一种针对Z形操纵试验数据自动处理方法

一种针对z形操纵试验数据自动处理方法
技术领域
1.本发明属于船舶操纵性技术领域，具体涉及一种针对z形操纵试验数据自动处理方法。


背景技术：

2.z形操纵试验是研究船舶操纵性的一个重要内容，新船造好后的实船操纵试验是对该船操纵性能优劣的评定。船舶的操纵性能主要指船舶保持或改变原来运动状态的性能，它包括船舶惯性性能、旋回性能、航向稳定性能等，是船舶航行的重要性能之一，对船舶航行的经济性和安全性至关重要。近年来，水路、海上运输日益增长，船舶数量不断增加，同时船舶更趋专业化、大型化和高速化，使得航道更为拥挤，严重影响船舶安全航行与操纵，导致船舶碰撞等海难事故的危险性增加。因此掌握船舶操纵性能对驾驶人员尤为重要，对船舶操纵性的研究也具有重要的现实意义。
3.操纵性试验的方法有很多种，主要有：回转试验、z形试验，回舵试验、螺线及逆螺线实验、频率响应试验等，其中z形试验用来评价船的航向改变性能，测定回转性指数k和应舵指数t，在操纵试验中应用较为广泛。目前，普遍采用实船z形试验的方法，通过求解野本方程来获取操纵性指数k、t，实践中是通过z形试验取得一系列时间点上的舵角δ、艏向角ψ，将这些点在坐标轴上用光滑的曲线链接起来便得到艏向角随时间变化曲线ψ＝f(t)和舵角随时间变化曲线δ＝f(t)，然后在曲线上找出特征点计算。但是这种人工操作的误差难以控制，即使在同一种数据的情况下，不同的人或者在不同的坐标系下得出的结论肯定会有一定的差别，使得求解的操纵性指数的精度不是很好，对船操纵性能优劣的评定存在潜在不足。


技术实现要素：

4.本发明提供一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，以解决评定船舶操纵性能优劣时所具有的潜在不足的问题。
5.本发明通过以下技术方案实现：
6.一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，所述处理方法具体包括以下步骤：
7.步骤1：分别采集舰船状态、试验海区及水文气象的数据；
8.步骤2：舰船在正常排水量状态下，分别以全速、巡航航速和低速在预定航向上稳速直线航行，稳定2min～3min后，急速操右舵10
°
，待航向向右偏离原航向10
°
时，立即操左舵10
°
，当航向向左偏离原航向10
°
时，立即操右舵10
°
，以此反复连续操舵四次，当航向第四次经过原航向时，操舵回中，一次试验结束；
9.步骤3：连续记录试验过程中舰船的航速、舵角、艏向角和艏向角速度的数据；
10.步骤4：将步骤3连续记录的试验数据进行录取和处理；
11.步骤5：基于步骤4处理后的数据，对野本方程展开分析计算。
12.一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，所述步骤3连续记录试验数据采用相关
仪器或结合秒表进行手记；
13.所述相关仪器包括角速度陀螺仪、dgps、秒表和风向风速仪；
14.所述结合秒表进行手记时需要记录每次操舵的起止时间、舵角保持不变的时间、原航向改变10
°
的时间、航向角超越角。
15.一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，所述步骤4具体为，根据测得的舰船航向角、舵角与时间的对应值，绘制航向角、舵角与时间关系曲线。
16.一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，所述步骤5具体为，采用分析方法来求解，取得曲线上的特征点，通过数值计算的方法对野本方程展开分析计算。
17.一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，船欲保持直线航行，须转某一压舵角δr；在分析中它是一个未知量；如果实际舵角为δ，则实效舵角为δ+δr，δr以左舵角为正，则船舶k、t方程可写为：
[0018][0019]
z形操纵试验得到的ψ曲线，应满足该方程；
[0020]
作t＝0处ψ(t)曲线的切线，其斜率为并在ψ(t)曲线各峰谷值附近作平行于它的切线，切点为e、e
′
、e
″
，所以有：若z形试验开始时，船确作直线运动，则上式都为0。
[0021]
一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，所述分析方法具体为，
[0022]
s1：把方程(1)的等号两端分别在(0，te′
)和(0，te″
)区间积分得到：
[0023][0024][0025]
将上两式联立求解，从而得k和δr，计此处的k为k
68
：为后两个峰得到的k值；
[0026]
s2：在(0，te)区间内积分方程(1)，得到：
[0027][0028]
将上面求到的δr代入，求出k，此处k记为k4：为由第一个峰得到的k值；
[0029]
s3：在(t2，te)，(t4，te′
)，(t6，te″
)区间内积分方程(1)，得到：
[0030][0031][0032][0033]
求得t4、t6、t8；
[0034]
s4：计算时，δ(t)用梯形近似、分段积分；
[0035]
s5：k4、t4为最初一个峰区的k、t指数，k
68
、t
68
为后两个峰区的k、t指数，两者的平均值作为本船的指数，即
[0036][0037]
s6：k、t的无量纲值：
[0038][0039]
其中，l为船长，v为直航速度；k
′
为无因次回转性指数；t
′
为无因次应舵航向稳定性指数；k为回转性指数，单位：1/s；t为应舵航向稳定性指数，单位：s；
[0040]
s7：对上述分析进行整理、化简。
[0041]
一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，所述s7具体为，假设在做10
°
/10
°
的z形操纵试验时，每次操舵到+10
°
保持不变或是操反舵至舵角为-10
°
保持不变时，在舵角保持不变的时间内仪器测量的舵角值均为+10
°
或是-10
°
。
[0042]
假设z形试验曲线上，艏向角随时间变化曲线ψ＝f(t)和舵角随时间变化曲线δ＝f(t)，交点的纵坐标的角度值在除零时刻外均为+10
°
或是-10
°
。
[0043]
化简整理后的计算最终过程如下：
[0044][0045][0046][0047]
d＝δ(t
3-te)；
[0048]
e＝δ(t
′
e-t5)；
[0049]
f＝δ(t
7-t
″e)；
[0050]k68
＝(t
″e*ψ
′
e-t
′e*ψ
″e)/(a*t
″
e-b*t
′e)；
[0051]
δr＝(ψ
′
e-k
68
*a)/(k
68
*t
′e)；
[0052]
k4＝ψe/(c+δr*te)；
[0053][0054][0055][0056][0057][0058][0059]
k＝l*k/v；
[0060]
t＝v*t/l。
[0061]
其中，δ为z形试验曲线上第一次操舵保持不变后的舵角值，包括正负号。
[0062]
本发明的有益效果是：
[0063]
本发明根据操纵性试验记录的数据，通过数值计算的方法，对操纵性k、t指数进行求解。同时在分析野本方程的过程中，简化了计算步骤，相应的减少了z形曲线上特征点的
提取数量，降低了人工操作误差难以控制的风险，从而更快速简便且有效地实现了操纵性指数的计算。与常采用的计算方法相比，能有效的节约计算时间，并使计算得到的操纵性指数的精度有所改善。
附图说明
[0064]
图1是本发明的舵角、首向角随时间的变化图。
具体实施方式
[0065]
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0066]
参见表1说明本实施方式，由测定的z形操纵试验中舰船的航速、舵角、艏向角、艏向角速度等参数得到操纵性指数k、t。它需要用到的试验仪器有电罗经、角速度陀螺仪、秒表、和dgps等。
[0067]
本实施例中所述电罗经用于测定舰船z形试验过程中的艏向角；
[0068]
本实施例中还需连续记录试验过程中的舵角；
[0069]
本实施例中所述秒表记录时间；
[0070]
本实施例中所述计程仪用来测定航速；
[0071]
本实施例中所述陀螺仪用于测定舰船的艏向角速度；
[0072]
本实施例中所述dgps用来定位舰船位置。
[0073]
参见图1为根据表2测得的舰船艏向角、舵角与时间的对应值，绘制的艏向角、舵角与时间的关系曲线图。
[0074]
一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，所述处理方法具体包括以下步骤：
[0075]
步骤1：分别采集舰船状态、试验海区及水文气象的数据；
[0076]
步骤2：舰船在正常排水量状态下，分别以全速、巡航航速和低速在预定航向上稳速直线航行，稳定2min～3min后，急速操右舵10
°
，待航向向右偏离原航向10
°
时，立即操左舵10
°
，当航向向左偏离原航向10
°
时，立即操右舵10
°
，以此反复连续操舵四次，当航向第四次经过原航向时，操舵回中，一次试验结束；
[0077]
步骤3：连续记录试验过程中舰船的航速、舵角、艏向角和艏向角速度的数据；
[0078]
步骤4：将步骤3连续记录的试验数据进行录取和处理；
[0079]
步骤5：基于步骤4处理后的数据，对野本方程展开分析计算。
[0080]
一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，所述
[0081]
一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，所述步骤3连续记录试验数据采用相关仪器或在没有连续记录仪情况下结合秒表进行手记；
[0082]
所述相关仪器包括角速度陀螺仪、dgps、秒表和风向风速仪；
[0083]
所述结合秒表进行手记时需要记录每次操舵的起止时间、舵角保持不变的时间、原航向改变10
°
的时间、航向角超越角，将测试结果填入附图中的表1。
[0084]
一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，所述步骤4具体为，根据测得的舰船航
向角、舵角与时间的对应值，参照附图中的图1绘制航向角、舵角与时间关系曲线。
[0085]
一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，所述步骤5具体为，采用分析方法来求解，分析中采用的符号表示在图1上，取得曲线上的特征点，通过数值计算的方法对野本方程展开分析计算。
[0086]
一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，由于螺旋桨尾流的不对称性及其他因素影响，当舵位于正中时，船舶通常不能保持直线航行，而会缓慢地进行回转；因此，船欲保持直线航行，须转某一压舵角δr；在分析中它是一个未知量；如果实际舵角为δ，则实效舵角为δ+δr，δr以左舵角为正，则船舶k、t方程可写为：
[0087][0088]
其中，k为回转性指数，t为应舵航向稳定性指数，
[0089]
z形操纵试验得到的艏向角ψ曲线，应满足该方程；
[0090]
作t＝0处ψ(t)曲线的切线，其斜率为并在ψ(t)曲线各峰谷值附近作平行于它的切线，切点为e、e
′
、e
″
(作为辅助点进行曲线分析)，所以有：若z形试验开始时，船确作直线运动，则上式都为0。
[0091]
一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，所述分析方法具体为，
[0092]
s1：把方程(1)的等号两端分别在(0，t
′e)和(0，t
″e)区间积分得到：
[0093][0094][0095]
其中，δ(t)为舵角δ关于时间t的函数，t
′e为上述切点e
′
对应的横坐标-时间，t
″e为上述切点e
″
对应的横坐标-时间；
[0096]
将上两式联立求解，从而得k和δr，计此处的k为k
68
，k
68
为后两个峰得到的k值；
[0097]
s2：在(0，te)区间内积分方程(1)，得到：
[0098][0099]
将上面求到的δr代入，求出k，此处k记为k4：为由第一个峰得到的k值；
[0100]
s3：在(t2，te)，(t4，te′
)，(t6，te″
)区间内积分方程(1)，得到：
[0101][0102][0103][0104]
对应本实例z形曲线；
[0105]
其中，t1为第一次操正舵至δ＝10
°
的时间，t2为第一次开始操反舵的时间，t3为第一次操反舵至δ＝-10
°
的时间，t4为第二次开始操正舵的时间，t5为第二次操正舵至δ＝10
°
的时间，t6为第二次开始操反舵的时间，t7为第二次操反舵至δ＝-10
°
的时间，求得t4、t6、t8，
t4为第一个峰得到的t值，t6为第二个峰得到的t值，t8为第三个峰得到的t值；
[0106]
s4：计算时，δ(t)用梯形近似、分段积分；
[0107]
例如：其他类似。
[0108]
s5：k4、t4为最初一个峰区的k、t指数，k
68
、t
68
为后两个峰区的k、t指数，两者的平均值作为本船的指数，即
[0109][0110]
s6：k、t的无量纲值：
[0111][0112]
其中，l为船长，v为直航速度；k
′
为无因次回转性指数；t
′
为无因次应舵航向稳定性指数；k为回转性指数，单位：1/s；t为应舵航向稳定性指数，单位：s；
[0113]
s7：对上述分析进行整理、化简。
[0114]
一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，所述s7具体为，假设在做10
°
/10
°
的z形操纵试验时，每次操舵到+10
°
保持不变或是操反舵至舵角为-10
°
保持不变时，在舵角保持不变的时间内仪器测量的舵角值均为+10
°
或是-10
°
。
[0115]
假设z形试验曲线上，艏向角随时间变化曲线ψ＝f(t)和舵角随时间变化曲线δ＝f(t)，交点的纵坐标的角度值在除零时刻外均为+10
°
或是-10
°
。
[0116]
化简整理后的计算最终过程如下：
[0117][0118][0119][0120]
d＝δ(t
3-te)；
[0121]
e＝δ(t
′
e-t5)；
[0122]
f＝δ(t
7-t
″e)；
[0123]k68
＝(t
″e*ψ
′
e-t
′e*ψ
″e)/(a*t
″
e-b*t
′e)；
[0124]
δr＝(ψ
′
e-k
68
*a)/(k
68
*t
′e)；
[0125]
k4＝ψe/(c+δr*te)；
[0126][0127][0128][0129][0130][0131]
[0132]
k＝l*k/v；
[0133]
t＝v*t/l。
[0134]
其中，δ为z形试验曲线上第一次操舵保持不变后的舵角值，包括正负号。
[0135]
表1 z形操纵试验测量记录表
[0136]

技术特征：
1.一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，其特征在于，所述处理方法具体包括以下步骤：步骤1：分别采集舰船状态、试验海区及水文气象的数据；步骤2：舰船在正常排水量状态下，分别以全速、巡航航速和低速在预定航向上稳速直线航行，稳定2min～3min后，急速操右舵10
°
，待航向向右偏离原航向10
°
时，立即操左舵10
°
，当航向向左偏离原航向10
°
时，立即操右舵10
°
，以此反复连续操舵四次，当航向第四次经过原航向时，操舵回中，一次试验结束；步骤3：连续记录试验过程中舰船的航速、舵角、艏向角和艏向角速度的数据；步骤4：将步骤3连续记录的试验数据进行录取和处理；步骤5：基于步骤4处理后的数据，对野本方程展开分析计算。2.根据权利要求1所述一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，其特征在于，所述步骤3连续记录试验数据采用相关仪器或结合秒表进行手记；所述相关仪器包括角速度陀螺仪、dgps、秒表和风向风速仪；所述结合秒表进行手记时需要记录每次操舵的起止时间、舵角保持不变的时间、原航向改变10
°
的时间、航向角超越角。3.根据权利要求1所述一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，其特征在于，所述步骤4具体为，根据测得的舰船航向角、舵角与时间的对应值，绘制航向角、舵角与时间关系曲线。4.根据权利要求1所述一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，其特征在于，所述步骤5具体为，采用分析方法来求解，取得曲线上的特征点，通过数值计算的方法对野本方程展开分析计算。5.根据权利要求3所述一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，其特征在于，船欲保持直线航行，须转某一压舵角δ
r
；在分析中它是一个未知量；如果实际舵角为δ，则实效舵角为δ+δ
r
，δ
r
以左舵角为正，则船舶k、t方程可写为：z形操纵试验得到的ψ曲线，应满足该方程；作t＝0处ψ(t)曲线的切线，其斜率为并在ψ(t)曲线各峰谷值附近作平行于它的切线，切点为e、e
′
、e
″
，所以有：若z形试验开始时，船确作直线运动，则上式都为0。6.根据权利要求5所述一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，其特征在于，所述分析方法具体为，s1：把方程(1)的等号两端分别在(0，t
e
′
)和(0，t
e
″
)区间积分得到：)区间积分得到：将上两式联立求解，从而得k和δ
r
，计此处的k为k
68
：为后两个峰得到的k值；
s2：在(0，t
e
)区间内积分方程(1)，得到：将上面求到的δ
r
代入，求出k，此处k记为k4：为由第一个峰得到的k值；s3：在(t2，t
e
)，(t4，t
e
′
)，(t6，t
e
″
)区间内积分方程(1)，得到：)区间内积分方程(1)，得到：)区间内积分方程(1)，得到：求得t4、t6、t8；s4：计算时，δ(t)用梯形近似、分段积分；s5：k4、t4为最初一个峰区的k、t指数，k
68
、t
68
为后两个峰区的k、t指数，两者的平均值作为本船的指数，即s6：k、t的无量纲值：其中，l为船长，v为直航速度；k
′
为无因次回转性指数；t
′
为无因次应舵航向稳定性指数；k为回转性指数，单位：1/s；t为应舵航向稳定性指数，单位：s；s7：对上述分析进行整理、化简。7.根据权利要求6所述一种针对z形操纵试验数据自动处理方法，其特征在于，所述s7具体为，假设在做10
°
/10
°
的z形操纵试验时，每次操舵到+10
°
保持不变或是操反舵至舵角为-10
°
保持不变时，在舵角保持不变的时间内仪器测量的舵角值均为+10
°
或是-10
°
；假设z形试验曲线上，艏向角随时间变化曲线ψ＝f(t)和舵角随时间变化曲线δ＝f(t)，交点的纵坐标的角度值在除零时刻外均为+10
°
或是-10
°
；化简整理后的计算最终过程如下：化简整理后的计算最终过程如下：化简整理后的计算最终过程如下：d＝δ(t
3-t
e
)；e＝δ(t
′
e-t5)；f＝δ(t
7-t
″
e
)；k
68
＝(t
″
e
*ψ
′
e-t
′
e
*ψ
″
e
)/(a*t
″
e-b*t
′
e
)；δ
r
＝(ψ
′
e-k
68
*a)/(k
68
*t
′
e
)；k4＝ψ
e
/(c+δ
r
*t
e
)；
k＝l*k/v；t＝v*t/l；其中，δ为z形试验曲线上第一次操舵保持不变后的舵角值，包括正负号。

技术总结
本发明提供一种针对Z形操纵试验数据自动处理方法。分别采集舰船状态、试验海区及水文气象的数据；舰船在正常排水量状态下，分别以全速、巡航航速和低速在预定航向上稳速直线航行，稳定2min～3min后，急速操右舵10


技术研发人员：刘东 孙树政 武裕鑫 邹高远 王睿
受保护的技术使用者：烟台哈尔滨工程大学研究院
技术研发日：2022.09.06
技术公布日：2023/5/5