船舶零航速减摇鳍实验系统研究
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圆角 。 ４ 运动控制器 ）
运动控制器采用 以色列 的 ｅｍ ｌ ｏ高精度伺 服驱 动器 ， 可 以配合无 刷电机进 行 电流 、 度和 位置 的控制 。该 运动 控 速 制器使 用 自己的编程语 言与 控制界 面 ， 以直观地 对 电机 可 的参 数进 行调整 ， 且可 以实 时观测 电机的运行 状况。
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研 究 基 金 资 助 项 目（ Ｕｂ ８ １ ） ＨＥ Ｗ０ ０ ８
７ ０
传 感 器 与 微 系 统
表 １ 天 平 参 数
Ｔａ １ Ｐａ ａ ｅ ｅ ｓ ｏ ｃ ｌ ｂ ｒ ｍ ｔ ｒ ｆｓ ａ ｅ
第 ３ 卷 ０
刚等人于 ２ ０ ０３年开始对船舶零航速减摇 鳍进行 了研 究 ， 并 在 国家 自然科学基金 的支持 下 ， 零航 速减摇 鳍升 力模 型 对
进行了建模研究 ， 建立 了零航速减摇鳍 的升力模 型 ｌ 。但 ９ ｊ
由于零航速减摇鳍 的摆 动过程 中周 边流 场非 常复杂 ， 在建 模过程 中就需要作 出很多假设条件 ， 忽略一些 因素 。因此 ， 建立 的零航速减摇鳍升力模型可能与实际情 况会有一些差 别 。结合上面的问题 ， 想完善 现有 的零航 速减摇 鳍升 力 要 模型就需要进行相应 的实验研 究 ， 根据 实验 结果对 现有 升 力模型进行改进 。本 文主要 针对 这个 问题 ， 设计 和开发 了 零航速减摇鳍实验装置 。 １ 零 航速减摇鳍 实验装 置总体设计 脚 。水槽 内部 的４个角采用半径 为２ ｃ 弧长为 １ ｃ ０ ｍ， ０Ｔｍ的 ｑ
进行 实验来获得鳍上 的升力 曲线 ， 从而对现有升力模 型进行修正 。零 航速减摇 鳍实验 台就是针 对这个 问
题设 计开发的。对零航速减摇鳍试验系统 的搭建 和调试 进行了研究 ， 系统调试结果可 以看 出： 从 零航 速减
摇鳍 实验 台的跟踪精度非常高 ， 可以满足零航速减摇鳍鳍模实验 的要求 。
零航速减摇鳍实验 台总体设计思想是 以一力矩 电机带
动一根轴进行转动 ， 的上端 连接 五分力测力 天平 ， 端连 轴 下 接零航速减摇鳍实验鳍模 。将力矩 电机通 过钢板 固定 在小 型实验水箱上 ， 将水箱 注上水后 ， 利用 电机 带动鳍模在 水箱 里按指定 的方式转 动 ， 通过 测力天 平测 力鳍上 产生 的升 并
以 直 接 用 来 分 析 和 建 立 零 航 速 减 摇 鳍 升 力 模 型 的 相 关 理
现今一种新 的控制方法可 以使减摇鳍具有在 系泊 状态
收 稿 日期 ：０ １０ — ３ ２ １＿ ４ １
论 。国外于 １ ９ ９ ８年开始研究 ， 国内起步较晚 ， 金鸿章 、 綦志
基金项 目： 国家 自然科学基金 资助项 目（０ ７０ ８ ５８ ９ １ ） 黑龙江省博士后 资助经 费资 助项 目（ Ｂ — ０２ ６） 哈尔滨工程大 学校基础 ５ ５ ５ ４ ，０ ７０ ２ ； Ｌ Ｈ Ｚ ８４ ；
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２１ ０ １年 第 ３ ０卷 第 ９期
传 感器与微系统 （ ｒｎｄ ｃｒａｄＭｉ ｏｙｔ ｅｈ ｏｏｉｓ Ｔａｓｕｅ ｎ ｃ ｓｓ ｍ Ｔ ｃｎFra Baidu bibliotek ｅ） ｒ ｅ ｇ
６ ９
船 舶 零 航 速 减 摇 鳍 实 验 系统 研 究
綦志刚 ， 孟令卫 金鸿章 庞永杰 ， ，
（ ． 尔 滨 工 程 大 学 自动 化 学 院 ， 龙 江 哈 尔 滨 １０ ０ ； １哈 黑 ５０ １
本系统选 择 的是 ｅｍ ｌ ｏ运动控 制器 中 Ｃ ｒｅ 数 字伺 服 ｏｎｔ
驱动器系列 ， 以实现对力矩 电机 的高精度运 动控制 ， 可 实现
较复杂的正弦输入信号 。
该 控 制 器 的 如 图 ２所示 。
力、 阻力 和转鳍力矩 等信 息 ， 然后通过传感 器信号放大 器放 大， 通过信号采集卡 采集 到计算 机里进 行处 理。实验 系统
０ 引 言
或漂流状 态 下 的减 摇 能力 。Ｊ 。控 制 鳍 以特 定 的方 式 运 动 ， 可以在没 有来 流速度 的条 件下产 生升力 。如 果将 这 就 种仿生减摇鳍装到船舶上 ， 就可以弥补船舶在需要停泊 ， 零 速下执行任务时 的减 摇需求 ， 少船舶在 零航速 情况下 的 减
２ 哈 尔滨 工 程 大 学 船 舶 与 海 洋 工 程 学 院 ， 龙 江 哈 尔 滨 １０ ０ ） ． 黑 ５ ０ １
摘
要 ：零航 速减 摇鳍同传统减摇鳍相 比， 由于没有来流 速度 ， 是靠 自身 的转动产生 相应 的升力 ， 无法用
传统减摇鳍 的升力 理论 来为零航速减摇鳍建立升力模 型。现在零航 速减摇鳍升力建模方法是将鳍上受 到 的力分成 ３个部分讨论 ， 即鳍上受 到的形 阻力 、 附加质 量力 和旋涡 作用 力。基 于这种 方法建 立 的升力模 型， 在建模过程 中会忽 略一些 因素 ， 建立 的零航速减摇 鳍升力模 型可能与实际情况会有一些差别 。这需要
横摇。
船舶在海上航行 时 ， 由于受到海浪 、 海风及海流等海洋 环境扰动 的作 用 ， 可避 免地 要产 生六 自由度 运 动 ， 不 即横 摇、 纵摇 、 首摇 、 横荡 、 沉和纵 荡运 动 升 。船舶 的横摇运
动 在 船 舶 的六 自由度 运 动 中 是 最 剧 烈 的 ， 响 也 是 最 大 的 。 影
方 案 图见 图 ｌ 。
图 １ 实 验 系 统 方 案 图
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１ 驱动 电机 ）
力矩 电机是一种专用 型传 动组 件 ， 具有 高精度传 动 、 无 回差 、 结构紧凑与低 震动 等优点 。它能够 与 国内外各 种正
关键 词 ：实验 台 ； 零航速减摇鳍 ； 位置跟踪 ；速度跟踪
中 图 分 类 号 ：Ｕ６４， Ｐ １ ６ Ｔ ２２ 文 献标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０－ ７７ ２ １ ）９ ０６ －３ ０ ０９ ８ （０ １ ０ －０ ９０ －
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目前最常用且 应用 最 成功 的舰 船 主动 式减摇 装 置是 减摇 鳍， 减摇效 果可达 ９ ％ 以上 Ｊ ０ 。然而 ， 只有船舶 的航 速较 高时 ， 减摇鳍才 能有效地减摇 ， 舶在低航速或零航速情 况 船
下 ， 摇鳍几 乎不能减摇 。 减
但是 ， 零航 速减 摇鳍同传统减摇鳍相 比， 由于没有来 流 速度 ， 是靠 自身的转动产 生相应 的升力 ， 以 ， 所 零航 速减 摇 理论同传统减摇鳍 的升力理论 有很大 的差别 。几 乎没有可
运动控制器采用 以色列 的 ｅｍ ｌ ｏ高精度伺 服驱 动器 ， 可 以配合无 刷电机进 行 电流 、 度和 位置 的控制 。该 运动 控 速 制器使 用 自己的编程语 言与 控制界 面 ， 以直观地 对 电机 可 的参 数进 行调整 ， 且可 以实 时观测 电机的运行 状况。
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传 感 器 与 微 系 统
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题设 计开发的。对零航速减摇鳍试验系统 的搭建 和调试 进行了研究 ， 系统调试结果可 以看 出： 从 零航 速减
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动一根轴进行转动 ， 的上端 连接 五分力测力 天平 ， 端连 轴 下 接零航速减摇鳍实验鳍模 。将力矩 电机通 过钢板 固定 在小 型实验水箱上 ， 将水箱 注上水后 ， 利用 电机 带动鳍模在 水箱 里按指定 的方式转 动 ， 通过 测力天 平测 力鳍上 产生 的升 并
以 直 接 用 来 分 析 和 建 立 零 航 速 减 摇 鳍 升 力 模 型 的 相 关 理
现今一种新 的控制方法可 以使减摇鳍具有在 系泊 状态
收 稿 日期 ：０ １０ — ３ ２ １＿ ４ １
论 。国外于 １ ９ ９ ８年开始研究 ， 国内起步较晚 ， 金鸿章 、 綦志
基金项 目： 国家 自然科学基金 资助项 目（０ ７０ ８ ５８ ９ １ ） 黑龙江省博士后 资助经 费资 助项 目（ Ｂ — ０２ ６） 哈尔滨工程大 学校基础 ５ ５ ５ ４ ，０ ７０ ２ ； Ｌ Ｈ Ｚ ８４ ；
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２１ ０ １年 第 ３ ０卷 第 ９期
传 感器与微系统 （ ｒｎｄ ｃｒａｄＭｉ ｏｙｔ ｅｈ ｏｏｉｓ Ｔａｓｕｅ ｎ ｃ ｓｓ ｍ Ｔ ｃｎFra Baidu bibliotek ｅ） ｒ ｅ ｇ
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船 舶 零 航 速 减 摇 鳍 实 验 系统 研 究
綦志刚 ， 孟令卫 金鸿章 庞永杰 ， ，
（ ． 尔 滨 工 程 大 学 自动 化 学 院 ， 龙 江 哈 尔 滨 １０ ０ ； １哈 黑 ５０ １
本系统选 择 的是 ｅｍ ｌ ｏ运动控 制器 中 Ｃ ｒｅ 数 字伺 服 ｏｎｔ
驱动器系列 ， 以实现对力矩 电机 的高精度运 动控制 ， 可 实现
较复杂的正弦输入信号 。
该 控 制 器 的 如 图 ２所示 。
力、 阻力 和转鳍力矩 等信 息 ， 然后通过传感 器信号放大 器放 大， 通过信号采集卡 采集 到计算 机里进 行处 理。实验 系统
０ 引 言
或漂流状 态 下 的减 摇 能力 。Ｊ 。控 制 鳍 以特 定 的方 式 运 动 ， 可以在没 有来 流速度 的条 件下产 生升力 。如 果将 这 就 种仿生减摇鳍装到船舶上 ， 就可以弥补船舶在需要停泊 ， 零 速下执行任务时 的减 摇需求 ， 少船舶在 零航速 情况下 的 减
２ 哈 尔滨 工 程 大 学 船 舶 与 海 洋 工 程 学 院 ， 龙 江 哈 尔 滨 １０ ０ ） ． 黑 ５ ０ １
摘
要 ：零航 速减 摇鳍同传统减摇鳍相 比， 由于没有来流 速度 ， 是靠 自身 的转动产生 相应 的升力 ， 无法用
传统减摇鳍 的升力 理论 来为零航速减摇鳍建立升力模 型。现在零航 速减摇鳍升力建模方法是将鳍上受 到 的力分成 ３个部分讨论 ， 即鳍上受 到的形 阻力 、 附加质 量力 和旋涡 作用 力。基 于这种 方法建 立 的升力模 型， 在建模过程 中会忽 略一些 因素 ， 建立 的零航速减摇 鳍升力模 型可能与实际情况会有一些差别 。这需要
横摇。
船舶在海上航行 时 ， 由于受到海浪 、 海风及海流等海洋 环境扰动 的作 用 ， 可避 免地 要产 生六 自由度 运 动 ， 不 即横 摇、 纵摇 、 首摇 、 横荡 、 沉和纵 荡运 动 升 。船舶 的横摇运
动 在 船 舶 的六 自由度 运 动 中 是 最 剧 烈 的 ， 响 也 是 最 大 的 。 影
方 案 图见 图 ｌ 。
图 １ 实 验 系 统 方 案 图
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１ 驱动 电机 ）
力矩 电机是一种专用 型传 动组 件 ， 具有 高精度传 动 、 无 回差 、 结构紧凑与低 震动 等优点 。它能够 与 国内外各 种正
关键 词 ：实验 台 ； 零航速减摇鳍 ； 位置跟踪 ；速度跟踪
中 图 分 类 号 ：Ｕ６４， Ｐ １ ６ Ｔ ２２ 文 献标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０－ ７７ ２ １ ）９ ０６ －３ ０ ０９ ８ （０ １ ０ －０ ９０ －
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目前最常用且 应用 最 成功 的舰 船 主动 式减摇 装 置是 减摇 鳍， 减摇效 果可达 ９ ％ 以上 Ｊ ０ 。然而 ， 只有船舶 的航 速较 高时 ， 减摇鳍才 能有效地减摇 ， 舶在低航速或零航速情 况 船
下 ， 摇鳍几 乎不能减摇 。 减
但是 ， 零航 速减 摇鳍同传统减摇鳍相 比， 由于没有来 流 速度 ， 是靠 自身的转动产 生相应 的升力 ， 以 ， 所 零航 速减 摇 理论同传统减摇鳍 的升力理论 有很大 的差别 。几 乎没有可