船舶運動手操盒的設計及模糊自適應仿真

哈爾濱工程大學自動化學院 高淑芬 張 影 丁聰聰

特種船作業(yè)時需要操船人員既能觀察目標，又能操船，兩者協(xié)調(diào)配合達到最佳作業(yè)效果；手操盒系統(tǒng)作為一套特殊的船控操作系統(tǒng)，使操縱人員攜帶手操盒，到船旁觀察目標，根據(jù)目標離船的距離操縱船舶運動，滿足上述作業(yè)要求。手操盒通過網(wǎng)絡接收來自于傳感器系統(tǒng)DGPS、羅經(jīng)和風傳感器的信號，同時，手操盒與推力器系統(tǒng)有接口，可單獨的對船舶推力器系統(tǒng)進行控制。手操盒系統(tǒng)包括操作終端、主操縱終端等。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。手操盒可根據(jù)需要通過接線端子，連接到任何一個操作終端，行使對船的操縱控制。

手操盒系統(tǒng)可實現(xiàn)的操作模式有：手動控制模式、自動艏向控制模式、自動定位模式等，甚至可以將自動舵模式加入其中。手動控制模式即人工模式，在該方式下：操縱人員通過手柄操縱船舶前進、后退、左移、右移、左旋、右旋等運動；考慮到作業(yè)區(qū)域外部環(huán)境非常復雜，極有可能超出手動控制系統(tǒng)的控制范圍，為了保證船舶的工作，需要操縱人員進入手操盒自動艏向控制模式和自動定位模式操作，主要是根據(jù)水動力和船舶的運動特性同時考慮風、流等因素的綜合影響制訂控制方法，如定向、定位等控制功能。

系統(tǒng)的控制處理器，接收來自于傳感器系統(tǒng)的信號，經(jīng)過處理后作為控制器的控制依據(jù)，生成控制命令，一方面把信號傳遞給推進器系統(tǒng)，另一方面通過以太網(wǎng)把信息傳遞給主操作終端在主控制室顯示相關(guān)信息；如果操作人員按下操作終端請求信號，首先通過CAN網(wǎng)絡向主操縱桿操作終端發(fā)出請求信號，主控制室將允許信號返回操作終端，這時候手操盒便可進入工作模式，選擇手動控制模式、自動艏向控制模式、自動定位模式。

1.手操盒的設計

手操盒是一個包括界面顯示、按鍵、指示燈、操縱桿和艏向輪的人機交互設備終端，專門為在駕駛艙外實時控制的工作人員而設計的一個控制終端設備。相對于主操縱終端系統(tǒng)，其功能相對簡潔，主要包括操縱桿控制以及自動艏向輪的控制這兩個功能，除了與主操縱桿配合應用，另一方面通過CAN總線與其他的操作終端形成CAN總線網(wǎng)絡，并作為一個單獨的操作終端。

手操盒設備包括：操縱按鍵、按鍵指示燈、控制偏差報警器、船舶運動信息液晶顯示器、船舶運動操縱三軸操縱桿、方位操縱手輪/ID接口、信息通訊CAN總線接口。其硬件框如圖2。

手操盒在操縱桿系統(tǒng)中通過CAN總線與其他設備進行通信，考慮到硬件設計簡便性與穩(wěn)定性等方面因素，采用ATMEL公司的AT90CAN128系列單片機。由于船用電源為24V，一方面通過整流電源模塊把24V轉(zhuǎn)化為5V，為操作終端提供電源。同時，系統(tǒng)會時刻接收來自于按鍵、三軸操縱桿的信號，進行及時處理。

面板的按鍵為矩陣鍵盤，通過單片機對鍵值進行定時掃描，從而確定操作員輸入的命令；三軸操縱桿的縱向位移、橫向位移、轉(zhuǎn)動角度所對應的模擬信號通過單片機集成的10位AD轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，得到相應的位置和角度信息。指示燈可由單片機I/O直接驅(qū)動，報警器電路則采用三極管驅(qū)動蜂鳴器來完成；界面采用TFT液晶進行顯示，顯示內(nèi)容為船舶的當前艏向和操作員設置的艏向，初始化信息，報警信息，工作模式等相關(guān)信息。

2.手操盒操作終端與主操作終端

手操盒操作終端和主操操作終端通過CAN總線連接在起來。需要采用手操盒控制模式時，操作人員將手操盒連接到操作終端接線盒上，按下手操盒上的請求按鍵，通過CAN總線向主操操作終端主機發(fā)送請求信號，得到主操作終端的允許后，進入手操盒控制方式。手操盒操作終端進行處理，最終操作終端把所有信息顯示在手操盒液晶屏上。其控制流程如圖3所示。

3.手操盒液晶顯示原理

本手操盒采用TFT6448BS-5.7液晶顯示器，采用5.7英寸、分辨率為640*480的真彩TFT屏，提供一個簡單的高速8位總線與單片機連接，支持256色，可直接與AVR相連，并且直接輸入X、Y坐標，無須計算地址。

該液晶采用并行總線方式，數(shù)據(jù)總線D[7:0]、地址總線A[1:0]、片選/CS、讀/RD、寫/WR，顯示屏中每個點影射顯示存儲器中的一個字節(jié)，顯示屏上的X、Y坐標與顯示存儲器的地址一一對應。因此，只需輸入X、Y坐標便可直接讀寫相應點數(shù)據(jù)，不用計算像素點在顯示存儲器中的地址，寫入數(shù)據(jù)后X坐標自動加1，寫滿一行后自動換行，用戶也可實現(xiàn)Y坐標自動加1。顯示存儲器的一個字節(jié)由8位構(gòu)成，顯示器屏幕上的一個“像素”點由R、G、B三個“點”來組成。一個字節(jié)對應一個像素，位分配原則是是R3-G3-B2，也就是紅色占高三位，綠色占中間三位，藍色為低2位。因此，共可顯示8種紅色，8種綠色，4種藍色。通過紅、綠、藍的混合，總共可以得到256種顏色。其基本原理如圖，DC/DC電壓變換器產(chǎn)生液晶顯示所需要的各種驅(qū)動電壓，背光驅(qū)動電路則產(chǎn)生LED背光燈所需要的供電電源。邏輯控制電路采用CPLD器件，自主研制的優(yōu)化邏輯，利用獨有的緩沖技術(shù)，讓顯示與寫入數(shù)據(jù)同時進行，完全杜絕雪花現(xiàn)象，實現(xiàn)了畫面的高速更新，且互不干擾。

3.1 硬件設計

本系統(tǒng)采用的單片機是AVR系列單片機中功能最強的AT90CAN128。該單片機具有豐富的片內(nèi)資源如128k的Flash，4kB的內(nèi)部SRAM，51個I/O端口，可尋址64KB的地址，支持ISP下載和JTAG仿真等。由于液晶的顯示緩沖區(qū)里的內(nèi)容是不能讀出的，為了保存寫入的數(shù)據(jù)，在外面還外擴了一片AT24C04，由于本單片機的資源有限，須借助外擴存儲器。AT90CAN128采用IIC總線對EEPROM進行讀寫操作，上電后首先發(fā)送保存在片內(nèi)的數(shù)據(jù)，然后接受PC發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并保存起來，再次讀取數(shù)據(jù)返回給PC，斷電后數(shù)據(jù)不丟失。IIC總線對EEPROM進行讀寫操作，其過程如下：

1)發(fā)送START信號，通過對TWCR寫入特定值，指示TWI硬件發(fā)送START信號。

2)START信號被發(fā)送之后，TWCR寄存器的TWINT標志位置位，TWCR更新為新的狀態(tài)碼，表示START信號成功發(fā)送。

圖1 手操盒系統(tǒng)組成

圖2 手操盒設備組成

圖3 控制流程圖

3)應用程序應檢驗TWSR，確定START信號已成功發(fā)送，TWINT清零，啟動地址包的傳送。

4)地址包發(fā)送后，TWCR寄存器的TWINT標志位置位，TWDR更新為新的狀態(tài)碼，表示地址包成功發(fā)送。

5)應用程序應檢驗TWSR，確認地址包已成功發(fā)送、ACK為期望值。

6)一旦TWINT清零，TWI啟動數(shù)據(jù)包發(fā)送，發(fā)送后TWCR的TWINT置位，TWSR更新為新的狀態(tài)碼，表示數(shù)據(jù)包已成功發(fā)送。

7)應用程序檢驗TWSR，確認地址包已發(fā)送，ACK為期望值。

圖4、圖5為AVR單片機對EEPROM的讀寫流程圖。

3.2 液晶顯示設計與實現(xiàn)

TFT的接口方式采用總線方式，外部引線包括數(shù)據(jù)總線(DB0-DB7)、片選信號(/CS)、讀寫輸入(/RD、/WR)，可以直接接到單片機的總線上。

圖4 讀數(shù)據(jù)流程圖

圖5 寫數(shù)據(jù)流程圖

圖6 無環(huán)境干擾時采用模糊PID控制仿真結(jié)果

由于TFT顯示數(shù)據(jù)讀寫方式是首先必須指定行地址Y，以及列地址X。然后就可以將該行從地址X開始的數(shù)據(jù)連續(xù)進行讀寫操作，無須重新設置X和Y。在顯示數(shù)據(jù)的每次讀寫操作后，列地址X將自動加1，當?shù)刂芳拥叫形矔r，地址將跳到下一行的行首。當要讀寫一個新的行時，必須重新設置X、Y。

CMD為液晶控制寄存器，DAT為液晶數(shù)據(jù)寄存器，顯示數(shù)據(jù)通過該寄存器寫入和讀出，每次讀寫操作后地址自動沿X方向加一，一次讀寫一個像素。對液晶顯示器進行控制。

TFT的控制寄存器CMD如下：

76543210 Model1Model0EN

EN為使能位，該位為1使能8點寫模式，為0則是的單點寫的基本功能。

Mode=00：數(shù)據(jù)寄存器DAT是像素數(shù)據(jù)寫入寄存器。

Mode=01：數(shù)據(jù)寄存器DAT是前景色顏色寫入寄存器。

Mode=10：數(shù)據(jù)寄存器DAT是背景色顏色寫入寄存器。

圖7 有環(huán)境干擾時采用模糊PID控制仿真結(jié)果

Mode=11：數(shù)據(jù)寄存器DAT是亮度值寫入寄存器。

顯示函數(shù)：

TFT屏的顯示是直接把數(shù)據(jù)賦給數(shù)據(jù)寄存器，然后就能顯示出來，所有我們要做的就是確定顯示的首尾地址。

3.3 顯示漢字和其他功能

在屏幕上顯示16*16點陣漢字的基本步驟是首先取得該漢字的32個字節(jié)的點陣數(shù)據(jù)，再確定屏幕上顯示的位置，利用顯示函數(shù)即可顯示該漢字。由于本液晶不帶字庫，而且單片機本身的資源有有限，所以從外擴的EEPROM中讀取數(shù)組，然后再液晶上顯示。

其函數(shù)如下：

4.手操盒系統(tǒng)軟件仿真

為了驗證所設計的手操盒系統(tǒng)的性能，需要將其應用于船舶控制。由于條件有限無法將控制器應用于實船上驗證，因此需要搭建動力定位控制系統(tǒng)的半實物仿真平臺，并在該平臺上采用模糊PID控制算法對船舶艏向進行控制，以此來驗證控制器效果。

本文驗證方案為在PC機上建立一個三自由度的船舶模型，在手操盒控制板與PC機通過RS232相連，通過操縱手操桿，實現(xiàn)船舶控制量與船舶狀態(tài)量之間的關(guān)系。

仿真系統(tǒng)流程如下：首先先給系統(tǒng)上電，等待系統(tǒng)產(chǎn)生的船舶當前艏向，然后與原來模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行比較，如果相等，則程序結(jié)束。

在仿真試驗中，運行有船舶模型的PC機上時刻記錄著水面船舶的艏向信息，并將該信息保存到記事本中，待仿真結(jié)束利用MATLAB繪制出艏向控制曲線，主要驗證了在有環(huán)境干擾和無環(huán)境干擾下，模糊PID對船舶的艏向控制情況如下：

PID的控制算法為：

其中，u( t)為控制器輸出量，e( t)為誤差信號，ec( t)為誤差變化率，Kp，Ki，Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。這種PID存在參數(shù)修改不方便不能進行自整定等特點，如果能實現(xiàn)PID參數(shù)在線自整定，那么就能進一步改善PID控制器性能，以適應控制系統(tǒng)參數(shù)變化和工作條件的變化。

(1)無環(huán)境干擾時的艏向、北向控制仿真

試驗過程中，未加入風、浪和海流環(huán)境干擾力，比較了采用模糊PID算法將船舶艏向控制到10°時的變化情況，分別如圖6所示。

(2)有環(huán)境干擾時的艏向、北向控制仿真

試驗過程中，風速以17m/s從120°的方向吹向船舶，流速為0.3m/s，方向為90°，比較了采用模糊PID控制艏向角為10°時的控制曲線，如圖7。

5.結(jié)語

手操盒作為一種特殊的船控終端操作系統(tǒng)，在需要人為操作時才進行工作，擁有良好的人機交互界面。液晶顯示界面程序均在ICCAVR編譯器里調(diào)試通過，實現(xiàn)了在液晶屏幕上正常顯示各種顏色的漢字、英文、數(shù)字及簡單的圖形功能，采用本液晶模塊，達到了顯示穩(wěn)定，顯示色彩豐富，人機界面友好的較理想的顯示效果。

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