艦船自動舵教學訓練輔助系統(tǒng)設計

馬海瑞， 鐘云海， 胡宏燦， 蔡 烽

(海軍大連艦艇學院 航海系，遼寧 大連 116018)

0 引 言

自動舵是艦船重要的助航儀器，可根據(jù)航差角(羅經(jīng)等導航設備提供的艦船實際航向與指令航向之差)以及航速、海況和裝載等參數(shù)進行適當?shù)倪\算后，控制舵機擺動舵葉，從而自動保持或改變艦船的航向[1-3]。自動舵實驗室用于訓練學員熟悉自動舵的結構、原理及工作過程，掌握艦船操縱的一般規(guī)律，為作戰(zhàn)訓練航行中實施各種復雜機動奠定基礎。但實驗室條件下，一般較難具備舵機執(zhí)行機構和實船參與的自動舵工作環(huán)境，缺少真實航向信號激勵和舵角信號反饋[4-5]，無法實現(xiàn)航向自動和舵角隨動等基本操縱科目的訓練[6-7]，限制了裝備教學效能的發(fā)揮。

為解決上述問題，以訓練科目實戰(zhàn)化為目標，設計自動舵教學訓練輔助系統(tǒng)(以下簡稱輔助系統(tǒng))，通過調用艦船運動數(shù)學模型模擬自動舵在海上的實際操縱環(huán)境，與實驗室現(xiàn)有某型自動舵裝備聯(lián)動閉環(huán)運行，能使學員熟悉艦船擺舵后的運動狀態(tài)變化規(guī)律，理解自動舵各種操縱方式的適用時機，掌握艦船的基本操縱性能，鍛煉應對復雜操縱情況的能力。

1 自動舵教學訓練輔助系統(tǒng)工作原理

輔助系統(tǒng)主體功能結構如圖1所示。基于便攜式工控機構建教學訓練控制臺，在控制軟件中調用艦船運動數(shù)學模型，以初始航向、航速和艦位(經(jīng)緯度)為基礎，通過設定艦船主機速級控制艦船航速變化，并利用采集的舵角反饋信號進行艦船運動參數(shù)解算，將實時更新的航向信息通過RS-422串口形式輸出，經(jīng)數(shù)字-軸角模塊變換為自整角機轉角信號并進行功率放大后，發(fā)送給自動舵主控制器參與操舵控制并輸出舵令信號；設計適當?shù)耐鈬布涌陔娐泛涂刂撇考?，采用直流伺服電動機作為執(zhí)行機構帶動模擬舵葉擺動，舵角信息經(jīng)反饋發(fā)送器反饋至控制臺和自動舵主控制器用于計算舵差角；將實時舵角、航向、艦位以數(shù)字和曲線圖的方式在軟件界面中顯示，并按照NMEA 0183協(xié)議將經(jīng)緯度、航速和航跡向等信息組織為標準語句，通過RS-422等串口形式向電子航海圖系統(tǒng)等外部設備發(fā)送。

圖1 輔助系統(tǒng)結構與功能框圖

圖1中，“自動舵”虛線框內為實驗室原有裝備組成，“電子航海圖系統(tǒng)”可接收輔助系統(tǒng)生成的NMEA 0183語句，以便制定與執(zhí)行計劃航線，直觀監(jiān)視自動舵控制下的艦船航向、航速和航跡等運動響應，其余框圖為輔助系統(tǒng)的軟硬件功能結構。

2 硬件設計

2.1 教學訓練控制臺

教學訓練控制臺為輔助系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)初始參數(shù)裝定、車鐘速級設置、舵角信息采集和艦船運動參數(shù)解算輸出等主體功能。控制臺工控機的多個串口分別用于執(zhí)行采集舵角、輸出航向和輸出NMEA 0183語句等任務；HDMI雙屏輸出支持在顯示器和投影屏幕上實時顯示訓練參數(shù)和舵角、航向等動態(tài)曲線；鼠標鍵盤用于人機交互時的點選或輸入操作；雙網(wǎng)口可用于模擬綜合艦橋等后續(xù)網(wǎng)絡化功能擴展。

2.2 羅經(jīng)信號單元

為滿足自動舵的接口要求，輔助系統(tǒng)中的艦船航向信號應與真實羅經(jīng)裝備具有相同的電氣特性[8]。實驗室某型自動舵主控制器僅能接收自整角機轉角形式的航向信號，而控制臺根據(jù)艦船運動模型解算出的航向信息為包含在串行通信語句中的數(shù)字量，需經(jīng)變換后才可發(fā)送給自動舵。

圖1中航向信號轉換模塊用于接收來自控制臺的數(shù)字航向信號，通過微處理器解析并轉換成12位并行數(shù)字量后送給DSC模塊形成自整角機信號，發(fā)送給航向信號功放模塊。

航向信號功放模塊將來自航向信號轉換模塊1°/轉的自整角機信號經(jīng)耦合變壓器送入放大板的輸入端，經(jīng)放大后通過變壓器輸出至分羅經(jīng)控制繞組的連接器端，驅動自動舵上的航向分羅經(jīng)工作。放大板輸出回路中裝有保險絲，可防止功放器件因過載而損壞。

2.3 模擬舵機和舵葉

實際艦船多采用液壓舵機系統(tǒng)，通過2個電磁閥控制液體流向，從而控制舵葉的擺動方向[9]。輔助系統(tǒng)通過2個多觸點繼電器代替電磁閥控制直流伺服電動機帶動模擬舵葉轉動，從而模擬舵機油泵及活塞的正反向運動；舵角的大小和方向通過舵角反饋發(fā)送裝置檢測并轉換為RS-485形式的信號，輸出至自動舵主控制器和教學訓練控制臺參與控制和解算。在模擬舵葉擺動行程兩端設置左右限位開關，用于將舵葉擺幅限制在左右35°的滿舵舵角范圍內。

3 軟件設計

控制軟件內嵌運行于教學訓練控制臺，其界面可根據(jù)功能劃分為初始參數(shù)裝定、車鐘速級設置、參數(shù)監(jiān)視和運行控制等區(qū)域，如圖2所示。該軟件在圖形化編程環(huán)境LabVIEW中開發(fā)，并采用狀態(tài)機設計模式。各狀態(tài)分支在執(zhí)行某項操作后，通過向While循環(huán)的移位寄存器傳遞指令的方式指定狀態(tài)機的下一個狀態(tài)。初始化完成后，狀態(tài)機轉移至“等待事件”狀態(tài)，該狀態(tài)通過事件結構等待用戶界面操作。如用戶單擊“裝定航向”按鈕或改變“左車”速度等級時，會切換至事件結構的相應分支，繼而由該分支按照預定的決策邏輯發(fā)起狀態(tài)轉移。該模式便于定義各代碼段的執(zhí)行序列[10]，且代碼段可按需隨意增減，可避免功能擴充時程序結構的大幅改動。

控制臺軟件完成的主要任務如下：

圖2 控制軟件主界面

(1) 參數(shù)裝定。裝定初始航向、航速和艦位等艦船初始參數(shù)，設置主機速級，支持分車或錯車運行。

(2) 舵角信號采集。通過RS-485串口接收舵角反饋發(fā)送裝置送來的舵角信號。

(3) 艦船運動參數(shù)更新解算。根據(jù)艦船運動數(shù)學模型計算航向、航速、航跡向及推算實時艦位。

(4) 航向信號發(fā)送。通過RS-422串口向航向信號轉換模塊中的單片機系統(tǒng)發(fā)送數(shù)字航向信息。

(5) 運行控制。通過界面中的相應的功能按鈕控制輔助系統(tǒng)在運行、暫停和停止等狀態(tài)間切換。

(6) 綜合顯示。用數(shù)值控件顯示各種裝定參數(shù)、實時運行參數(shù)；用圖形控件顯示舵角變化曲線、航向變化曲線和艦船航跡線等。通過RS-422串口輸出的符合標準協(xié)議的語句可用于激勵電子航海圖系統(tǒng)或導航儀，便于執(zhí)行設計的計劃航線并監(jiān)視自動舵控制下的艦船航跡。圖2中航跡線為模擬某型艦在舟山海區(qū)占領陣位和旋回機動時的運動軌跡；圖3為“兩車進三”速級時自動操縱方式下航向受舵角控制的PID曲線。

3.1 艦船運動參數(shù)解算

艦船運動參數(shù)解算是通過調用艦船運動數(shù)學模型實現(xiàn)的。輔助系統(tǒng)采用艦船5自由度機動模型[11]，調用的主要函數(shù)見表1[12]。

圖3 舵角與航向曲線

艦位更新模塊根據(jù)墨卡托投影海圖的特點，將航速按航跡向的正余弦分解為北向和東向分量，在參數(shù)解算循環(huán)周期內，將東西距與中分緯度進行運算，得到本周期的艦位緯差和經(jīng)差，與循環(huán)起始時刻的艦位疊加得到艦船實時經(jīng)緯度，其LabVIEW程序代碼如圖4所示。

圖4 艦位更新解算程序代碼

3.2 計劃航線執(zhí)行與監(jiān)視

為便于設計計劃航線，輔助系統(tǒng)的輸出信息兼容衛(wèi)星導航儀和電子航海圖系統(tǒng)。通過與二者的有機整合，可在充分研究海區(qū)的前提下，直接在其海圖顯示區(qū)根據(jù)海區(qū)情況和想定方案準確、方便地制訂航行計劃，還可進行高效的航線檔案管理和航線安全性評估。

實驗室某型電子航海圖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口采用遵守NMEA 0183協(xié)議的GPRMC語句，形如[13]：

$GPRMC,113842.00,A,3610.11167,

N,12046.14011,E,18.059,124.6,

080817,5.0,E,A*0F

該語句包括時間、緯度、經(jīng)度、航速、航向、日期、磁差、定位狀態(tài)和校驗碼等數(shù)據(jù)段。

程序調用數(shù)值函數(shù)將經(jīng)緯度分離為度分秒并轉換為構造語句所需格式，配合字符串函數(shù)將其他信息整合并校驗[14]，其LabVIEW程序代碼如圖5所示。

圖5 GPRMC語句生成程序代碼

針對開闊海域直航、狹水道、離靠碼頭、頻繁機動和導彈火炮攻擊等不同時機，可結合自動舵的自動、隨動和簡單等多種操縱方式靈活地設置訓練科目內容。在計劃航線執(zhí)行的訓練過程中，支持到達報警、偏航指示與報警功能，使學員掌握航線執(zhí)行、偏航處理、到達轉向點處理和航線臨時調整等各種態(tài)勢下的應急處置能力[15]。

3.3 串口通信

串口是輔助系統(tǒng)信息交互過程中采用的主要通信方式，包括教學訓練控制臺采集自動舵反饋舵角、向航向信號轉換模塊發(fā)送航向以及向電子航海圖系統(tǒng)發(fā)送NMEA語句等。以舵角采集程序為例，利用LabVIEW VISA串口函數(shù)讀取舵角反饋發(fā)送裝置以RS-485協(xié)議發(fā)出的舵角語句。因每次舵角更新時語句均以CR/LF(回車/換行)字符結尾，故在“VISA配置串口”函數(shù)調用時啟用了終止符0xA(換行符的16進制表示)[10]，以保證每次均能讀得完整語句，其基本程序框圖如圖6所示。

圖6 采集舵角串口通信程序

此外，在狀態(tài)機的“錯誤處理”分支，針對串口數(shù)據(jù)幀異常、讀取超時等常見錯誤進行處理，必要時直接遷移至“初始化”或“等待事件”分支并向用戶發(fā)出提示，提升串口通信模塊的可靠性和人機交互的友好程度。

4 結 語

輔助系統(tǒng)通過科學合理的設計，將自動舵、電子海圖等實驗室裝備無縫整合，顯示直觀、操作簡便、運行穩(wěn)定，可通過控制臺顯示器和投影屏幕實時顯示舵角及自動舵控制下的艦船航向、航跡變化曲線，直觀感受艦船操舵響應，還可通過電子航海圖系統(tǒng)細致觀察航線執(zhí)行情況，選用不同的艦船運動模型即可在實驗室中實現(xiàn)不同艦型的操縱體驗，有效地實現(xiàn)了“自動舵-艦船-羅經(jīng)”的閉環(huán)聯(lián)動運行，在不破壞自動舵裝備原有結構的前提下，從根本上解決了實驗室無實船環(huán)境條件下進行操舵訓練的難題，為自動舵操作使用和實戰(zhàn)化訓練提供了良好平臺。已應用于艦艇航海指揮等專業(yè)的課程教學訓練，明顯提升了相應科目教學的科學性和有效性，對于提高學員的任職能力具有很強的實用性。