羅經(jīng)復(fù)示器的航向跟蹤方法設(shè)計與優(yōu)化

高 楊，樊明波，蔡 君

（鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

羅經(jīng)復(fù)示器的航向跟蹤方法設(shè)計與優(yōu)化

高 楊，樊明波，蔡 君

（鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

為提高步進(jìn)電機(jī)式羅經(jīng)復(fù)示器跟蹤船舶航向的實時性、準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，提出了速率-位置控制及Kalman濾波兩種跟蹤方法，通過對航向數(shù)據(jù)的預(yù)處理有效提高了航向跟蹤的連續(xù)性、平滑性。結(jié)果表明采用速率-位置控制方法的羅經(jīng)復(fù)示器動態(tài)復(fù)示效果好，能較好的滿足船用要求。

羅經(jīng)復(fù)示器 Kalman濾波 速度-位置控制

0 引言

精確的航向是船舶安全航行的一個重要保證。傳統(tǒng)的航海儀器中的航向角位置檢測常用自整角機(jī)(synchro)、旋轉(zhuǎn)變壓器(resolver)完成檢測、傳輸、接收和變換等工作，它們用于船舶導(dǎo)航以來，對船舶的自動操舵航行、雷達(dá)天線跟蹤等提供精確的航向發(fā)揮了重要作用。但是自整角機(jī)或旋轉(zhuǎn)變壓器使用了大量的機(jī)械器件，機(jī)械間的嚙合不良、摩擦力增加、機(jī)械磨損等原因[1]，使傳遞的航向產(chǎn)生偏差，操舵人員需經(jīng)常與標(biāo)準(zhǔn)羅經(jīng)航向比對，消除分羅經(jīng)的誤差，不但傳向精度低，還存在可靠性較差、故障率高以及檢查、調(diào)整、消除誤差及維護(hù)保養(yǎng)繁瑣等缺陷。為適應(yīng)現(xiàn)代船舶設(shè)備發(fā)展的要求，能接收數(shù)字航向的復(fù)示器被廣泛使用，尤其是表盤式的航向復(fù)示器，這類航向復(fù)示器跟蹤航向與傳統(tǒng)的自整角機(jī)式分羅經(jīng)相比存在跟蹤航向跳躍性大、運轉(zhuǎn)不平滑等問題。

本文從數(shù)字控制器件-步進(jìn)電機(jī)設(shè)計的羅經(jīng)復(fù)示器出發(fā)，分別通過建立 Kalman濾波模型的方法和速度位置控制的方法分析、處理及復(fù)示接收的航向優(yōu)化復(fù)示器動態(tài)跟蹤效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

羅經(jīng)復(fù)示器[2]航向跟蹤系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)包括：模擬數(shù)字羅經(jīng)航向單元，航向信息接收處理單元，航向顯示單元。

圖1 羅經(jīng)復(fù)示器航向跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 模擬船舶航向單元

該單元主要完成數(shù)字羅經(jīng)航向輸出，采用C++ Builder 6.0軟件編寫“數(shù)字羅經(jīng)航向輸出模擬程序”的小軟件（見圖 2），只需在軟件的航向模擬參數(shù)框中設(shè)定震蕩的幅值、周期、發(fā)送格式等相關(guān)參數(shù)，就可以生成符合NEMA0183（美國電子航海儀器信號標(biāo)準(zhǔn)）格式標(biāo)準(zhǔn)的航向信息，通過RS232C接口發(fā)送出來，包含直航向震蕩保持、回旋航向等船舶航行常見規(guī)律的航向信息。RS232C通信協(xié)議為：波特率4800bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位，ASCII碼數(shù)據(jù)格式。

圖2 數(shù)字羅經(jīng)航向輸出模擬程序主界面

1.2 航向信息接收處理及航向顯示單元

航向信息接收處理單元包括RS232C/TTL電平轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、零位初始對準(zhǔn)電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路等[2]，硬件結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 羅經(jīng)復(fù)示器硬件結(jié)構(gòu)圖

單片機(jī)主控程序是羅經(jīng)復(fù)示器的核心，它實現(xiàn)與上位機(jī)的通信，對羅經(jīng)復(fù)示器的運行狀態(tài)進(jìn)行控制。主程序采用Keil-C語言編寫，程序采用模塊化設(shè)計，主要由3部分組成：

1）數(shù)據(jù)通信程序：實現(xiàn)接收及轉(zhuǎn)發(fā)PC機(jī)生成的航向信號，并發(fā)送復(fù)示器經(jīng)計算得到的航向變化率。

2）步進(jìn)電機(jī)控制程序：實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動及方向控制。

3）數(shù)字航向信息處理：處理接收的航向信息。

2 數(shù)字航向處理算法設(shè)計思路

實際船舶航向變化一般符合一定的規(guī)律：船舶轉(zhuǎn)向時航向變化是一個連續(xù)的過程，保持航向時航向的變化量一般較小且變化也是連續(xù)的。但實際數(shù)字航向信息卻是離散信息，航向信息本身是不連續(xù)的，羅經(jīng)復(fù)示器接收到航向信息后，如果對航向信息不做任何處理而簡單的將數(shù)字航向信息復(fù)現(xiàn)出來，復(fù)示器處理器因處理不來導(dǎo)致航向的顯示將出現(xiàn)嚴(yán)重滯后性，此外實際反映出來的航向也具有較大跳躍性。因此，對接收的航向進(jìn)行預(yù)處理很必要。下面分別介紹速率、位置聯(lián)合控制方法及基于船舶K-T方程利用Kalman濾波器[3]的方法對航向進(jìn)行處理。

2.1 速率、位置控制

所用的羅經(jīng)復(fù)示器采用步進(jìn)電機(jī)帶動航向碼盤轉(zhuǎn)動的方式，脈沖的個數(shù)決定步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)相應(yīng)的角位移[4-8]，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。位置、速率精確控制的實現(xiàn)方法的基本思想：復(fù)示器當(dāng)前顯示的航向與接收到的航向之間的差值決定復(fù)示器轉(zhuǎn)動的速率及轉(zhuǎn)動方向，而復(fù)示器的轉(zhuǎn)動速率由控制程序發(fā)送的脈沖頻率決定，差值決定脈沖個數(shù)：航向差值越大，脈沖頻率越高，復(fù)示器轉(zhuǎn)動越快；航向差值越小，脈沖頻率越低，復(fù)示器轉(zhuǎn)動越慢。但是，這種跟蹤方式?jīng)]有考慮復(fù)示器的轉(zhuǎn)動趨勢，當(dāng)航向變化率較小時，跟蹤的效果不錯，但當(dāng)航向高頻震蕩時，復(fù)示器復(fù)示出現(xiàn)嚴(yán)重滯后，滯后的關(guān)鍵問題是復(fù)示器的轉(zhuǎn)動速率沒有跟上接收航向的變化率。

程序中將航向的歷史數(shù)據(jù)保存起來，通過這些數(shù)據(jù)計算當(dāng)前船舶的航行變化率，再結(jié)合該變化率估算下一時刻的航向，最后比較當(dāng)前航向與估計航向的差值。為了保證發(fā)送的脈沖頻率準(zhǔn)確，確保復(fù)示器航向變化能跟上接收的航向變化，采取如下措施：運用單片機(jī)定時器2模式2自動重裝載計數(shù)器初始值，定時器的高低8位裝載的初始值采用查表法查詢預(yù)先計算好的的脈沖定時時間間隔；由專用單片機(jī)及驅(qū)動芯片控制步進(jìn)電機(jī)，專機(jī)專事避免主單片機(jī)的各種中斷影響程序的精確控制。

2.2 Kalman濾波器設(shè)計

在船舶航行環(huán)境中，將船舶航行看作質(zhì)點作平面運動，表達(dá)式近似為：

式中：kv為航向變化率，ku為航向加速度，kP為航向。為速度白噪聲項，為航向噪聲項，T為采樣周期。定義濾波器模型的狀態(tài)向量，則系統(tǒng)可表示為：

船舶航行過程中通常是保持航向狀態(tài)，忽略船舶的航向加速度 uk，將操舵產(chǎn)生的航向加速度看成噪聲，則式（3）可進(jìn)一步簡化為：

對應(yīng)式（3）的Kalman濾波方程為：

3 試驗結(jié)果分析

試驗分別進(jìn)行了靜態(tài)復(fù)示試驗和動態(tài)復(fù)示試驗，前期試驗復(fù)示器對固定航向的復(fù)示精度，驗證電路的可實現(xiàn)性，并進(jìn)行了通訊協(xié)議、極限轉(zhuǎn)速、最低轉(zhuǎn)速等實驗，初步證明了該復(fù)示器具有較好的靜態(tài)復(fù)示效果。后期航向跟蹤主要采用動態(tài)模擬跟蹤，模擬了航向保持、航向回轉(zhuǎn)等實驗，驗證復(fù)示器動態(tài)復(fù)示效果。這里給出速度聯(lián)合控制方案和 Kalman濾波方案在航向保持情況下的跟蹤效果。

仿真參數(shù)及條件為：船舶航向初始值180°，擺動幅值2度，擺動周期20 s。

從圖中可以看出，單純的位置控制方法，控制方法簡單，理論上不考慮延時的話顯示的航向與實際接收的航向一致，但航向跟蹤的平滑程度較差，航向變化率不能結(jié)合當(dāng)前實際航向的變化趨勢，做不到提前控制，這樣航向碼盤的轉(zhuǎn)動存在抖動現(xiàn)象，延時現(xiàn)象很嚴(yán)重。

圖4 Kalman濾波方案跟蹤效果

圖5 Kalman濾波方案跟蹤誤差

圖6 速度位置跟蹤效果

Kalman濾波的方法也存在一點延時的問題，這與航向中沒包含舵角信息有關(guān)，模型建立不能結(jié)合舵角信息（舵角能反映偏航變化的快慢及方向），但Kalman濾波的方法可以濾掉航向中包含的一些較為明顯的錯誤航向，跟蹤的平滑度較好（即碼盤顯示很平滑），基本符合實際航向的變化規(guī)律，碼盤顯示的航向與實際接收航向基本吻合。此外，船舶在實際航行過程中擺動幅值及擺動周期都相對要大一些，實際在跟蹤過程中誤差可進(jìn)一步減小。

圖7 速度位置跟蹤誤差

速度位置控制的方法避免了單純位置控制的缺點，加入了與偏航速度有關(guān)的控制作用，有一定的預(yù)測效果，跟蹤效果較位置控制有明顯改善，但跟蹤的平滑度不及濾波算法，精度也稍差一些。

表1 各控制方案的跟蹤誤差比較

表1給出各控制算法的誤差均值及協(xié)方差，可以看出 Kalman濾波控制精度更高，但就結(jié)合單片機(jī)而言，速度位置控制方法的控制算法容易在單片機(jī)中實現(xiàn)，且控制精度能滿足要求，因此，速度位置控制方法更適用于此羅經(jīng)復(fù)示器。

4 結(jié)語

航海儀器采用數(shù)字技術(shù)是儀器發(fā)展的必然趨勢[1]。本文介紹了以步進(jìn)電機(jī)式羅經(jīng)復(fù)示器為核心的兩種數(shù)字航向處理算法，通過仿真實驗驗證了兩種方案的跟蹤效果。從試驗結(jié)果來看，Kalman濾波方案和位置、速度聯(lián)合控制方案達(dá)到了船舶動態(tài)航向跟蹤的要求，但步進(jìn)電機(jī)還存在低頻共振及高頻負(fù)載能力較弱等問題，還需進(jìn)一步完善其硬件結(jié)構(gòu)，如加入細(xì)分控制電路等。在后續(xù)的算法完善過程中，還需通過模擬各種船舶航行規(guī)律驗證及建立結(jié)合船舶舵角的算法。

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Design and Optimization of the Course Tracking for Compass Repeater

Gao Yang, Fan Mingbo, Cai Jun

(Zhenjiang Watercraft College, Zhenjiang 212003, Jiangsu, China)

In order to improve the stability, accuracy, and real-time property of stepping motor compass repeater, two tracking method of velocity-position control and the kalman filter are proposed. Continuity and smoothness of course tracking can be improved by preprocessing the heading data. The test result shows that the dynamic display effect of the compass repeater with velocity-position tracking control method is good which can satisfy the requirements for ship.

compass repeater; Kalman filter; velocity-position control

TP273.3

A

1003-4862（2017）02-0054-04

2016-10-09

高楊（1987-）男，碩士，講師。研究方向:導(dǎo)航技術(shù)。E-mail:gaoyang441@126.com