下的回转试验。

5 结语

为提升操作人员训练水平，开展了某型气垫登陆艇驾控模拟训练系统研制工作。以实艇驾控系统为研究对象，分析了其结构和功能要求，进而对模拟驾控系统进行设计与开发，采用机理分析和辨识方法建立了气垫艇平面运动模型，基于Modbus/TCP通信协议框架设计了模拟驾控系统的通信协议；采用机理分析的方法建立了气垫艇三自由度平面运动模型，并进行了相关仿真试验。仿真结果验证，系统可模拟实艇相关运动工况，满足仿真要求。