基于無線網(wǎng)絡(luò)的船舶航向保持控制仿真平臺(tái)

姜日凡， 張顯庫

(1.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院， 遼寧 大連 116026； 2.大連工業(yè)大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)信息中心, 遼寧 大連 116034)

基于無線網(wǎng)絡(luò)的船舶航向保持控制仿真平臺(tái)

姜日凡1,2， 張顯庫1

(1.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院， 遼寧 大連 116026； 2.大連工業(yè)大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)信息中心, 遼寧 大連 116034)

為滿足基于無線網(wǎng)絡(luò)的船舶航向保持控制研究的需要，同時(shí)針對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)控制的仿真研究通常采用軟件模擬，而軟件模擬未考慮無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)際中的不確定性，仿真存在局限性的問題，設(shè)計(jì)一套基于現(xiàn)實(shí)的通用分組無線服務(wù)技術(shù)(General Packet Radio Service,GPRS)和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的近?；騼?nèi)河船舶航向保持控制仿真平臺(tái)。仿真結(jié)果表明,該平臺(tái)的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定,航向保持控制性能良好。

船舶工程;船舶航向保持；無線網(wǎng)絡(luò)控制；通用分組無線服務(wù)技術(shù)；ZigBee

Abstract: A simulation platform based on GPRS(General Packet Radio Service) and ZigBee network is designed for the development of the wireless network based river-to-sea ship course-keeping control. This platform provides a physically realistic test environment for control system development rather than pure computer simulations commonly used. The test results demonstrates the merit of the platform: steady transmission and satisfactory performance．

Keywords: ship engineering; ship course-keeping; WiNCS; GPRS; ZigBee

隨著船舶技術(shù)和信息化技術(shù)不斷發(fā)展，船舶已采用智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、模塊化和集成化的綜合控制系統(tǒng)(包含導(dǎo)航、監(jiān)控、管理、主機(jī)和自動(dòng)舵等控制系統(tǒng))。[1]目前該系統(tǒng)主要采用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，采用工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線等有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各子系統(tǒng)及底層智能設(shè)備的本地通信[2]，而本地有線網(wǎng)絡(luò)都可用本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)取代。

目前遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)和本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于船舶通信和監(jiān)控系統(tǒng)。[3-6]隨著無線網(wǎng)絡(luò)在控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用[7-10]，其也必將在船舶自動(dòng)舵控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用。為滿足船舶無線網(wǎng)絡(luò)控制研究的需要，設(shè)計(jì)一套基于無線網(wǎng)絡(luò)的船舶航向保持控制仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)舵的本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)控制和船岸遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)控制。船舶自動(dòng)舵采用基于ZigBee的本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)控制,可降低成本、便于布置和維護(hù)并有效減少電纜敷設(shè)的工作量,適合在甲板及船艙等空間較小的場所使用；同時(shí),船舶自動(dòng)舵采用基于通用分組無線服務(wù)技術(shù)(General Packet Radio Service,GPRS)的遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)控制,可對(duì)近?；騼?nèi)河船舶進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，加強(qiáng)近?；騼?nèi)河船舶對(duì)意外情況的應(yīng)急處理能力。

目前，應(yīng)用較為廣泛的無線網(wǎng)絡(luò)控制軟件仿真工具有NS2,TrueTime,J-sim和OMNeT++等[11]，雖然無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)字仿真具有較強(qiáng)的靈活性和擴(kuò)展性，但單一的數(shù)字仿真只能反映實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的部分系統(tǒng)特性，未考慮無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)際中的不確定性，因此具有局限性。這里設(shè)計(jì)一種仿真平臺(tái)，在現(xiàn)實(shí)的GPRS和ZigBee網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行船舶航向保持控制的仿真研究，彌補(bǔ)單一數(shù)字仿真的局限性，使仿真更接近實(shí)際情況。

1 仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)及工作流程

該仿真平臺(tái)主要研究船舶的本地控制器通過本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行本地控制，當(dāng)近海或內(nèi)河船舶出現(xiàn)意外時(shí)，陸地控制中心(即遠(yuǎn)程控制器)能代替船舶上的本地控制器通過遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮遠(yuǎn)程控制作用。仿真平臺(tái)示意見圖1。仿真平臺(tái)的本地控制和遠(yuǎn)程控制工作流程見圖2。

1) 本地控制器通過本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)控制船舶模型進(jìn)行航向保持控制仿真。

2) 當(dāng)遠(yuǎn)程控制器向船舶模型發(fā)送遠(yuǎn)程控制信號(hào)時(shí)，本地控制器自動(dòng)斷開控制權(quán)限，由遠(yuǎn)程控制器進(jìn)行控制。

2 仿真平臺(tái)各模塊功能

該平臺(tái)由本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)、船舶模型、本地控制器和遠(yuǎn)程控制器等5個(gè)模塊組成,其中:本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)模塊和遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)模塊分別以ZigBee模塊及GPRS模塊為通信模塊，程序利用C語言編寫；船舶模型模塊、本地控制器模塊和遠(yuǎn)程控制器模塊利用上位機(jī)軟件VB編寫。

2.1本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)模塊

ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議的簡稱，具有低功耗、低成本、安全保密、可自組網(wǎng)和幾乎不掉線等優(yōu)點(diǎn)，適用于工業(yè)自動(dòng)控制和短程控制領(lǐng)域[12]，因此該平臺(tái)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee模塊以CC2530芯片為核心，包括1個(gè)高性能的2.4 GHz射頻收發(fā)器和1個(gè)小巧、高效的工業(yè)級(jí)8051控制器。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成。

1) 終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將傳感器(如陀螺羅經(jīng))采集的信號(hào)傳遞給路由節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收路由節(jié)點(diǎn)的控制信號(hào)給執(zhí)行器(如舵機(jī)執(zhí)行器)。

2) 路由節(jié)點(diǎn)在協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)之間建立一條通信轉(zhuǎn)發(fā)的通道，以方便信息的傳送，拓展網(wǎng)絡(luò)的范圍。

3) 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口與本地控制器通信，接收路由節(jié)點(diǎn)信號(hào)和發(fā)送控制器的控制信號(hào)。

2.2遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)模塊

由于衛(wèi)星通信費(fèi)用高，因此近海或內(nèi)河船舶可采用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與陸地控制中心通信。由于GPRS網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍最廣，因此該平臺(tái)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)。GPRS網(wǎng)絡(luò)主要用來提供非語音的數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)，提供移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)絡(luò)之間的接口,可將其看成IP網(wǎng)路的子網(wǎng),移動(dòng)終端如同GPRS子網(wǎng)中的一臺(tái)主機(jī),通過移動(dòng)IP來識(shí)別。

GPRS模塊通過SIM900無線通信模塊與GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信。GPRS網(wǎng)絡(luò)根據(jù)相應(yīng)的協(xié)議在船載系統(tǒng)(即船舶模型)與接入Internet的陸地控制中心(即遠(yuǎn)程控制器)之間建立一條支持TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)通道。

2.3船舶模型模塊

由于這里研究重點(diǎn)是基于無線網(wǎng)絡(luò)的船舶航向保持仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)，因此該平臺(tái)沒有使用復(fù)雜的非線性數(shù)學(xué)模型，而是采用文獻(xiàn)[13]中的四自由度狀態(tài)空間船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,即

(1)

式(1)中:w3為航向角受到的高頻噪聲;w4為海浪對(duì)舵葉驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的干擾作用。船舶數(shù)據(jù)取自大連海事大學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)船“育鯤”輪。

船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的離散算法采用4階龍格-庫塔法，采樣時(shí)間步長為h=1/(5ωc)，其中ωc為系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的剪切頻率。該VB程序的代碼見文獻(xiàn)[14]。

該模塊通過VB的Winsock控件,使用TCP/IP協(xié)議與遠(yuǎn)程控制器連接;通過VB的MSComm控件,使用RS232串口協(xié)議與本地控制器連接。

2.4本地控制器和遠(yuǎn)程控制器模塊

船舶控制器控制算法有自適應(yīng)、模糊、簡捷魯棒[15]、非線性反饋反步遞推[16]和PID等，其中PID控制簡單、可靠、物理意義明顯，目前仍廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。[17]為方便驗(yàn)證無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，本地控制器和遠(yuǎn)程控制器都采用PID控制算法。

采用差分反演法對(duì)PID控制器離散化,可得

(2)

式(2)中:比例參數(shù)kp=1;積分參數(shù)ki=-0.01;微分參數(shù)kd=5。

3 仿真實(shí)例

分別在3臺(tái)計(jì)算機(jī)上對(duì)該平臺(tái)的船舶模型、本地控制器和遠(yuǎn)程控制器進(jìn)行仿真，船舶模型和本地控制器在2個(gè)相距20 m的封閉房間內(nèi)通過實(shí)際的ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，船舶模型和遠(yuǎn)程控制器在相距約10 km的兩地通過實(shí)際的GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。由于這里主要進(jìn)行的是基于無線網(wǎng)絡(luò)的船舶航向保持控制仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，因此該平臺(tái)的控制算法忽略網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和數(shù)據(jù)丟包等網(wǎng)絡(luò)因素對(duì)系統(tǒng)的影響，本地控制器和遠(yuǎn)程控制器都選擇PID控制算法。在進(jìn)行實(shí)例仿真時(shí)，該平臺(tái)采用“育鯤”輪的4維狀態(tài)空間型數(shù)學(xué)模型?！坝H”輪總長116 m，型寬18 m，型深8.35 m，設(shè)計(jì)吃水5.4 m，6 000總噸。根據(jù)船舶參數(shù)計(jì)算出滿載時(shí)船舶Nomoto模型中的參數(shù)K0=0.31 s-1，T0=62 s。仿真的船舶航速為15 kn，風(fēng)力為5級(jí)，本地控制器的設(shè)定航向?yàn)?20°;當(dāng)仿真進(jìn)行到1 080 s時(shí)，切換為遠(yuǎn)程控制器控制，設(shè)定航向?yàn)?30°。仿真測試結(jié)果見圖3,其中dfai為航向誤差。

dfai=afair-βfai

(3)

式(3)中:afair為航向角;βfai為設(shè)定航向。

由圖3a可知:在正常無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,船舶的輸出航向超調(diào)5%;在穩(wěn)定以后，受無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)際中的不確定性影響，船舶航向出現(xiàn)小幅振蕩，同時(shí)均在-2°附近作±2°的小幅舵角操舵。由圖3b可知:當(dāng)向無線網(wǎng)絡(luò)中加入丟包和時(shí)延時(shí)，船舶的穩(wěn)定性將受到很大影響;在某些情況下，甚至?xí)?dǎo)致船舶不穩(wěn)定。

由仿真測試結(jié)果可知，本地控制器和遠(yuǎn)程控制器以實(shí)際的ZigBee和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)通信載體，能實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，且各項(xiàng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)良好，能達(dá)到船舶航向保持控制的目的。

4 結(jié)束語

針對(duì)船舶本地有線網(wǎng)絡(luò)布線難、擴(kuò)展性差及衛(wèi)星通信費(fèi)用高等問題，設(shè)計(jì)一套基于ZigBee和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)河或近海船舶航向保持控制仿真平臺(tái)。該平臺(tái)以實(shí)際無線網(wǎng)絡(luò)為通信載體，仿真更接近實(shí)際情況，仿真測試結(jié)果驗(yàn)證了該平臺(tái)的可行性和實(shí)用性。從仿真結(jié)果中能看到網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、數(shù)據(jù)丟包等網(wǎng)絡(luò)因素對(duì)系統(tǒng)的影響，下一步將在考慮網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、數(shù)據(jù)丟包等網(wǎng)絡(luò)因素的情況下進(jìn)行基于無線網(wǎng)絡(luò)控制的船舶航向保持控制算法研究。

[1] 郭遠(yuǎn)星，施一明，葉瑩.船舶綜合控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J]. 中國造船，2010，51(3):191-198.

[2] 周東.工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在船舶自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，2008，31(2): 116-123.

[3] 竇文博，王衛(wèi)東. 基于ZigBee的船舶狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J] . 電子設(shè)計(jì)工程，2014，22(22): 127-130.

[4] WHEELER A. Commercial Applications of Wireless Sensor Networks Using ZigBee[J].IEEE Communications Magazine， 2007，45(4):70-77.

[5] 朱飛祥，張英俊，趙莉.基于無線網(wǎng)絡(luò)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 中國航海，2008，31(2): 135-138.

[6] MAHDY AM. Marine Wireless Sensor Networks: Challenges and Applications Networking[C].Seventh International Conference on Networking， 2008: 530-535．

[7] IRWIN GW，CHEN J，MCKERNAN A，et al.Co-Design of Predictive Controllers for Wireless Network Control[J].IET Control Theory & Applications，2010，4(2):186-196.

[8] TRIVELLATO M，BENVENUTO N.State Control in Networked Control Systems Under Packet Drops and Limited Transmission Bandwidth[J].IEEE Transactions on Communications，2010，58(2):611-622.

[9] CHAMAKEN A，LITZ L.Joint Design of Control and Commuication in Wireless Networked Control Systems:A Case Study[C]//American Control Conference，Baltimore,2010:1835-1840.

[10] 徐云厚，涂亮，李智，等. 基于無線網(wǎng)絡(luò)控制的智能照明系統(tǒng)[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012,2(1): 51-54.

[11] 于斌，孫斌，溫暖,等. NS2與網(wǎng)絡(luò)模擬[M]. 北京:人民郵電出版社,2007.

[12] 呂治安. ZigBee網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用開發(fā)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[13] 徐國平，張顯庫. 基于網(wǎng)絡(luò)的船舶航向保持控制仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 中國航海，2015，38(1):1-3.

[14] 張顯庫.Visual Basic工程應(yīng)用實(shí)例[M]. 大連：大連海事大學(xué)出版社，2002.

[15] 張顯庫，張國慶.船舶港內(nèi)掉頭操縱的簡潔魯棒控制[J] .中國航海， 2014,37(2):31-34.

[16] 張顯庫，張國慶，陳秀嘉.一種非線性反饋反步遞推算法的線性弱化[J].控制與決策，2015，30(9):1641-1645.

[17] 張顯庫.船舶運(yùn)動(dòng)簡捷魯棒控制[M]. 北京：科學(xué)出版社，2012.

WirelessNetwork-BasedPlatformforShipCourse-KeepingControlSimulation

JIANGRifan1,2,ZHANGXianku1

(1. Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2. Network Information Center, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China)

U666.153

A

2016-10-08

國家自然科學(xué)基金(51109020);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(3132014302)

姜日凡(1978—)，男，遼寧大連人，工程師，博士生，研究方向?yàn)橹悄芸刂?。E-mail:jiangrif@163.com

1000-4653(2017)01-0001-03