第四章自由自航船舶操纵性试验
船舶操纵实验指导
实验（实践）目的与要求一、实验（实践）目的《船舶操纵》是航海技术专业重要的专业必修课之一，内容既有一定的理论深度，又体现出较强的实践性。
本课程实验（实践）环节的任务在于满足职业教育和学位教育教学目标，实施履行《STCW 78／95公约》和《中华人民共和国海船船员适任考试、评估和发证规则》以及相关规定，同时承担培养从事教学、科研和管理的高级航海技术专门人才的重要任务。
实验（实践）环节目的在于培养学生树立正确的学习目标，培养扎实、认真的科学态度，掌握基本的船舶的操纵理论、国际避碰规则以及航行值班原则和驾驶台工作程序的有关内容及规定，初步掌握各种条件下的船舶操纵与避碰技术和方法以及海难中应急操船的能力，增强学生的实践经验，培养学生分析判断能力、理论联系实际和创新精神，为从事本专业及相关的工程技术工作打下基础。
二、实验（实践）考核要求根据《大连海事大学课程考核工作管理规定》要求，本课程为考试课，采用百分制计分法，期末考试占总评成绩的70%，平时成绩占总评成绩的30%，期末考试成绩与平时成绩均按百分计（满分100），登录成绩时按比例汇总。
平时成绩包括平时测验、课堂提问、平时作业完成情况、平时学习态度、平时参加实验实训情况等。
不准以课堂考勤情况替代30%左右的平时成绩。
考虑可行性，本门课程平时成绩包括平时测验、平时作业完成情况、平时参加实验实训情况，分数及比例分配为：平时测验成绩占平时成绩的20%（按满分20分计）、平时作业成绩占平时成绩的30%（按满分30分计）、实验实训成绩占平时成绩的50%（按满分50分计）。
三、实践考核标准1.实践考核满分为50分，每项实践内容考核分为10分，具体考核内容包括实操效果、实验记录及分析总结。
考核成绩计入授课记录相应的单元格内，要求保存实验报告。
2.在实操效果评估可结合训练的同时进行，采用的打分或评估方法，应做到有理有据，应当按照质量体系要求填写并保存适当的记录。
3.对某一训练项目评估考试不及格者，准予其补考一次，补考可在培训期问完成补考仍不及格者，必须重新参加该项目的训练。
船舶操纵性与耐波性总结
船舶操纵性：是指船舶按照驾驶者的意图保持或改变其运动状态的性能，即船舶能保持或改变其航速、航向和位置的能力。
航向稳定性：表示船舶在水平面内的运动受扰动而偏离平衡状态，当扰动完全消除后能保持其原有平衡状态的性能。
回转性：表示船舶在一定舵角作用下作圆弧运动的性能。
转首性：表示船舶应舵转首并迅速进入新的稳定状态的性能. 运动稳定性与机动性制约：小舵角下的航向保持性 、中舵角下的航向机动性 、大舵角下的紧急规避性固定与运动坐标系的关系：漂角：速度V 与OX 轴正方向的夹角β。
舵角：舵与OX 轴之间的夹角δ。
舵速角：重心瞬时速度矢量与O 0X 0轴之间的夹角ψ0。
线性水动力导数意义：船舶作匀速直线运动，在其他参数不变时，改变某一运动参数所引起的作用于船舶的水动力或矩对该参数的变化率。
水动力导数：Xu= Yu= 通常可称对线速度分量u 的导数为线性速度导数．如：Xu 等。
对横向速度分量v 的导数为位置导数，如：Yv 、Nv 等。
对回转角速度r 的导数为旋转导数，如：Nr 、Yr 等。
对各加速度分量和角加速度分量的导数为加速度导数Xu 。
，对舵角δ的导数为控制导数，如：Y δ等。
稳定性：对处于定常运动状态的物体(或系统)，若受到极小的外界干扰作用而偏离原定常运动状态；当干扰去除后，经过一定的过渡过程，看是否具有回复到原定常运动状态的能力。
若能回复，则称原运动状态是稳定的。
直线稳定性：船舶受到瞬时扰动以后，重心轨迹最终恢复成为一条直线,但航向发生了变化。
方向稳定性：船舶受到的瞬时扰动消失以后，重心轨迹最终成为原航线平行的另一直线。
位置稳定性：船舶受到瞬时扰动，当扰动消失以后，重心轨迹最终恢复成为与原来航线的延长线。
稳定衡准数:C=-Y V (mx G u 1-N r )+N V （mu 1-Y r ）；C>0 表示船舶在水平面的运动具有直线稳定性；C<0 则不具有直线稳定性。
影响航向稳定性的因素：(1)为改善其航向稳定性，应使Nr 、Yv 二者的负值增加，从C 的表达式可见，此二者之乘积的正值就越大，显然有利于改善稳定性。
04自由自航船舶操纵性试验
回舵试验
《船舶操纵性与耐波性》课件
通常将回舵试验结果绘成如图4-7 所示的试验曲线。 对于具有直线运动稳定性的船舶， 最终的回转角速度均趋于零，即在 零舵角下，船舶将恢复为直线航行。 这正是船舶具有直线运动稳定性的 一种特征。 对于不具有直线稳定性的船舶，最 终将以某角速度值作定常回转，表 示即使舵角为零，船舶仍将作回转 运动，这正是船舶不具有直线运动 稳定性的特征。 图4-7(a)中的ab之间距离相当于螺 线试验中迟滞环线的环高，可表征 不稳定程度。
船海系：邱磊
逆螺线试验
《船舶操纵性与耐波性》课件
逆螺线试验与螺线试验相反，它是 事先规定一系列回转角速度r0值， 而通过自动驾驶仪或人工操舵的方 法使船舶保持各角速度值定常回转。 由于它是固定r0而改变δ，与螺线试 验固定δ而r则任其发展变化到r0的 操纵方式相逆，所以试验时间大大 缩短。实际试验仅需30min。 此外，在小舵角回转时，船舶易受 风，浪等外来扰动影响，使试验结 果不可靠，逆螺线试验由于采用主 动操舵而保持r0定值，抗外界干扰 能力增强了，故此法被提出后，受 到操纵性研究者的广泛支持。
L0 LA LB
在图上任取一点O，作直线Ox0， 并取其为船舶初始航线。按一 定的比例尺，以O为圆心，L0为 半径作圆。各时刻tj 船舶重心 点位置作图如下:
光学跟踪的绕标方法结果精确，但 需在试验水域设置浮标，不方便。
图4-2(b)
船海系：邱磊
光学跟踪的绕标方法
《船舶操纵性与耐波性》课件
船舶操纵性与耐波性
第四章自由自航船舶操纵性试验 邱磊 qiu-lei01@
PMM平面运动机构试验
《船舶操纵性与耐波性》课件
船海系：邱磊
船舶操纵-PPT课件
2.2 船舶操纵运动方程
野本方程
操舵速度有限，船舶的惯性很大，船舶对舵的 响应也是一种非常缓慢的运动，因此有
建立了有效的数学研究方法，借鉴飞艇操纵理论
1939，巴辛
利用里亚谱诺夫运动稳定理论研究船舶的运动稳定 性
1.1 船舶操纵性总论
船舶操纵性研究的发展过程
1944，肯夫（kemf）
提出了用Z形操舵试验来评价船舶的操纵性，开创了 船舶对操舵的动态响应研究
1946，戴维逊(K. S. Davidson)和许夫(L. I. Schiff)
1.1 操纵性总论
操纵性的重要意义（经济性要求）
在海上的直航运动，
航向稳定性好 不用经常地去操舵，航迹接近直线
不好的船 频繁操舵纠正航向，经历曲折的航线，增加了实际 的航行距离，同时增加了操纵装置和推进装置的功 率消耗 由于操舵增加的功率消耗占主机功率的2%-3%，航 向稳定性不好的船，可以高达20%。
船舶有横漂速度 时横向力的导数。该力很大， 方向与 相反；
船舶有横漂速度 时横向力对重心力矩的导数。 该力矩不太大，为负值，方向有使漂角增大的趋势；
船舶有前进速度 时纵向力的导数。该力较小， 方向与 相反。
2.2 船舶操纵运动方程
水动力导数的物理意义
水动力和力矩的旋转导数 和
船首具有右舷攻角，产生负的水动力和负的水动力 矩
– 该时刻船舶运动状态决定的水动力 – 该时刻以前的运动历史决定的水动力
其他原因引起的外力，如托缆力和风压力等；
2.2 操纵运动方程的线性化
水动力学数学模型
船舶静水中运动时的受力，采用一阶泰勒展开
2.2 操纵运动方程的线性化
第四章自由自航船舶操纵性试验 船舶运动学教学课件-PPT课件
如图所示：切线交t轴于t2 量得：
其中t1为操舵时间。
回 转 试 验
5. 测量轨迹的积分方法
(1)把记录的船速和首向角以时间为横坐标绘成 (2) 下图的所示形式，对测量值进行初步的校 核。
回 转 试 验
5. 测量轨迹的积分方法
（2）按式 ，以枢心代替重心，计
船舶回转性---影响回转圈大小的因素
4、外界环境的影响
①浅水：回转圈随着水深的变浅而逐渐增大 。当水深与吃水之比小于2时，旋回圈将明显 增大。 ②污底和风流：污底越多摩擦阻力增加，旋 回圈变大，但影响很小。顶风顶流将使纵矩 减小。
第四章 自由自航船舶操纵性实验
第二节 螺线试验与逆螺线试验
螺线试验与逆螺线试验
回转试验实船船模自航模约束模螺旋与逆螺旋试验z型操舵试验所测数据代表各项流体动力综合影响直线拖曳试验位置导数悬臂试验回转导数平面运动机构试验加速度导数在约束模试验中通过各专门装置强迫船模进行精确控制下的运动每次可变换一个参数令其他参数为零可分别求得此单一参数下的流体动力力矩导数第九章垂直平面运动机构pmmtest回转臂水池回转臂水池中国船舶研究中心在前几章中我们基于线性操纵运动方程分析了船舶航向稳定性和回转性以及对操舵的转首响应特性若能知道数学模型中的系数就能确定其响应运动及其有关的操纵特性
回 转 试 验
1.试验目的
求船舶的回转要素。其中包括：
进距
横距 回转初径
Ad （advance）
Tr （transfer） DT（tactical diameter）
回转直径
滞距
D （final diameter）
Re （reach）
船舶操纵性总结
操纵性绪论操纵性定义：船舶按照驾驶者的意图保持或改变其运动状态的性能，即船舶能保持或改变航速、航向和位置的性能。
操纵性内容：1. 航向稳定性：表示船舶在水平面内的运动受扰动而偏离平衡状态，当扰动完全消除后能保持其原有平衡状态的性能。
2．回转性：表示船舶在一定舵角作用下作圆弧运动的性能。
3．转首性和跟从性：表示船舶应舵转首及迅速进入新的稳定运动状态的性能。
4. 停船性能：船舶对惯性停船和盗车停船的相应性能。
附加质量和附加惯性矩：作不定常运动（操纵和耐波运动）的船舶，除了船体本身受到愈加速度成比例的惯性力外，同时船体作用于周围的水，使之得到加速度。
根据作用力和反作用力，水对船体存在反作用力，这个反作用力称为附加惯性力。
附加惯性力是与船的加速度成比例的，其比例系数称为附加质量。
船舶操纵一、操纵运动方程1.1坐标系一、固定坐标系：固定坐标系是固结在地球表面，不随时间而变化的，如图所示。
首向角ψ：X 0与X 的夹角（由X 0转向X ，顺时针为正）。
二、运动坐标系：运动坐标系是固结在船体上的，随船一起运动的，如图所示。
重心坐标：X OG 、Y OG ； 船速：V 重心G 瞬时速度； 航速角ψ0：X0轴与船速V 夹角(顺时针为正)；漂角：β船速与X 轴夹角(顺时针为正)； 回转角速度：γ=dψdt；回转曲率：R 右舷为正； 舵角：δ左舷为正。
三、枢心：回转时漂角为零点、横向速度为零的点。
1.2线性运动方程一、坐标转换00cos sin sin cos ψψψψ=-=+G G x u v y u v二、简化方程当重心在原点处：X G =0 运动坐标系一般方程：三、对于给定船型、给定流体中的运动情况船型参数和流体特性为已知条件； 操纵运动为缓变过程，忽略高阶小量； 忽略推进器转速影响；操舵过程短暂，忽略转舵加速度。
则可将给定船型流体中受力情况表示如下：由泰勒展开式，用水动力导数表示如下：四、简化后的操纵运动线性方程式：2()()()ψψψψψψ=--=++=++G G Z G X m u v x Y m v u x N I mx vu 00cos sin ψψ=+G G X mx my 00cos sin ψψ=-G G Y mymx ()()ψψψ=-=+=z X m u v Y m v u NI (,,,,,,)(,,,,,,)(,,,,,,)X X u v r u v r Y Y u v r u v r N N u v r u v r δδδ===v r v r v r v r Y Y v Y r Y v Y r Y N N v N r N v N r N δδδδ=++++=++++11111()()()()()()()()v v G r r G v v z r G r v ur v u u r r v u rm Y v Y v mx Y r mu Y r Y mx N v N v I N r mx u N r N δδδδ+=++∆+∆=+--+-+-=--+-+-=1.3水动力导数一、定义：匀速直线运动时，只改变一个运动参数，其他不变引起的作用于船舶水动力对运动参数的变化率。
船舶运动学重要概念、简答(操纵性、耐波性)
首向角：船舶纵剖面与OoXo轴的交角。
漂角：重心速度与GX轴正方向夹角。
航速角：重心瞬时速度矢量与OoXo轴夹角。
船舶操纵性是指船舶按照驾驶者的意图保持或改变其运动状态的性能，即船舶能保持或改变其航速、航向和位置的性能。
包括小舵角的航向稳定性、中舵角的航向机动性和大舵角的紧急规避性。
内容如下：1. 航向稳定性：表示船舶在水平面内的运动受扰动而偏离平衡状态，当扰动完全消除后能保持其原有平衡状态的性能。
表示船舶在水平面内的运动受扰动而偏离平衡状态，当扰动完全消除后能保持其原有平衡状态的性能。
2．回转性：表示船舶在一定舵角作用下作圆弧运动的性能。
3．转首性和跟从性：表示船舶应舵转首及迅速进入新的稳定运动状态的性能。
4. 停船性能：船舶对惯性停船和盗车停船的相应性能。
枢心：回转时漂角为零点、横向速度为零的点。
附加惯性力：作不定常运动的船舶，除本身受到与加速度成比例的惯性力外，同时船体作用于周围的水，使之得到加速度，根据作用与反作用力原理，水对船体存在反作用力，这个力称为。
附加质量：附加惯性力是与船的加速度成比例的，其比例系数称为。
水动力导数：位置导数 Yv ,Nv：船体受到一个升力Yv，船体首部和尾部长力方向一致，v都都指向v的负方向，因此合力是一个较大的负值，Yv是一个较大的负值，而水动力矩由于首尾作用相抵消，其绝对值不会很大，因机翼的水动力中心在形成之前，首部作用占优，Nv是一个不大的负值。
加速度导数：Yv点是水动力Y相对于加速度在平衡状态下的变化率，正的加速度的船舶经受一个与加速度相反方向的水反作用力，因此Yv点是一个相当大的负值。
由于船首和船尾对Z轴产生的水动力力矩方向相反，因此水动力矩导数Nv点是一个不大的数值，其符号取决于船型。
旋转导数Yr ,Nr：由于船首和船尾水动力方向相反，因此水动力导数Yr的绝对值不是很大，其符号取决于船型，可正可负。
由于船体回转产生的水动力矩在船首尾有相同的方向，都是阻止船舶回转的，因此水动力矩导数Nr是一个很大的负值。
船舶自主航行试验技术与检验暂行规则(2023)
船舶自主航行试验技术与检验暂行规则(2023)船舶自主航行试验技术与检验暂行规则(2023)的出台标志着我国船舶自主航行试验技术得到了进一步的规范和完善。
自主航行试验技术作为航行领域的重要突破，对于推动航海科技的发展，提升我国航行安全水平，具有重要意义。
本文将就船舶自主航行试验技术与检验暂行规则(2023)进行全面探讨，以便读者更深入地了解这一重要领域。
一、背景介绍船舶自主航行试验技术一直是国际航海领域的热点话题，随着我国航海科技的飞速发展，船舶自主航行试验技术也得到了迅猛的发展。
2023年出台的船舶自主航行试验技术与检验暂行规则，为我国船舶自主航行试验技术的发展提供了更加明确的法规支持，推动了船舶自主航行试验技术的规范化和标准化发展。
这一规则的出台为我国船舶自主航行试验技术的进一步发展奠定了坚实的基础。
二、技术原理与应用船舶自主航行试验技术主要依托于人工智能、遥感技术、导航定位技术等先进技术手段，通过对船舶的感知、决策、执行等环节进行智能化处理，从而实现船舶在各种复杂环境下的自主航行能力。
这一技术的应用将大大提升航行的安全性和效率，对于缓解航行人力不足、降低事故风险等问题具有重要意义。
三、暂行规则的内容与要点船舶自主航行试验技术与检验暂行规则(2023)主要包括了航行试验技术的规范要求、试验检验程序、试验技术标准等内容。
其中，试验技术标准的制定将对船舶自主航行试验技术的研发和应用起到重要推动作用，为技术的进一步完善提供了指导和规范。
四、个人观点与展望船舶自主航行试验技术与检验暂行规则(2023)的出台，标志着我国船舶自主航行试验技术的发展进入了一个新的阶段。
作为一项具有重要战略意义的技术，船舶自主航行试验技术的发展将对我国航行领域的发展起到积极的推动作用，为我国船舶科技的崛起提供了新的动力和支持。
总结回顾船舶自主航行试验技术与检验暂行规则(2023)的出台，为我国船舶自主航行试验技术的发展提供了更加明确的法规支持，推动了船舶自主航行试验技术的规范化和标准化发展。
船舶操纵性试验规范
船舶操纵性试验规范1 范围本规范规定了用差分全球卫星定位系统(DGPS)接收机测试船舶操纵性的方法。
本规范适用于海船实船操纵性试验，水面舰艇可参照执行。
2 试验目的测定船舶操纵性能，绘制船舶驾驶室挂图，检验船舶操纵性能是否满足IMO 相关要求。
3 试验仪器、设备3.1 DGPS 测试系统包括DGPS 接收机、计算机、打印机。
3.2 DGPS 接收机DGPS 接收机应符合GB/T 15527的规定，且在差分信号作用200 n mile 内，定位误差应不大于 5 m（置信度95％，水平精度因子值不大于4）。
如果为双天线DGPS 接收机，定向误差不大于。
接收机应在标定的有效期内使用。
D 13.3 坐标和时间3.3.1 DGPS 测量采用WGS－84大地坐标系。
3.3.2 DGPS 测量采用协调世界时（UTC）记录。
每秒钟采集一组数据。
3.4 应用软件数据处理软件，包括采样软件和数据计算分析软件，应经检验合格认可后方可使用。
4 试验条件4.1 试验海区试验海区应开阔，有足够回旋余地。
水深不应小于船舶吃水的5倍。
4.2 试验海况风力不应大于蒲氏3级，海浪不应超过2级，潮流平稳。
4.3 船舶状态液货船一般为装载状态，其他船舶可为压载状态。
5 试验项目操纵性试验一般包括回转试验、紧急停船和惯性停船试验、Z 形操纵试验、威廉逊（Williamson)救生试验和航向稳定性试验等。
6 试验程序和方法6.1 试验前的准备 6.1.1 天线安装6.1.1.1 天线安装位置应尽量远离无线电干扰。
天线仰角以上的空间对卫星的视野应清晰，天线接地线应与船的接地系统连接。
D 56.1.1.2 天线位置尽可能安装在船舶重心垂直上方，否则应对测试结果进行位置修正。
如果为双天线，则两个天线中心位置的连线应与船舶中纵剖面线方向一致。
6.1.2 卫星信号和差分信号接收6.1.2.1 应能接收到4颗以上有足够强度的卫星信号。
6.1.2.2 应选择差分信号最强的差分台，保证差分信号良好。
船舶操纵与避碰实验报告
实验（实践）1 船舶操纵性试验1.实践内容（1）（选做）：旋回试验（满载、压载），实践要求：完成操作、记录、绘图，求出旋回要素。
1）试验方法：（1）保持船舶直线定常航速；（2）旋回之前一个船长时，记录初始船速、航向角、及推进器转速等；（3）发令，迅速转舵到指定的舵角，并维持该舵角；（4）随着船舶的转向，每隔不超过20秒的时间间隔，记录轨迹、航速、横倾角、及螺旋桨转数等数据。
（5）在整个船舶旋回中，保持舵角、转速不变，直至船舶航向角旋回360º以上。
2）实验报告内容（1）初始状态：船舶首、尾吃水、排水量，初始船速、主机转速。
（2）环境条件：水深、波浪(浪级，涌浪的周期及方向)、流向流速、风向风速。
旋回轨迹和旋回要素绘图离、超越角。
1）试验方法：以10º/10º(分子表示舵角，分母表示进行反向操舵时的航向角)Z形操纵试验为例：（1）保持船舶直线定常航速；发令之前记录初始船速、航向角、及推进器转速等；（2）发令，迅速转右舵到指定的舵角(10º)，并维持该舵角；（3）船舶开始右转，当船舶航向变化量与所操舵角相等时，迅速将舵转为左舵到指定的舵角(10º)，并维持该舵角；（4）当船舶航向改变量与所操左舵角相等时，迅速将舵转为右舵到指定的舵角(10º)，并维持该舵角；（5）如此反复进行，操舵达5次时，可结束一次试验。
除上述10º/10ºZ形操纵试验之外，根据需要，还可进行20º/20º、5º/5ºZ形操纵试验。
2）实验报告内容（1）初始状态：船舶首、尾吃水、排水量，初始船速、主机转速。
（2）环境条件：水深、波浪(浪级，涌浪的周期及方向)、流向流速、风向风速。
Z型试验绘图1）试验方法（1）保持船舶直线定常航速；发令之前记录初始船速、航向角及推进器转速等；（2）发令，将主机由全速进车改为全速倒车；（3）船舶开始减速，当船舶对水速度为0时，可结束一次试验。
2-4自由自航船舶操纵性试验教程
船舶回转性---影响回转圈大小的因素
4、外界环境的影响
①浅水：回转圈随着水深的变浅而逐渐增大。当 水深与吃水之比小于2时，旋回圈将明显增大。
回 转 试 验
5. 测量轨迹的积分方法
（5）根据上述所得的回转圈量取各回转要 素，并算出K、T指数。请参照下图：
回转圈及其要素
Tr G
G
DT G
G Admax Ad G Stern kick G Trmax
reach
G
β
武汉理工大学船模操纵性水池长80m，水面宽60m，最大水深 1.5m，池底平整可做深浅水自由自航船模操纵性试验，拥有计算机 数据实时采集显示处理系统。.
2-4 自由自航船舶操纵性试验
2-4-1 船舶回转试验
第一节 回转试验
回 转 试 验
回转试验是指在试验船速直航条件下，操左
35°舵角和右35°舵角或设计最大舵角并保持
之，使船舶进行左、右旋回运动的试验。
大舵角的回转模拟了实船航行时紧急规避时
的操纵。通过回转试验可评价回转运动的迅速程 度和所需的水域大小。
倾角。以上参数可从试验结果直接测量得到。
对回转试验结果也能进行K、T分析。
回 转 试 验
4. 对回转试验的结果进行分析。
K、T分析: 运动有非线性影响， K、T是一个平均概念。
如图所示： 当t很大时，转首角
随时间的变化呈直线关系
斜率Kδ0 =tgβ 。
回 转 试 验
4. 对回转试验的结果进行分析。
回 转 试 验
3. 回转试验测量轨迹的3种方法。
光学跟踪的绕标方法。
测量航速及首向角的积分方法。
岸上设置固定观察站。
回 转 试 验
船舶操纵性自航模试验不确定度分析
船舶操纵性自航模试验不确定度分析摘要：随着经济和科技水平的快速发展，操纵性是船舶重要的水动力性能之一，它与船舶航行安全密切相关，在船舶的设计阶段需对其操纵性能进行评估。
操纵性自航模试验是评估船舶操纵性能的重要技术手段。
浅水中操纵性自航模试验结果的不确定度水平。
给出了操纵性自航模试验结果的不确定度水平，包括Z形试验的超越角及回转试验的纵距、战术直径和稳定回转直径。
并针对回转试验的回转直径及Z形试验的超越角进行了不确定度计算。
对操纵性自航模试验的不确定度分析方法进行研究，形成自航模试验的不确定度分析方法；并以某集装箱船为研究对象，给出了回转试验和Z形试验的不确定度水平。
关键词：操纵性;自航模试验;不确定度引言由于气垫船自航模自由航行不受约束，且距离岸基有一定距离，其远程无线控制尤为关键。
在保证远程控制指令数据长距离传输稳定的同时，气垫船自航模其自身操作的复杂性，也应保证其远程控制系统具备大量数据互换的能力。
该文针对用于无约束状态下的模型试验气垫艇船自航模远程控制方法进行详细介绍，其中包括气垫船自航模自控系统与远程控制实施方法。
1系统工作流程系统工作流程分为两部分：一部分是图像采集和处理并与伺服系统形成闭环，调节船模成像到图像的正中心；另一部分是当船模成像到达图像正中心后，采集当前水平与垂直伺服系统的角度，计算当前船模坐标并与上一坐标点进行关联，绘制运行路径。
2自航模试验简介本文介绍的气垫船自航模总长小于5m，总重小于200kg它不同于常规水线面船艇，具有总重轻、航速高的特征，还包含水线面船艇所没有的围裙、空气螺旋桨、垫升风机、空气舵等特种设备。
同时，所进行的试验需在无障碍物的开阔水域进行，水域面积不小于1.5km×1.5km，数据传输距离长和数据传输同时性也需要保障。
自航模运动进行非线性仿真试验时，选择在开阔水域以获得相对真实的试验数据，因此，开阔水域对自航模远离岸基的远程操作控制提出了较高的要求。
第四章 舰船操纵性试验
第四章舰船操纵性试验舰船操纵性是舰船用其舵等控制装置改变或保持航向、航速、航行状态的性能，它是舰船重要的航海性能之一。
实船操纵性试验所得到的结果，具有重要的意义。
它综合地和直观地反映出了各种因素的影响，可直接供舰船操纵使用，同时又给设计和研究提供了客观依据，可改进设计和操纵性预报，可修正模型试验和实船试验的相关性系数。
舰船操纵性控制装置包括舵装置、导管装置、横推（侧推）装置等，种类很多。
本章中所介绍的主要是舵装置。
第15届国际船模试验水池会议的操纵性委员会提出了舰船操纵性分为舰船的固有操纵性和控制操纵性两种概念。
前者是指舰船在部分相关条件下，自身固有的操纵特性，它不依赖于外界环境条件，如风、浪、流等扰动及航道限制影响，也不依赖驾驶者（或自动驾驶仪）的技术水平。
后者是指舰船在全部相关条件下，考虑外界环境的影响及驾驶员技术水平时的操纵性能。
舰船操纵性指标是指能以定量的数值来评价舰船操纵性能好坏的判据。
舰船固有操纵性指标可分为两类。
一类称为“直接判据”，它是用试验中所测定的一些直观的运动参数，直接来判断舰船的操纵性能，如回转试验的纵距、横距、战术回转直径及稳定回转直径等；Z形操舵试验的执行操舵时间、航向超越角速度等等。
另一类称为“间接判据”或“分析判据”，它是根据试验结果分析计算而求出的，如静稳定指数、K、T判据及P指数等。
§4－1舰船操纵性试验的目的和项目舰船操纵性的好坏以及是否满足设计要求，需由实船操纵性试验确定，对于舰船的操纵人员来说（如船长、舵手），必须确切了解舰船操纵运动的诸参数（如回转直径、横距、纵距等），以便正确操船避免事故。
由于舰船操纵性与舰船的使用者有明确的联系，因此第14届国际船模试验水池会议操纵性委员会规定了八种试验方法来测定舰船的固有操纵性，即回转试验、回舵试验、零速启动回转试验、Ｚ形试验、螺线试验和逆螺线试验、变航向试验、制动及横推试验。
我国水面舰船实船操纵性试验项目一般包括：回转试验、Z形操纵试验、回舵试验、制动（惯性）试验、变航向试验、正螺线试验、逆螺线试验、倒航试验、侧向推力装置试验、舵杆扭矩测定试验。
船舶操纵性_第5章
第五章 船舶操纵性试验
假定给线性系统一个正弦输入： (t )
0
sin(t )
则对于具有直线稳定性的船，经过一段时间后，系统将进 入稳定运动状态，此后，船的摇艏角速度也应该是正弦变 化，即：
r(t ) r0 sin(t )
第五章 船舶操纵性试验
(4)回转试验应取得的主要参数有：
船的重心轨迹 战术直径
定常回转直径
纵距 横距 静横倾角 动横倾角 回转周期 定常回转角速度 定常回转航速等。
第五章 船舶操纵性试验
5.1.4 Z形操纵试验
（1）试验目的：评价船的航向改变性能，测定回转性指数
K 和应舵指数 T 。
第五章 船舶操纵性试验
可以看出，只要将系统的传递函数的复变量 s 取为纯虚数
i ,即可得到系统的频率特性。
0
te
第五章 船舶操纵性试验
求出另一 K 值，并记为K ，为由第一峰值得到的K。
则所求的 K 值为
K
K ( 6 )( 8) K ( 4 ) 2
第五章 船舶操纵性试验
根据积分式：
T [ (tb ) (ta )] (tb ) (ta ) K dt K r dt
第五章 船舶操纵性试验
取如下三个不同的区间的积分：
t 0 te : e K (t )dt K r te
t 0 te : e K (t )dt K r te
0 te
te
t 0 te : e K (t )dt K rte
t4
t6 te : T(8) ( 0 6 ] e 6 K (6)(8) (t )dt K (6)(8) r (te t6 )
船舶操纵性试验方法
船舶操纵性试验方法船舶操纵性是在“船舶原理”各学科中新近发展起来的、并且还不很完善的一门学科。
对于操纵性，可简单地理解为船舶按照驾驶者的意图去保持或改变船舶运动状态的性能。
就我国内河水运航道目前的状况和船舶驾驶者的实用角度来讲，较为实用的实船操纵性试验主要有以下几种：①定常回转性试验；②航行稳定性试验；③实船航行制动性试验；④Z形操纵试验。
1 船舶定常回转性试验船舶定常回转性试验的目的是评价船舶回转的迅速程度和所需要的水域大小，从而使驾驶者掌握船舶在港湾、狭窄江面或航道上安全地回旋、转向并在紧急情况下正确地进行避让，防范碰撞事故的能力。
定常回转性试验是船舶实船试验中典型的操纵性试验。
大多数船舶在交船试验中都必须进行此项试验。
船舶定常回转性试验的方法很多，内河船舶常采用轨迹观察法和轨迹测量法测试。
前一种方法主要考核船舶在满车（100%的主机转速）满舵角条件下回转的安全性，对定常回转性直径作定性观察，主要定量的测量参数是船舶回转式的最大动力横倾角和定常回转性时的最大静力横倾角（船舶在稳定回转时的最大横倾角）。
后一种方法，是我们要详细介绍的，即轨迹测量法：轨迹测量的具体实施办法有许多种，较为常用的是经纬仪交会法。
该方法的主要优点是：①比较适合我国目前内河航道的要求，只要有足够的助航段（主机转速稳定后，船舶进入直航时的距离能保证有60～100倍的船长），在满车满舵的工况下，被测船舶或船队能回旋540°～720°的航道宽度即可。
②通过测量船舶在试验航行时的船位测点，并将船位测点的数据经计算机或人工数据分析处理，就可以绘出船舶在操纵航行过程中的实际运动轨迹，从而定量地得到船舶在规定工况下的定常回转直径、回转时最大动力横倾角、定常回转时最大静力横倾角、定常回转时的平均角速度及回转率（定常回转直径与船长之比）等。
③该测量方法还同时可以用于船舶诸如航速、横移、船舶制动性等试验，并减少了架设测量仪器等繁琐工作。
船舶操纵性试验、航行训练报告书文档
《船舶操纵》课程船舶操纵性试验、航行训练报告书班级：学号：姓名：南京海员技术学校目录一、船舶改向性试验二、船舶停船试验（倒车冲程试验）三、船舶旋回试验四、船舶Z型操纵试验五、船舶航行训练附录：IMO颂发的《船舶操纵性临时临时标准》摘录1.旋回性：在用35°或最大允许舵角向左（右)操舵并以试验速度旋回时，进距不应大于4-5倍船长，旋回初径不应大于5倍船长。
2.初始旋回性：向左（右)操10°舵舵角，在船首向自初始航向改变10°的时间内船舶前进的距离不应大于2.5倍船长。
3.抑制偏摆角：在10°/10°Z性操纵试验中出现的第一个惯性转头角不得超过舵角的120％，第二个至第四个惯性转头角不得超过舵角的150％-200％；在20°/20°Z形试验中出现的第一个惯性转头角不得超过舵的100％-125％。
4.保向性：保向性应能维持令人满意的航向，操舵人员为适应保向需要的压舵舵角不得超过30°。
5.停船性能：全速倒车停船试验中的制动行程不应超过15倍船长。
一、船舶改向性试验（Couse Change Test）１．设备：桌面操纵模拟器２．试验目的与方法：目的：掌握船舶改向性能的实船试验，求船舶从操舵至改驶新航向上的距离。
方法：１）船舶定速直航、操左（右）舵１５°，记下操舵１５°的时间和船位Ａ点。
２）当船产向左（右）转首达１５°度时（船位于Ｂ点）迅速操正舵并接着压相反的舵角。
３）转头中在压舵后，转头角速度逐渐减小；衰减为零前操正舵，使正舵后转头角速度为零，并记下船位Ｃ点与时间。
３.记录表（Rrcord Table）（初始航向：000°、船速：）4.在空白定位图上画出船舶重心移动的轨迹，求出新航向上的距离。
船舶种类：排水量：吃水：船速：转向角：新航向距离：5.心得体会：二、倒车冲程试验（Crash Stop Test)1.设备：桌面操纵模拟器2.试验目的与方法：目的：测定船舶紧急停船性能。
船自动行驶实验报告(3篇)
第1篇一、实验背景随着科技的不断发展，自动化技术在各个领域得到了广泛应用。
在船舶领域，自动行驶技术的研究与开发也取得了显著成果。
本实验旨在探究船自动行驶的原理，并通过实验验证其可行性。
二、实验目的1. 了解船自动行驶的原理；2. 掌握船自动行驶系统的基本构成；3. 通过实验验证船自动行驶的可行性；4. 分析影响船自动行驶的因素。
三、实验原理船自动行驶技术主要基于以下原理：1. 感测原理：通过传感器获取船体周围环境信息，如GPS定位、姿态传感器、速度传感器等；2. 控制原理：根据传感器获取的信息，通过控制算法计算出最佳行驶路径，并控制船舶舵机、推进器等执行机构实现自动行驶；3. 通信原理：通过无线通信技术实现船与岸基控制中心、其他船舶之间的信息交互。
四、实验材料与设备1. 实验材料：船模型、舵机、推进器、传感器、控制模块、通信模块、电源等；2. 实验设备：实验台、电源、计算机、编程软件等。
五、实验步骤1. 准备实验材料与设备，搭建实验平台；2. 连接传感器、控制模块、通信模块等，确保各部件正常工作；3. 编写控制程序，实现船自动行驶功能；4. 进行实验，观察船自动行驶的效果；5. 分析实验数据，总结实验结果。
六、实验结果与分析1. 实验结果通过实验，成功实现了船的自动行驶。
在实验过程中，船能够根据预设的航线和速度自动调整航向和速度，达到预期效果。
2. 实验分析（1）传感器的作用：传感器是船自动行驶系统的重要组成部分，其性能直接影响着船的行驶效果。
本实验中，传感器能够准确获取船体周围环境信息，为控制算法提供可靠的数据支持。
（2）控制算法的优化：控制算法是船自动行驶系统的核心，其性能直接影响着船的行驶稳定性。
通过优化控制算法，可以提高船的行驶精度和稳定性。
（3）通信技术的应用：通信技术在船自动行驶系统中发挥着重要作用。
本实验中，通过无线通信技术实现船与岸基控制中心、其他船舶之间的信息交互，提高了船的行驶安全性。
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γ－δ 操纵性特征曲线
3. 试验特征参数表达
舵角相当于一种干扰，当干扰逐渐减小或消失后， 试验结果可把定常回转角速度作为舵角的函数。 γ γ
3. K—T的标准算法
c. 对记录曲线进行分析
（3）将上述描述方程在区间[t2，te]积分可得 ：
Z形操舵试验
3. K—T的标准算法
c. 对记录曲线进行分析
（4）将上述描述方程分别在两个区间[t4，t’e]， 和[t6，t’’e]积分可得 ：
Z形操舵试验
3. K—T的标准算法
c. 对记录曲线进行分析
K、T分析: 运动有非线性影响， K、T是一个平均概念。
如图所示：切线交t轴于t2 量得：
其中t1为操舵时间。
回 转 试 验
5. 测量轨迹的积分方法
(1)把记录的船速和首向角以时间为横坐标绘成 下图的所示形式，对测量值进行初步的校核。
回 转 试 验
5. 测量轨迹的积分方法
（2）按式 ，以枢心代替重心，计
垂直平面运动机构
水平面运动机构
PMM TEST(平面运动机构试验）
回转臂水池
在前几章中，我们基于线性操纵运动方 程，分析了船舶航向稳定性和回转性，以及 对操舵的转首响应特性，若能知道数学模型 中的系数，就能确定其响应运动及其有关的 操纵特性。这是操纵性研究的理论方法。此 外，也常采用试验方法进行研究。
倾角。以上参数可从试验结果直接测量得到。
对回转试验结果也能进行K、T分析。
回 转 试 验
4. 对回转试验的结果进行分析。
K、T分析: 运动有非线性影响， K、T是一个平均概念。
如图所示： 当t很大时，转首角
随时间的变化呈直线关系
斜率Kδ0 =tgβ 。
回 转 试 验
4. 对回转试验的结果进行分析。
算枢心P的轨迹。枢心速度计程仪在X方向的 速度，枢心处航速角就等于首向角。P点为：
回 转 试 验
5. 测量轨迹的积分方法
（3）对上式积分采取梯形法进行近似计算，然后 根据计算结果来绘制枢心轨迹，如图所示：
回 转 试 验
5. 测量轨迹的积分方法
（4）假定枢心P位于重心前0.4L处： 。 然后在枢心的每个轨迹点处画上船体的首尾线， 如图所示，在每条首位线上求出重心G的位置， 绘出重心轨迹——回转圈。
尾部多有利于提高航向稳定性 ；
③舵面积比：
船舶回转性---影响回转圈大小的因素
2、船舶的吃水状态
①吃水：吃水较大的满载船进矩将有较大增长。旋
回初径和横矩有某种程度的降低；
②纵倾：首倾每增加1% L，回转初径 DT 可减小10% 左右；尾倾每增加 1% L，回转初径 DT 则增加10% 左右；
空船与满载时的回转圈大小相差不多
螺线试验与逆螺线试验
2. 试验方法
(4) 将舵角改变一个规定的角度，再重复测
量角速度r 和舵角δ ，以15°舵角为例，依次改 变舵角从右15°→右10°→右5°→右3°→右 1°→0°→左1°→左3°→左5°→左10°→左 15°→左10°→左5°→左3°→左1°→0°→右
1°→右3°→右5°→右10°→右15°，舵角变
绪 论
试验方法：
实船和无线电遥控自航船模操纵性试验均 属无约束的自由自航试验。在操纵性试验中， 可以直接测得各种运动参数，能较直观地分析 比较船舶的操纵性能，长期以来被广泛应用。 目前为止，操纵性试验方法有很多，主要 有：回转试验、螺线及逆螺线试验、回舵试验 、Z形试验、变首向试验、频率响应试验、以及 关于启动、停车、倒退等专门试验 。
2-4 自由自航船舶操纵性试验
船舶操纵性试验
目的----求取船舶操纵性衡准及各运动要素，从 而评价操纵性优劣。 所测数据
实船
回转试验
自航模
螺旋与逆螺旋试验
Z 型操舵试验
船模
约束模
第九章
代表各项 流体动力 综合影响
直线拖曳试验
位置导数
悬臂试验
回转导数
加速度导数
平面运动机构试验
在约束模试验中，通过各专门装置强迫船模进行精确控制下 的运动，每次可变换一个参数，令其他参数为零，可分别求得 此单一参数下的流体动力（力矩）导数
Z形操舵试验
2. 特征参数
定 义
(2) 转首滞后TL(Overshoot Time)
转首滞后指每次进行反向操舵时刻起至船首向
开始向操舵一侧转动的时刻之间的时间间隔。表示 回复到正舵时刻到最大转首角瞬时的时间间隔。 一般用第一超越时间和第二超越时间作为衡量船舶
惯性的参数。
Z形操舵试验
2. 特征参数
试验所得ψ曲线满足上述方程。方程两端积分：
T d dt dt K ( r ) dt dt
Z形操舵试验
b。t=0处作ψ曲线切线，斜率为 ，然后作该切线的 平行线，分别与波峰相切于e、e’ 、 e’’……点，对 应的时间为te,te’,te’’……等。所有参数如下图所示： 6个特征点 Ψ(t2)=δ1 Ψ(t4)=δ2 Ψ(t6)=δ3
从船舶的实际操纵情况，象回转 试验那样长时期保 持一定舵角情况是不多的，经常地情况是比较小的舵角左 左右右的不断的操舵，Z形操纵舵试验正是模拟这种操纵， 分析其试验结果可以得到更符合实际的操纵资料。 Z形操纵试验是一种评价船舶操舵响应的试验方法， 同时，可通过Z形操纵试验结果求取操纵性指数K、T。
Z形操纵试验被公认为是确定K，T指数的标准方法。
回 转 试 验
1.试验目的
求船舶的回转要素。其中包括：
纵距
横距 回转初径
Ad （advance）
Tr （transfer） DT（tactical diameter）
回转直径
进程
D （final diameter）
Re （reach）
回转时间
T （time）
回 转 试 验— 步骤
2. 试验方法 (1) 保持船舶直线定常航速； (2) 回转之前一个船长时，测量记录初始船速、航向 角、初始舵角及推进器转速等； (3) 发令，迅速转舵到指定的舵角，并维持该舵角； (4) 随着船舶的转向，每隔不超过20秒的时间间隔， 记录轨迹、航速、横倾角、及螺旋桨转数等数据。 (5) 在整个船舶回转中，保持各种控制不变，直至船 舶首向角改变至540°时，可结束一次试验。
T
d dt dt K ( r ) dt dt
(t e ) (t e ) (t e ) (0)
2
6
4
Z形操舵试验
T
[0，te] 6个积分区间 [0，t’e] [0，t’’e]
d dt dt K ( r ) dt dt
回 转 试 验
5. 测量轨迹的积分方法
（5）根据上述所得的回转圈量取各回转要 素，并算出K、T指数。请参照下图：
回转圈及其要素
Tr G
G
DT G
G Admax Ad G
reach
Stern kick G Trmax G
β
武汉理工大学船模操纵性水池长80m，水面宽60m，最大水深 1.5m，池底平整可做深浅水自由自航船模操纵性试验，拥有计算机 数据实时采集显示处理系统。.
武汉理工大学 深浅两用露天船模操纵性水池
双RTK的GPS船 模运动轨迹实时 摇测系统，可实 时测量船舶运动 的轨迹、航速、 漂角。综合分析 可得出船舶的操 纵性指数、倒航 操纵性。
船舶回转性---影响回转圈大小的因素
1、水线下的船型因素
①方型系数：Cb 越大，回转性越好，回转圈 也越小 ； ②水线下侧面积：首部多有利于减小回转圈，
（5）上述分别求得在最初一个峰区和后两个峰区 的K、T指数，取两者平均值为本船的指数：
2-4 自由自航船舶操纵性实验
2-4-3 螺线试验与逆螺线试验
螺线试验与逆螺线试验
螺旋试验：测定船舶的航向稳定性和回转运动 稳定性的间接的试验方法它是由迪厄顿尼在20 世纪40年代提出的。 这是回转试验和Z型操舵试验所不能充分反映
ψδ
First Overshoot Angle
ψ
δ
Second Overshoot Angle
Z形操纵试验结果
Z形操舵试验
2. 特征参数
定 义
(1) 航向超越角(Overshoot Angle)
航向超越角指每次进行反向操舵后，船首向
操舵相反一侧继续转动的增加值。是操反舵瞬时 首向角和最大首向角之间的差值。 一般用第一超越角和第二超越角作为衡量船舶惯
1、目的: 评价船舶的航向稳定性和回转稳定性。
的。
螺线试验与逆螺线试验
2. 试验方法
(1)保持船舶直线定常航速，操舵开始前，记
(2) 发令，迅速转舵到一舷指定的舵角，并保 (3) 待回转角速度达到定常值时，记录相应的
录初始船速、航向角、及推进器转速等； 持该舵角，使船舶进入回转状态；
角速度r 和舵角δ ；
③横倾：总的来说，横倾对回转圈影响不大。
船舶回转性---影响回转圈大小的因素
3、操船方面的影响 ①舵角：一般操15 °舵角与满舵相比，DT将增加到 130%~170%，而掉头时间则可能增加到140%左右； ②操舵时间：自一舷35°转至另一舷30°应不超过 15s; ③船速：船速越快，回转时间大大缩短，而DT影响 小。
(3) 船舶开始右转，当船舶航向改变量与所操舵角
相等时，迅速转左舵到指定的舵角(10°)，并维持 该舵角； (4) 当船舶向左航向改变量与所操左舵角相等时， 迅速转右舵到指定的舵角(10°)，并维持该舵角；
(5) 如此反复进行，操舵达5次时，完成一次试验。
Z形操舵试验
2. 特征参数