CN114261497A - 一种船舶舵角反馈装置及舵角标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船舶舵角反馈装置及舵角标定方法，所述舵角反馈装置包括连杆、电位器和两块舵角采集及发送板，连杆实时反映船舶实际舵角并与电位器连接，连杆带动电位器的转动实时输出实际舵角的电压值，所述两块舵角采集及发送板分别采集舵角的电压值，将模拟信号的电压值转换为数字信号的实际舵角值，两块舵角采集及发送板互为双冗余热备份，每块舵角采集及发送板同时拥有CAN信号和串口信号接口；还涉及到舵角标定方法，按照左舵和右舵分别通过拟合得到标定参数。本发明通过两块相同的采集及发送板就实现了双冗余功能，增强了设备的可靠性，同时设备结构简单、易于实现，更重要的是通过本发明提出的标定方法，能够输出非常高精度的舵角值。

Description

一种船舶舵角反馈装置及舵角标定方法

技术领域

本发明涉及船舶仪器设备领域，具体涉及一种船舶舵角反馈装置及舵角标定方法。

背景技术

在现代船舶航行领域，对船舶的控制要求越来越高，不断的涌现出新的航向控制算法和航迹控制算法，而这些控制算法的优势发挥依赖于准确的反馈舵角值。传统的舵角采集方法以电流或电压的方式进行传输，这种传输方法易受干扰，兼容性差，成本高，误差在±1度以内，无法满足当今的操舵要求，也无法跟上现在越来越发达的硬件技术和控制算法。同时，舵角值也关系到船舶的航行安全，没有舵角值或者错误的舵角值会危机船舶航行，甚至于造成船舶严重事故，关系到生命和财产的安全。

现有技术中，中国发明专利201510955940.0一种自主式水下航行器数字化舵角检测装置及舵角标定方法，数字化舵角检测装置包括垂直舵基准模块、垂直舵测量模块、水平舵基准模块、水平舵测量模块和数据处理模块，所述的垂直舵基准模块、垂直舵测量模块、水平舵基准模块和水平舵测量模块均以MPU9250为核心构成且分别通过RS485串口与数据处理模块连接，所述的数据处理模块以AVR单片机为核心构成且通过RS232串口与控制***即上位机连接。中国发明专利201110030225.8公开了了一种舵角采集方法、装置及***。其中，该舵角采集方法包括：确定船舶操舵控制***中允许的最小精度；根据舵角的最大角度范围和所述最小精度确定电位器的标定电压和舵角的标定角度之间的对应关系；检测所述电位器的电压；根据所述电位器的电压和所述对应关系得到所述舵角的角度值的方法。上述现有技术均存在标定精度不足和故障时无法工作的缺点。

发明内容

鉴于上述现有技术问题，本发明提供了一种船舶舵角反馈装置及舵角标定方法。本发明的船舶舵角反馈装置及舵角标定方法要能够高精度地实时获得舵角数字信息，并且在故障时能够替代性工作，并且结构简单易于实现。

为了达到上述发明目的，本发明专利提供的技术方案如下：

一种船舶舵角反馈装置，在船舶上设有舵机，舵机带动舵叶转动，所述舵叶通过一个平行四边形结构连接一根连杆的一端，在舵叶旋转时，平行四边形结构带动连杆旋转至与实际舵角相同的角度，其特征在于，所述舵角反馈装置包括有连杆、电位器和舵角采集及发送板，所述的电位器连接连杆的另一端，所述电位器的输出端分别连接至两块相同的舵角采集及发送板以形成双冗余备份，所述连杆旋转时带动电位器转动以产生不同的电压信号，该电压信号同时分别输入至两个所述舵角采集及发送板中；

所述的舵角采集及发送板上设有模拟量采集模块、模拟信号转化模块和数字量输出模块，所述的模拟量采集模块连接并接收所述电位器输出的模拟量信号，采集的模拟量信号输入至所述的模拟信号转化模块，在所述模拟信号转化模块中设有处理单元，所述的数字量输出模块接收模拟信号转化模块的数字信号，通过数字量输出模块包含的串口信号接口和CAN信号接口输出舵角值数字信号至不同的外部设备。

在本发明的一种船舶舵角反馈装置中，在所述处理单元中执行如下操作：

在处理单元的主控芯片中存储有预先标定的参数，当接收到采集的电位器模拟电压信号时，首先通过模拟电压的正负判断当前是在左舵还是右舵，以决定使用左舵系数还是右舵系数；然后利用公式：

y＝a₁x+a₀+y₁，其中，y₁为一阶拟合残差，

y₁＝b₄x⁴+b₃x³+b₂x²+b₁x+b₀，将y₁带入公式得到：

y＝a₁x+a₀+b₄x⁴+b₃x³+b₂x²+b₁x+b₀，

最后得到的y数值，该数值为计算得到的舵角值数字量；

在本发明的一种船舶舵角反馈装置中，所述预先标定的参数包括有：

左舵参数：a₁＝0.3558，a₀＝0.4676，b₄＝-0.000000092，b₃＝-0.00001515，b₂＝-0.0006905，b₁＝-0.0074，b₀＝0.00087068；

右舵参数：a₁＝0.3477，a₀＝0.6062，b₄＝0.0000000305，b₃＝-0.0000101，b₂＝0.00095789，b₁＝-0.0277，b₀＝0.0991。

一种舵角标定方法，该方法用于船舶舵角反馈装置中，所述舵角反馈装置包括有电位器和舵角采集及发送板，所述电位器的输出端分别连接至两块相同的舵角采集及发送板以形成双冗余备份，为舵角采集及发送板中预先标定的参数的获得方法，所述舵角采集及发送板采集到的电压值与实际舵角值在左舵(-35°～0°)和右舵(0°～35°)分别呈一阶函数关系，由以下函数拟合：

y＝a₁x+a₀，

同时，对拟合后的残差再次进行非线性拟合，非线性拟合函数为：

y ₁＝b₄x⁴+b₃x³+b₂x²+b₁x+b₀。

本发明一种舵角标定方法中，在标定过程中所述函数拟合方法为：

从左舵35度到右舵35度，每隔5度采集一次模拟电压值，通过最小二乘方法，得到：

左舵时，a₁＝0.3558，a₀＝0.4676，b₄＝-0.000000092，b₃＝-0.00001515，b₂＝-0.0006905，b₁＝-0.0074，b₀＝0.00087068；

右舵时，a₁＝0.3477，a₀＝0.6062，b₄＝0.0000000305，b₃＝-0.0000101，b₂＝0.00095789，b₁＝-0.0277，b₀＝0.0991。

在本发明一种舵角标定方法中，标定后的舵角值误差在±0.1度以内。

基于上述技术方案，本发明专利与现有技术相比具有如下技术优点：

1、本发明提出的舵角反馈装置采用数字信号传输，不易受干扰，同时结构简单、易于实现、成本低。

2、本发明提出的舵角反馈装置可靠性高，采用两块相同的采集及发送板，同时采集电位器电压，互为双冗余热备份，当有一块板子发生故障时，船舶仍然可以安全航行。

3、本发明提出的舵角反馈装置兼容性好，采集发送板同时拥有CAN信号接口和串口信号接口，可以适应不同的设备接口要求。

4、本发明提出舵角标定方法，通过左舵和右舵分别拟合的方式，克服了电位器电压左右不对称的问题，同时在线性拟合后，对残差再次进行非线性拟合，最终实际误差在±0.1度以内，具有非常高的标定精度。

附图说明

图1是本发明舵角反馈装置的内部结构示意图。

图2是本发明舵角反馈装置中舵角采集及发送板流程图。

图3是本发明一种舵角标定方法中左舵拟合曲线和真实值图。

图4是本发明一种舵角标定方法中左舵最终角度误差图。

图5是本发明一种舵角标定方法中右舵拟合曲线和真实值图。

图6是本发明一种舵角标定方法中右舵最终角度误差图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本发明的结构组成和工作原理和实施过程进一步详细描述，以求更为清楚明了地理解本发明，但不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明首先是一种船舶舵角反馈装置，在船舶上设有舵机，舵机带动舵叶转动，所述舵叶通过一个平行四边形结构连接一根连杆的一端，在舵叶旋转时，平行四边形结构带动连杆旋转至与实际舵角相同的角度，其特征在于，所述舵角反馈装置包括有连杆、电位器和舵角采集及发送板，所述的电位器连接连杆的另一端，所述电位器的输出端分别连接至两块相同的舵角采集及发送板以形成双冗余备份，所述连杆旋转时带动电位器转动以产生不同的电压信号，该电压信号同时分别输入至两个所述舵角采集及发送板中。

上述的舵角采集及发送板上设有模拟量采集模块、模拟信号转化模块和数字量输出模块，所述的模拟量采集模块连接并接收所述电位器输出的模拟量信号，采集的模拟量信号输入至所述的模拟信号转化模块，在所述模拟信号转化模块中设有处理单元，所述的数字量输出模块接收模拟信号转化模块的数字信号，通过数字量输出模块包含的串口信号接口和CAN信号接口输出舵角值数字信号至不同的外部设备。

上述两块舵角采集及发送板，分别采集电位器的模拟量，将模拟信号的电压值转换为数字信号的实际舵角值。

在所述处理单元中执行如下操作：在处理单元的主控芯片中存储有预先标定的参数，当接收到采集的电位器模拟电压信号时，首先通过模拟电压的正负判断当前是在左舵还是右舵，以决定使用左舵系数还是右舵系数；然后利用公式：

y＝a₁x+a₀+y₁，其中，y₁为一阶拟合残差，

y₁＝b₄x⁴+b₃x³+b₂x²+b₁x+b₀，将y₁带入公式得到：

y＝a₁x+a₀+b₄x⁴+b₃x³+b₂x²+b₁x+b₀，

最后得到的y数值，该数值为计算得到的舵角值数字量。

如图2所示，本发明一种船舶舵角反馈装置的工作流程是，当设备上电后，首先读取存储在处理单元的主控芯片EEPROM中预先标定的参数，然后采集电位器模拟电压信号，通过模拟电压的正负判断当前是在左舵还是右舵，以决定使用左舵系数还是右舵系数；接着利用公式：

y＝a₁x+a₀+b₄x⁴+b₃x³+b₂x²+b₁x+b₀，

得到的y数值，该数值为计算得到的舵角值数字量，最后通过CAN和串口接口将计算得到的舵角数字量发送给外部设备。舵角的数字信号值输出时可以选择CAN接口输出，或选择串口接口输出，或者两种结构分别同时输出。在输出过程中若发现输出异常，则返回至电位器模拟量采集环节，重新进行模拟量采集及计算转化为数字量的流程，直至输出正常至外接设备中。

处理单元的主控芯片EEPROM(Electrically Erasable Programmable read onlymemory)是指一种带电可擦可编程只读存储器，为一种掉电后数据不丢失的存储芯片，EPROM可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新进行编程。标定后的预先标定参数就存储在主控芯片EEPROM中。

在船舶舵角反馈装置使用前首先需要对舵角值进行标定，以获得预先标定的参数，具体的标定方法如下：

从左舵35度到右舵35度，每隔5度采集一次模拟电压值，具体值如表1所示。根据表1的数据，对左舵和右舵分别进行曲线拟合，左舵(-35°～0°)和右舵(0°～35°)分别呈一阶函数关系，由以下函数拟合：y＝a₁x+a₀，同时对拟合后的残差再次进行非线性拟合，非线性拟合函数为：y₁＝b₄x⁴+b₃x³+b₂x²+b₁x+b₀。

利用MATLAB软件，当然也可以采用其他类似软件，属于现有软件的常规功能选择，用最小二乘方法，通过公式：a＝(x^Tx)^-1x^Ty和b＝(x^Tx)^-1x^Ty₁得到一阶函数系数a和非线性拟合系数b，最终计算出左舵时a₁＝0.3558，a₀＝0.4676，b₄＝-0.000000092，b₃＝-0.00001515，b₂＝-0.0006905，b₁＝-0.0074，b₀＝0.00087068；右舵时a₁＝0.3477，a₀＝0.6062，b₄＝0.0000000305，b₃＝-0.0000101，b₂＝0.00095789，b₁＝-0.0277，b₀＝0.0991。

将上面由MATLAB软件计算出来的14个系数写入到采集及发送板的主控芯片的EEPROM中，作为预先标定的参数，至此标定过程结束。

图3为左舵时舵角的真实值(断续线段)和用本发明提出的方法计算出的舵角值(实线段)，其中横坐标为模拟电压值，纵坐标为舵角值。图4为左舵时本发明提出的方法计算出的舵角值与舵角的真实值之间的误差。

图5为右舵时舵角的真实值(断续线段)和用本发明提出的方法计算出的舵角值(实线段)，其中横坐标为模拟电压值，纵坐标为舵角值。图6为右舵时本发明提出的方法计算出的舵角值与舵角的真实值之间的误差。

由图4和图6可知，本发明提出的方法计算出的舵角值和舵角真实值得误差在±0.1度以内，具有非常高的标定精度。

本发明涉及船舶舵角反馈装置及舵角标定方法，其采用两块舵角采集及发送板，分别采集舵角的电压值，并根据存储在芯片EEPROM中的系数，将模拟信号的电压值转换为数字信号的实际舵角值，两块舵角采集及发送板互为双冗余热备份，每块舵角采集及发送板同时拥有CAN信号和串口信号接口，方便连入不同的设备。而舵角标定方法则按照左舵(负方向)和右舵(正方向)分别通过最小二乘进行线性拟合，同时对拟合后的残差再次进行非线性拟合。本发明通过两块相同的采集及发送板就实现了双冗余功能，增强了设备的可靠性。同时，设备结构简单、易于实现，更重要的是通过本发明提出的标定方法，能够输出非常高精度的舵角值。

本实施例只是对本发明的进一步解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性的修改，但是只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (6)

1.一种船舶舵角反馈装置，在船舶上设有舵机，舵机带动舵叶转动，所述舵叶通过一个平行四边形结构连接一根连杆的一端，在舵叶旋转时，平行四边形结构带动连杆旋转至与实际舵角相同的角度，其特征在于，所述舵角反馈装置包括有连杆、电位器和舵角采集及发送板，所述的电位器连接连杆的另一端，所述电位器的输出端分别连接至两块相同的舵角采集及发送板以形成双冗余备份，所述连杆旋转时带动电位器转动以产生不同的电压信号，该电压信号同时分别输入至两个所述舵角采集及发送板中；

所述的舵角采集及发送板上设有模拟量采集模块、模拟信号转化模块和数字量输出模块，所述的模拟量采集模块连接并接收所述电位器输出的模拟量信号，采集的模拟量信号输入至所述的模拟信号转化模块，在所述模拟信号转化模块中设有处理单元，所述的数字量输出模块接收模拟信号转化模块的数字信号，通过数字量输出模块包含的串口信号接口和CAN信号接口输出舵角值数字信号至不同的外部设备。

2.根据权利要求1所述的一种船舶舵角反馈装置，其特征在于，在所述处理单元中执行如下操作：

在处理单元的主控芯片中存储有预先标定的参数，当接收到采集的电位器模拟电压信号时，首先通过模拟电压的正负判断当前是在左舵还是右舵，以决定使用左舵系数还是右舵系数；然后利用公式：

y＝a₁x+a₀+y₁，其中，y₁为一阶拟合残差，

y₁＝b₄x⁴+b₃x³+b₂x²+b₁x+b₀，将y₁带入公式得到：

y＝a₁x+a₀+b₄x⁴+b₃x³+b₂x²+b₁x+b₀，

最后得到的y数值，该数值为计算得到的舵角值数字量。

3.根据权利要求2所述的一种船舶舵角反馈装置，其特征在于，所述预先标定的参数包括有：

左舵参数：a₁＝0.3558，a₀＝0.4676，b₄＝-0.000000092，b₃＝-0.00001515，b₂＝-0.0006905，b₁＝-0.0074，b₀＝0.00087068；

右舵参数：a₁＝0.3477，a₀＝0.6062，b₄＝0.0000000305，b₃＝-0.0000101，b₂＝0.00095789，b₁＝-0.0277，b₀＝0.0991。

4.一种舵角标定方法，其特征在于，该方法用于船舶舵角反馈装置中，所述舵角反馈装置包括有电位器和舵角采集及发送板，所述电位器的输出端分别连接至两块相同的舵角采集及发送板以形成双冗余备份，为舵角采集及发送板中预先标定的参数的获得方法，所述舵角采集及发送板采集到的电压值与实际舵角值在左舵(-35°～0°)和右舵(0°～35°)分别呈一阶函数关系，由以下函数拟合：

y＝a₁x+a₀，

同时，对拟合后的残差再次进行非线性拟合，非线性拟合函数为：

y₁＝b₄x⁴+b₃x³+b₂x²+b₁x+b₀。

5.根据权利要求4要求所述的一种舵角标定方法，其特征在于，在标定过程中所述函数拟合方法为：

从左舵35度到右舵35度，每隔5度采集一次模拟电压值，通过最小二乘方法，得到：

左舵时，a₁＝0.3558，a₀＝0.4676，b₄＝-0.000000092，b₃＝-0.00001515，b₂＝-0.0006905，b₁＝-0.0074，b₀＝0.00087068；

右舵时，a₁＝0.3477，a₀＝0.6062，b₄＝0.0000000305，b₃＝-0.0000101，b₂＝0.00095789，b₁＝-0.0277，b₀＝0.0991。

6.根据权利要求4要求所述的一种舵角标定方法，其特征在于，标定后的舵角值误差在±0.1度以内。

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