0 引　言

喷水推进船舶普遍采用一种集首向操纵和正/倒车控制功能于一体的二维手柄，其很好融合了喷水推进操纵性能佳、机动性高的优点，具有无级调节、控制精度高、可切换多操纵模式的技术特点，能够适应大多数场景的船舶操纵需求^[1]。但针对一些特定情况的操纵要求，如提升小舵角范围以及多工况的操纵感，增加紧急停车功能等，现有二维手柄无法直接实现，且需要操船人员具有相当的经验。为此在现有二维手柄操纵系统的基础上，对其硬件结构和控制策略开展优化设计，以实现新的功能，提升驾控体验。

1 结构和控制原理

喷水推进依靠吸入与喷射水流的动量差产生推力，并经由安装在喷口后方的操舵倒航机构偏折高速喷射流从而产生船舶操舵力和倒车力。由于这种喷射流是矢量流，可以通过控制喷水推进装置的方向舵舵角、倒航斗位置和主机转速的方式调节该矢量流的大小、方向，进而调节船舶的航行姿态^[2]。喷水推进船舶二维手柄操纵系统基于对上述这些独立且连续变化参数的控制实现船舶操纵。

图1为一种通用型喷水推进二维手柄控制单元，主要包括：1）转舵系统，手柄本体绕垂直于水平面的Z轴旋转至左、右最大舵角（一般为±30°），对喷水推进的方向舵实施指令控制，实现对船舶首向的操纵；2）推进系统，手柄操纵杆绕与纸面垂直的Y轴向前或向后推进多个档位（一般为±5档，也可参考螺旋桨推进改为−3～+5档），同时对倒航斗位置和主机转速实施联合指令控制，实现对船舶的正/倒航、加/减速等的操控。除上述两大系统外，还包括指示灯、显示屏、功能按键等附属结构。

在电气控制原理方面，手柄操纵单元接收驾驶员物理指令后，会向主控计算机发送操纵指令信号。操舵和倒斗-主机指令两路信号由手柄内部旋转电位器经分压产生，并经过信号放大板转换为DC0～5 V电压或DC4～20 mA电流输出标准信号。该信号直接传输至主控计算机AD信号采样口，作为操舵或操斗和主机转速的联合控制输入信号使用。主控计算机根据预设的控制策略程序将信号进一步解算为实际舵角、倒斗位置和主机转速需求，进一步发送至底层控制器驱动系统动作，形成完整的控制闭环^[3]。

2 功能优化

本文对二维手柄操纵系统的功能优化设计基于目标船的实际需求开展：1）有在狭窄的航道内航行的需求，但由于喷水推进转舵响应灵敏，为防止误操作导致船体碰壁，希望能提升小舵角范围内（≤6°）的操纵体验；1）有多工况和紧急停车的操纵需求，手柄要兼顾最高航速、巡航、低速航行等工况，且在特殊状态下能实现紧急停船。

2.1 小舵角优化

喷水推进装置舵角运动范围为±30°，在二维手柄单元上的操舵指令行程范围为120°，如图1所示。因指令放大倍数仅2倍，在驾驶过程中，会存在因操纵过猛而导致出现大舵角的情况，这对于狭窄航道内航行比较危险。考虑到若再加倍拓宽操舵行程的范围（扩大至240°）会导致手柄驾控体验变差，故最后采取的措施是仅加倍小舵角（≤6°）的指令范围但不改变总行程的设计方案。分别从操舵策略曲线和手柄刻度指令两方面实施^[4]：如图3(a)所示，策略曲线中横坐标为手柄操舵指令输入量，纵坐标为实际操舵指令。原始曲线（虚线）为直线，即输入20%时，指令也为20%。现优化加倍小舵角后（实线），将前12输入值对应的输出值减小一半至6，相当于拓宽了指令输出20%以内的操纵范围，而后面斜率加大，舵角变化加快；另一方面，策略曲线调整后手柄刻度也许进行调整，由于二维手柄中指令刻度与电位器输出值是线性对应的，故只需要修改刻度盘即可，如图3(b)所示。

2.2 多工况优化

根据任务需求本船存在最大航速、正常巡航、低速航行、驻航、怠速倒车和全速倒车等多种工况，希望在手柄档位中得到体现。手柄控制单元的档位设计参考螺旋桨推进的惯例，采用进5档、零位和倒3档的方案，共9档。各重要推进工况和档位分布如表1所示。

各推进工况受喷水推进倒航斗位置和转速2个参数同时控制，为简化用户操作，通常将这2个参数采用联控策略曲线的方式控制。根据喷水推进航行特性预报的结果，得到各工况下的转速和倒航斗位置情况（见表1），并绘制了联控曲线，如图4中的“正常”曲线。在手柄推至“+2”和 “+4”档的过程中，曲线均采用直线过渡。

通过上述优化，手柄操控系统已能够满足多工况推进的要求，根据实船试航结果还要对曲线进行微调。最后，为进一步提高多工况的操控体验，在重要档位加入了“指令反馈”结构：对二维手柄推进系统的转动副增加了一种弹簧滚珠结构，如图5所示。转动副由推杆和基座构成，在基座上均匀布置数个弹簧滚珠结构；通常状态下可以作为轴承支撑推杆在基座上转动；在推杆上设计3个凹坑，当滚珠运动进入凹坑后，操作者将获得反馈，表示此时手柄已处于重要档位，提升了驾控体验。

2.3 紧急停车

通常情况下，为了保护船体结构和船上人员安全，在喷水推进船的降速过程中均采用图4中的“正常”控制曲线，即转速先下降，然后倒航斗逐渐关闭，利用水流的阻力停航，直至达到“驻航”稳定状态。紧急停车工况是指船从最大航速状态紧急刹车，要求船在最短的运动时间和停车距离内将航速降低至0。因此在转速和倒航斗控制中采取极限的控制方案，即主机不降转速而直接关闭倒航斗，曲线如图4中的“紧急”所示。

除增加紧急停车曲线外，在手柄功能实现方面，为提高操纵系统集成度和驾控体验，创造性的将紧急停车联合控制曲线也加入到手柄控制中。在最高航速状态下，当驾驶人员在0.5 s内将手柄推杆从+5档迅速拉至-3档时，控制程序判定此次操作为“紧急停车”状态，此时推进联合控制曲线将按图4中的点划线“紧急”执行。此时，倒航斗将迅速关闭，但转速不降，实现了紧急停车功能。而若驾驶人员拉手柄推杆的速度较慢，则控制程序仍采用图4中的“正常”联控曲线缓慢停船。

3 仿真分析

基于喷水推进船舶运动控制原理和喷水推进推力分配理论^[5]，在Matlab软件中的Simulink平台上，对上述手柄操纵系统的优化内容开展船舶运动的模拟仿真。

3.1 仿真原理

根据船舶操纵原理，在描述船船在水中的操纵运动时，通常采用2种不同的坐标系：一种是相对于地球静止的固定坐标系E-ξηγ，用于描述船舶的位置信息；另一种坐标系则是随船运动的运动坐标系G-XYZ，X轴沿船长方向，Y轴沿船的横剖面方向，Z方向则沿船的竖直方向，用于描述船体自身的纵荡、横荡、垂荡，以及绕3轴的旋转运动，横摇、纵摇和首摇等6种运动方式。这2个坐标系均采用右手法则确定。由于本文关注的是喷水推进船在水平面的操纵控制，仅涉及到XY平面内的纵荡、横荡和首摇3个自由度，其他方向的运动暂时忽略。

考虑船舶在较为宽阔的海域航行时，根据日本MMG（manoeuvring model group）提出的运动分离思想、适用于常规（螺旋桨式）船舶操纵性方程组，结合喷水推进器模型的特性和外界干扰，建立适用于喷水推进船舶三自由度矢量控制模型的方程组如下：

$ \left\{ \begin{gathered} (m + {m_x})\dot u - (m + {m_y})vr = {X_H} + {X_S} + {X_W}，\\ (m + {m_y})\dot v - (m + {m_x})ur = {Y_H} + {Y_S} + {Y_W}，\\ ({I_{zz}} + {J_{zz}})\dot r = {N_H} + {N_S} + {N_W} ，\\ \dot x = u\cos \psi - v\sin \psi ，\\ \dot y = u\sin \psi + v\cos \psi ，\\ \dot \psi = r 。\\ \end{gathered} \right. $

(1)

式中：u，v，r分别是在船体运动坐标系下的纵向速度、横向速度、首摇角速度；ψ为相对于地球坐标系下的船舶首摇角；m_x，m_y，J_zz均为船体附加质量及附加转动惯量；m为船体质量；X，Y，N分别为船体所受纵向、横向力及力矩；下标H代表喷水推进器所产生的力或力矩，下标S代表船体所受粘性水动力或水动力矩，下标W表示船体所受外界干扰力或力矩。

建立船舶的运动方程后，喷水推进的推力特性计算可以归结为喷水推进系统、主机功率和船体三方面的平衡：喷水推进系统的推力要与设计工况下的船体阻力和系统的附加阻力相平衡；主机的功率、扭矩要和推进泵吸收的功率、扭矩相平衡；推进器的扬程与系统水力损失相平衡。

推力平衡方程为：

$ T = (1- t)\rho Q({V_j} - \alpha {V_0})。$

(2)

功率平衡方程为：

$ {P_{\text{e}}} = \frac{{\rho gQH}}{{102{\eta _{\text{p}}}}}。$

(3)

推进泵扬程与系统总损失平衡方程为：

$ H = \frac{{(1 + {k_j})}}{{2g}}V_j^2 + \frac{{({k_1} -\beta )}}{{2g}}V_0^2 + {h_c} 。$

(4)

式中：T为推力；V₀为船速；V_j为喷速；α为伴流利用系数；β为动能利用系数；h_c为泵内水位提升高度；k₁为管道系统损失系数；K_j为喷口损失系数；t为推力减额系数；ρ为介质的密度；g为重力加速度。

利用上述公式，结合喷泵的Q，H，η_p性能曲线，经计算机程序运行可以得到各转速n对应的平衡推力T。通过喷水推进推力分配机理，在已知主机转速n，舵角θ以及倒车斗的位置角度γ等参数的条件下，得到喷水推进装置产生推力T的大小和方向，进而通过对2台推进器的异步控制，实现对船舶运动姿态的调整。

3.2 小舵角操纵仿真

在Simulink平台中输入船的相关参数：本文仿真目标船为13 m高速船，排水量约9 t，采用双机双泵推进，主机功率240 kW，最大航速不低于40 kn。

为模拟小舵角优化后手柄操舵系统船舶运动情况，在Simulink平台开展仿真试验：假定船以6 kn航速低速航行，并开展Z型操舵试验^[6]。

试验1：未优化手柄时，驾驶员操纵手柄将舵角从0°操纵至+12°位置，然后反向操纵至–12°，其后再操纵至+12°，如此反复。

试验2：优化后的手柄，驾驶员操纵手柄将舵角指示从0°操纵至+6°位置，然后反向操纵至–6°，其后再操纵至+6°，如此反复。

由于两试验在手柄刻度盘上的行程相同，故默认驾驶员以相同的速率进行操舵，仿真结果如图6所示。

模拟仿真对比轨迹的结果表明：在不改变操舵方法的前提下，手柄操纵系统经优化后，船舶小舵角运动轨迹明显改善，船从原来的最大首向偏移幅值约13 m缩减为7 m，幅值缩小近46%，效果非常明显。尤其是对于20 m宽的河道，采用本优化方案在操舵时可以大大降低触边的风险。

3.3 紧急停车仿真

为验证手柄操纵系统的紧急停车功能，在Simulink平台中开展模拟对比试验见，如图7所示。

试验1：当船舶稳定运行至航速约30 kn（15.4 m/s）时，将手柄从+5档拉回至0推力位置，在阻力作用下，当航速降低至0 kn时，记录此过程中的时间和停船距离；

试验2：当船舶稳定运行至航速约30 kn时，将手柄迅速从+5档拉至–3档并触发“紧急停车”功能，当航速降低至0 kn时，记录此过程中的时间和停船距离。

仿真结果表明：采用优化后的手柄操纵系统实现最大航速紧急停船时，时间由正常停船的15 s缩短至6 s，较正常停船时间缩短了60%；停船距离由110 m缩短至50 m（约4倍船长），较正常停船距离缩短了54.5%，急停功能效果明显。

4 结　语

本文针对船舶存在的狭窄航道航行、多工况推进和紧急停车的实际需求，对喷水推进二维手柄操纵系统的硬件和控制策略开展优化设计，并经模拟仿真验证，结果表明：

1）在不改变原有操舵习惯的前提下，手柄操舵系统优化后首向运动的偏移幅值缩减46%，大大降低了狭窄航道碰壁的风险；

2）手柄采取了多工况档位策略和“指令反馈”设计，提升了多工况的操纵体验；

3）手柄增加了“紧急停车”功能，停船距离缩短了54.5%，效果显著。

本文提出的手柄操纵系统优化方案，通过了实船测试，能够大幅度提升特定场景下驾驶人员的操船体验，且根据实际需求还能加入更多的辅助功能，如加速控制、Joystick控制等，对相关技术提升有一定的借鉴作用。