CN102323820A - 一种智能舵***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种智能舵***及其控制方法，所述***包括可编程自动控制器、组合导航器、推进***装置、操纵***装置、应急操作装置。所述方法包括：利用安装在船体上的GPS导航仪和三维电子罗盘组合导航器检测到的船舶实际位置与航向；可编程自动控制器进行字符转换和提取，然后进行位置核算、航向处理、偏航角计算；计算船舶的偏航距d和偏航角ψ；判断船舶是否偏航；检测下一时刻船体的航行状态，返回到步骤(1)，实现实时的闭环控制。本发明采用了二级齿轮进行降速传动从而提高了其舵角操作精度。采用主机控制器和继电器及时对推进***和操纵***进行控制，因而可以大大降低船舶航行的风险，提高船舶航行智能操舵的稳定性。

Description

一种智能舵***及其控制方法

技术领域

本发明属于船舶操纵***控制技术领域，特别是涉及一种新型智能舵***及其控制方法，旨在通过该智能装置安装在船舶上以实现船舶的智能操舵功能。

背景技术

随着科学技术的发展和船舶行业的突飞猛进，有关船舶自动舵***设计方面也有了一些成就。目前由季本山、龚少军、顾益民发明的一种自动舵数字化电气控制***(申请专利号：200920072342.9)。其***主要包括可编程控制器，绝对式光电旋转编码器，所述的自动舵数字化控制***以绝对式光电旋转编码器和可编程控制器为核心，电罗经的航向反馈信号由电罗经的航向输出接口输入可编程控制器，其他输入可编程控制器的信号均采用开关量，舵角的整定、舵角反馈采用绝对式光电旋转编码器。

此外还有由易建强、赵冬斌、程金发明的一种自动舵航向控制***及其方法(专利号：200410101876.1)。***包括四部分：第一部分有偏航效应、航向角补偿、虚拟目标航向等功能装置；第二部分有航向偏差装置和航向控制装置；第三部分有舵角指令自调节装置、船速检测装置和操舵装置；第四部分有显示器装置和安全信号箱装置。其实现的方法包括：航向角的补偿指令；求出航向偏差值；舵角指令自调节；计算船舶的实际航速；舵角控制指令进行调节；舵角值上传给船桥***；将船舶装置的实际航向角调整到与目标航向一致；并将各种报警信号发给显示器装置；在显示器上实时显示更新这些信息，并在发生故障时进行报警。

由此可见目前有关舵控制及其***方面的发明专利，绝大多数涉及的是单一舵***自动控制而没有实现整个舵***的完全自主控制，同时其描述的***和方法均没有涉及到船舶的推进***，均将舵控制与船舶推进控制分离开。然而真正意义上的智能舵需要将船舶舵***的控制与船舶推进***的控制紧密结合，从而在实现舵***的自主控制同时更进一步地解决了船舶无人驾驶中有关操纵问题。因而一种智能舵的发明将较好地解决这一系列问题，为实现船舶无人驾驶提供更加可靠的技术。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种实现船舶操纵***的智能控制，提供了一种基于可编程自动控制器的智能舵***及其控制方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明一种智能舵***，包括可编程自动控制器、组合导航器、推进***装置、操纵***装置、应急操作装置，其中组合导航器由GPS导航仪和三维电子罗盘构成，推进***装置由无刷直流电机依次串接无刷直流电机控制器、第一传动装置和螺旋桨组构成，操纵***装置由频率转换器依次串接步进电机控制器、步进电机、第二传动装置和舵***构成，应急操作装置包括主机转速控制器与继电器，GPS导航仪、三维电子罗盘、主机转速控制器与继电器的输出端分别接可编程自动控制器的输入端，可编程自动控制器的输出端分别接无刷直流电机控制器和频率转换器的输入端。

一种智能舵***的控制方法包括如下步骤：

(1)利用安装在船体上的GPS导航仪和三维电子罗盘组合导航器检测到的船舶实际位置与航向；

(2)可编程自动控制器对步骤(1)所述的船舶实际位置与航向进行字符转换和提取，然后进行位置核算、航向处理、偏航角计算；

(3)计算船舶的偏航距d和偏航角ψ：以船舶实际位置坐标距预定航线的距离为偏航距

其中X₀，Y₀为船舶实际位置高斯坐标，fX+gY+k＝0为船舶设计航线，其中X、Y为设计阶段的船舶位置高斯坐标，f、g、k为船舶设计航线方程的系数且f、g不为零，船舶处在预定航线右侧为正，以船舶实际航线与预定航线的夹角为偏航角Ψ＝|Ψ_s-Ψ₀|，其中Ψ_s为船舶预定航线的航向角，Ψ₀为船舶实际航的航向角，规定船首偏离预定航线右侧的夹角为正；

(4)判断船舶是否偏航：

①若没有偏航即位置和航向均在预定航线上：d＝0，ψ＝0，则保持船舶既定航向和航速继续航行；

②若发生偏航，依据计算结果运用模糊控制理论进行分类讨论，优化处理，依据模糊控制表得到三种处理结果分别为单独进行操舵控制、单独进行推进控制和操舵与推进同时控制；

③根据模糊控制理论处理得到操舵舵角δ和主机转速N，由可编程自动控制器分别向无刷直流电机控制器和频率转换器发出信号，从而实现舵角δ和航速v的变化；

(5)检测下一时刻船体的航行状态，返回到步骤(1)，实现实时的闭环控制。

本发明具有如下有益效果：

(1)该***采用了可编程自动控制器PAC(Programmable AutomaticallyController)作为智能控制的核心，与可编程控制器PLC(Programmable logicController)不同，PAC包括PLC的主要功能和扩大的控制能力，以及PC-based控制中基于对象的、开放数据格式和网络连接等功能。(2)基于Windows CE操作***运用模糊控制方法和遗传算法等优化方法，借助Visual Basic.NET程序语言开发出了智能舵***的软件平台，实现了本***在水面无人艇船模试验中的智能操纵控制。(3)本***可与智能推进***相结合，安装在船舶上即可实现该船舶的无人自主航行。

附图说明

图1为智能舵***控制图。

图2为智能舵***控制方法流程图。

图3为模糊控制原理图。

具体实施方式

以下结合附图对智能舵***及其控制方法作进一步的描述。

如图1所示本发明智能舵***包括可编程自动控制器、组合导航器、推进***、操纵***、应急操作装置以及相关传动设备。

可编程自动控制器PAC(Programmable Automatically Controller)是整个***的核心，处理数据信息的传输和储存。本***配置的PAC操作***为Windows CE.NET，支持Visual Basic.NET语言进行编程。运用COM1端口的i-87017模拟量输入模块、i-87024模拟量输出模块和i-87064继电器模块进行数据采集、处理和反馈，从而实现对推进***和操纵***的控制。运用COM2的RS232串口和COM3的RS485串口与组合导航器相连接实现数据采集功能。

组合导航器主要由GPS导航仪和三维电子罗盘两设备组成。GPS导航仪通过PAC的RS485串口进行数据传输，其传输语句采用NMEA0183标准语句。通过编译提取传输语句中准确的字符得到船舶所在的经纬度坐标和航速等信息。由于GPS导航仪在有遮蔽情况下信号的有效性仅为60％。并且在静止的情况下，GPS导航仪也无法给出航向信息。为弥补这一不足，本***采用GPS导航仪和三维电子罗盘组合导航定向的方法。三维电子罗盘可以对GPS信号进行有效补偿，保证导航定向信息100％有效，即使是在GPS信号失锁后也能正常工作。三维电子罗盘通过PAC的RS232串口进行数据传输，其传输语句为ASCII码字符，同样通过编译将ASCII码字符转换成十进制字符并提取船舶的航向、横摇角度、纵摇角度等信息。

推进***主要由无刷直流电机及其控制器、传动轴和螺旋桨等组成。将无数直流电机控制器与PAC的i-87024模块连接，通过PAC发出的模拟量电压信号传输给控制器，改变模拟量电压的大小可以实现对无刷直流电机的调速功能，从而实现船舶航速的改变。

操纵***主要由频率转换器、步进电机及其控制器、传动设备和舵等组成。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。频率转换器可以实现PAC中i-87024模块的模拟量电压信号和步进电机控制器的脉冲信号PWM之间的转换，从而解决了PAC对于步进电机的控制问题。步进电机与舵之间的传动采用了二级齿轮进行降速传动从而提高了其舵角操作精度。

应急操作装置主要是为预防和处理船舶航行中的紧急情况和突发事件下的不稳定航行状态，采用主机控制器和继电器及时对推进***和操纵***进行控制，因而可以大大降低船舶航行的风险，提高船舶航行智能操舵的稳定性。

相关传动设备主要实现智能舵各装置之间的连接和数据传输功能。

建立合理的硬件体系，结合图2将智能舵***的控制方法步骤描述如下：

(1)利用安装在船体上的GPS导航仪和三维电子罗盘组合导航器检测到的船舶实际位置与航向；

(2)PAC进行字符转换和提取，然后进行位置核算和航向处理。计算方法：将由GPS检测到的经纬度坐标(北纬N，东经E)，利用高斯投影转换得到高斯坐标(X，Y)。

(3)计算船舶的偏航距d和偏航角ψ。计算方法为：以船舶实际位置坐标距预定航线的距离为偏航距

(其中X₀，Y₀为船舶实际位置高斯坐标，假设fX+gY+k＝0为船舶设计航线，规定船舶处在预定航线右侧为正，)，以船舶实际航线与预定航线的夹角为偏航角Ψ＝|Ψ_s-Ψ₀|(其中Ψ_s为船舶预定航线的航向角，Ψ₀为船舶实际航的航向角，规定船首偏离预定航线右侧的夹角为正)。

(4)判断船舶是否偏航。

①若没有偏航即位置和航向均在预定航线上(d＝0，ψ＝0)，则保持船舶既定航向和航速继续航行；

②若发生偏航，依据计算结果运用模糊控制理论进行分类讨论，优化处理，依据模糊控制表(见表1，表中L表示船长，B表示船宽)可得到三种处理结果分别为单独进行操舵控制、单独进行推进控制和操舵与推进同时控制。操舵控制意味着舵角的改变，推进控制意味着主机转速的改变。

③根据模糊控制理论处理得到操舵舵角δ和主机转速N，由PAC分别向无刷直流电机控制器和频率转换器发出信号，从而实现舵角δ和航速v的变化。

(5)检测下一时刻船体的航行状态，返回到步骤(1)，实现实时的闭环控制。

结合图3将智能舵控制******控制方法中的模糊控制理论进行描述。模糊控制工作原理是把由传感设备测出的精确量转成适于模糊运算的模糊量，然后将这些模糊量在模糊控制表中加以运算，最后再将运算结果中的模糊量转换成精确量，以便对各执行器进行具体的操作控制。图3中偏航距d与偏航角ψ为模糊控制的输入量，对偏航距d与偏航角ψ进行组合模糊化，再进过模糊控制规则得出模糊控制量。由模糊判决后得到控制量，最后输出对象为操舵舵角δ和主机转速N。

Claims (2)

1.一种智能舵***，其特征在于包括可编程自动控制器、组合导航器、推进***装置、操纵***装置、应急操作装置，其中组合导航器由GPS导航仪和三维电子罗盘构成，推进***装置由无刷直流电机依次串接无刷直流电机控制器、第一传动装置和螺旋桨组构成，操纵***装置由频率转换器依次串接步进电机控制器、步进电机、第二传动装置和舵***构成，应急操作装置包括主机转速控制器与继电器，GPS导航仪、三维电子罗盘、主机转速控制器与继电器的输出端分别接可编程自动控制器的输入端，可编程自动控制器的输出端分别接无刷直流电机控制器和频率转换器的输入端。

2.一种智能舵***的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)利用安装在船体上的GPS导航仪和三维电子罗盘组合导航器检测到的船舶实际位置与航向；

(2)可编程自动控制器对步骤(1)所述的船舶实际位置与航向进行字符转换和提取，然后进行位置核算、航向处理、偏航角计算；

(3)计算船舶的偏航距d和偏航角ψ：以船舶实际位置坐标距预定航线的距离为偏航距

其中X₀，Y₀为船舶实际位置高斯坐标，fX+gY+k＝0为船舶设计航线，其中X、Y分别为设计阶段的船舶位置高斯横纵坐标，f、g、k为船舶设计航线方程的系数且f、g不为零，船舶处在预定航线右侧为正，以船舶实际航线与预定航线的夹角为偏航角Ψ＝|Ψ_s-Ψ₀|，其中Ψ_s为船舶预定航线的航向角，Ψ₀为船舶实际航的航向角，船首偏离预定航线右侧的夹角为正；

(4)判断船舶是否偏航：

①若没有偏航即位置和航向均在预定航线上：d＝0，ψ＝0，则保持船舶既定航向和航速继续航行；

②若发生偏航，依据计算结果运用模糊控制理论进行分类讨论，优化处理，依据模糊控制表得到三种处理结果分别为单独进行操舵控制、单独进行推进控制和操舵与推进同时控制；

③根据模糊控制理论处理得到操舵舵角δ和主机转速N，由可编程自动控制器分别向无刷直流电机控制器和频率转换器发出信号，从而实现舵角δ和航速v的变化；

(5)检测下一时刻船体的航行状态，返回到步骤(1)，实现实时的闭环控制。

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