船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)硬件在環(huán)模擬測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(海軍工程大學(xué) 導(dǎo)航工程系，武漢 430033)

船舶回轉(zhuǎn)率(rate of turning，ROT)的大小是影響回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵因素，也是進(jìn)行船舶操縱控制時(shí)的重要參數(shù)[1]。一般獲得船舶回轉(zhuǎn)率的方法是通過羅經(jīng)測(cè)得航向并計(jì)算出變化率，但是船上裝備的羅經(jīng)設(shè)備存在一定的不足，比如，電羅經(jīng)價(jià)格偏高，磁羅經(jīng)容易受到地磁的干擾，且通過磁羅經(jīng)得到船舶回轉(zhuǎn)率具有一定滯后性，不能實(shí)時(shí)顯示回轉(zhuǎn)率數(shù)據(jù)[2]；GPS羅經(jīng)容易受到衛(wèi)星信號(hào)的影響，定位位置不穩(wěn)定，影響回轉(zhuǎn)率的計(jì)算[3]。相比之下，直接利用船上裝備的MEMS陀螺儀獲得船舶回轉(zhuǎn)率就比較方便快速，同時(shí)陀螺儀的動(dòng)態(tài)敏感性較好，有利于船舶的操縱控制[4]。MEMS陀螺儀是通過直接敏感船體的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來獲得回轉(zhuǎn)率的，對(duì)于教學(xué)研究工作來說，有必要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)構(gòu)建實(shí)物系統(tǒng)來模擬真實(shí)的船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)MEMS陀螺儀對(duì)實(shí)際船舶回轉(zhuǎn)率的測(cè)量。為此，基于實(shí)驗(yàn)室條件設(shè)計(jì)并構(gòu)建硬件在環(huán)模擬測(cè)量系統(tǒng)，利用船舶運(yùn)動(dòng)模擬器輸出的數(shù)字航向信號(hào)驅(qū)動(dòng)物理轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為具體物理運(yùn)動(dòng)過程，期望以此模擬實(shí)際的船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得MEMS陀螺儀可以通過測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速率來實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際船舶回轉(zhuǎn)率的測(cè)量。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)硬件在環(huán)模擬測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 硬件在環(huán)模擬測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中船舶自動(dòng)操舵儀向船舶運(yùn)動(dòng)模擬器發(fā)出控制指令，模擬器模擬出實(shí)際的船舶運(yùn)動(dòng)航向信息，通過串口傳輸?shù)轿锢磙D(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，以模擬真實(shí)的船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)MEMS角速率測(cè)量系統(tǒng)通過陀螺儀敏感轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)得到其角速率，即為實(shí)驗(yàn)室條件下模擬得到的船體回轉(zhuǎn)角速率，將陀螺儀測(cè)得的角速率和模擬器輸出的數(shù)字航向信息送回自動(dòng)操舵儀，構(gòu)成硬件在環(huán)回路，以實(shí)現(xiàn)船舶操縱控制。

實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)是構(gòu)建出切實(shí)可行的模擬測(cè)量系統(tǒng)，未涉及船舶操縱的相關(guān)問題，故將測(cè)得的實(shí)際角速率和接收到的數(shù)字航向信息在Matlab中仿真分析，以驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)效果。

1.1 物理轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)組成

物理轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成見圖2。

圖2 物理轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成

其中NSK-PS-DD馬達(dá)為超大扭力伺服馬達(dá)，工作原理是通過脈沖驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)。控制板通過串口接收船舶運(yùn)動(dòng)模擬器ROT數(shù)據(jù)，并通過串口向馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送旋轉(zhuǎn)控制指令驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)。電源模塊采用220 V轉(zhuǎn)24 V及24 V轉(zhuǎn)12 V，分別給驅(qū)動(dòng)器和控制板供電。

1.2 MEMS角速率測(cè)量系統(tǒng)

MEMS角速率測(cè)量系統(tǒng)選用的角速率陀螺儀型號(hào)為ADXRS623，該陀螺儀為單軸角速率測(cè)量器件，具有尺寸小、功耗低、抗沖擊和振動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，易于安裝到電路板，便于敏感轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)角速率。ADXRS系列陀螺儀利用科里奧利加速度來測(cè)量角速度，所以陀螺儀可以任何角度安裝在旋轉(zhuǎn)物體的任何地方，只要使陀螺儀旋轉(zhuǎn)軸和所要測(cè)量的軸平行即可[5]。如圖2所示，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中將MEMS角速率測(cè)量系統(tǒng)通過支架水平固定于DD馬達(dá)之上，跟隨馬達(dá)旋轉(zhuǎn)以測(cè)得回轉(zhuǎn)角速率。

2 DD馬達(dá)轉(zhuǎn)速設(shè)定

為了更好地模擬船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，需要對(duì)DD馬達(dá)的轉(zhuǎn)速重新設(shè)定，使得轉(zhuǎn)速穩(wěn)定均勻地變化。由上節(jié)可知DD馬達(dá)是通過改變輸入脈沖量控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度，則可以在固定的定時(shí)時(shí)間內(nèi)改變步長(zhǎng)以改變馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，或者改變單片機(jī)定時(shí)時(shí)間也可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

在實(shí)驗(yàn)之前需要測(cè)試馬達(dá)轉(zhuǎn)速誤差，其理論轉(zhuǎn)速值Va為

(1)

實(shí)際轉(zhuǎn)速Ve為

(2)

式中：Q為步長(zhǎng)；f為定時(shí)頻率，Hz；T為馬達(dá)旋轉(zhuǎn)1圈所用時(shí)間，s。

通過不斷改變步長(zhǎng)和定時(shí)，測(cè)得實(shí)際的轉(zhuǎn)速，得到轉(zhuǎn)速誤差Vd≈0.003 (°)/s。

經(jīng)反復(fù)測(cè)試決定采取改變步長(zhǎng)的同時(shí)也改變定時(shí)的方法，盡可能多地獲得馬達(dá)轉(zhuǎn)速值，使速率值的變化更加均勻精密。在修正轉(zhuǎn)速誤差后得到轉(zhuǎn)速和步長(zhǎng)以及定時(shí)頻率的匹配(部分值)，見表1。

由表1可見，在單片機(jī)中共設(shè)定829組速度值(由于篇幅限制原因在此選取部分?jǐn)?shù)值)，從91.44 (°)/min開始，以0.12 (°)/min的間隔遞減

表1 轉(zhuǎn)速-步長(zhǎng)-定時(shí)頻率匹配表(部分值)

變化，在6.00 (°)/min開始變?yōu)橐?.06 (°)/min間隔遞減，直至趨近于零。若接收到的速度值大于91.44 (°)/min，則取最大值91.44 (°)/min。

由于控制工程實(shí)際應(yīng)用中注重系統(tǒng)在保持穩(wěn)定性方面的性能，船舶在轉(zhuǎn)彎之后航向逐漸趨向穩(wěn)定，回轉(zhuǎn)率在很小范圍波動(dòng)，故本系統(tǒng)在零值附近設(shè)定了較多速度值，使速度變化更緊密，從而使得模擬過程更加真實(shí)可靠。而對(duì)于回轉(zhuǎn)率變化較快的轉(zhuǎn)彎過程，則不需要過度精確模擬。

馬達(dá)模擬船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)好后，系統(tǒng)可通過串口接收來自模擬器的ROT數(shù)據(jù)解算出馬達(dá)轉(zhuǎn)速，并通過遍歷表1中的數(shù)組得到步長(zhǎng)和定時(shí)頻率，控制馬達(dá)按照相應(yīng)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

3 MEMS陀螺儀的校零和標(biāo)定

MEMS陀螺儀在零角速度下需要進(jìn)行初始零位校正，在SUMJ引腳處外接一個(gè)合適電阻Rx到地或電源正極即可調(diào)整零位，采集系統(tǒng)中參考電壓為2.5 V，按式(3)計(jì)算Rx，若求得Rx為正值時(shí)接5 V電源，為負(fù)值則接地[6-7]。

(3)

式中：U0為未校正時(shí)零角速率的輸出電壓；U1為校正后所需達(dá)到的參考電壓。

在陀螺儀校正零位后，還需要對(duì)角速率測(cè)量系統(tǒng)采集輸出的信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，以便解算出相應(yīng)的角速率值。由于是對(duì)船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的模擬，角速率值較小，需對(duì)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行放大，即得到的輸出結(jié)果是放大后的電壓值。

均勻選取馬達(dá)6個(gè)典型的轉(zhuǎn)速值對(duì)陀螺儀ADXRS623的輸出電壓信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，分別為90，60，30，-30，-60，-90 (°)/min。通過仿真軟件Matlab對(duì)每個(gè)典型值分別采集100 s數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間為0.5 s，并由100 s采集數(shù)據(jù)求得平均電壓值k，從而求得平均靈敏度k，見表2。

表2 不同轉(zhuǎn)速下的平均靈敏度

ω=0.091 5U

(4)

依照式(4)可解算出串口接收到的陀螺儀數(shù)據(jù)，得到實(shí)際的角速率測(cè)量值?，F(xiàn)設(shè)定馬達(dá)轉(zhuǎn)速?gòu)?0 (°)/min勻速減小到-90 (°)/min，通過仿真得到MEMS陀螺儀測(cè)得的角速率變化見圖3。

圖3 勻速下測(cè)得的回轉(zhuǎn)角速率

可以看出通過關(guān)系式(4)解算獲得的陀螺儀角速率測(cè)量值基本能夠與實(shí)際回轉(zhuǎn)角速率相吻合，說明此MEMS角速率測(cè)量系統(tǒng)可以測(cè)得馬達(dá)轉(zhuǎn)速，并且能夠跟隨轉(zhuǎn)速變化而變化。

4 實(shí)驗(yàn)及分析

模擬器輸出的航向信息和MEMS測(cè)量數(shù)據(jù)可通過Matlab的simulink系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真。圖4為硬件在環(huán)模擬測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

圖4 硬件在環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MEMS陀螺儀測(cè)得的角速率存在很多噪聲，數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，前期在系統(tǒng)標(biāo)定與測(cè)試時(shí)將采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的低通濾波處理，可以濾除大部分噪聲，而通過調(diào)整濾波系數(shù)，則可以改變測(cè)量值的動(dòng)態(tài)性和濾波效果?，F(xiàn)改變?yōu)V波系數(shù)，并通過操舵儀分別給出相同的舵角變化，與實(shí)際回轉(zhuǎn)率的變化對(duì)比見圖5。

圖5 不同濾波系數(shù)下的測(cè)量角速率變化

由圖5可見，隨著濾波系數(shù)的減小，濾波效果變好，而動(dòng)態(tài)性能則變差。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)正是利用了MEMS陀螺儀的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好、敏感運(yùn)動(dòng)變化較快的特點(diǎn)，可以快速感知船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，獲得船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故在具體實(shí)現(xiàn)過程中期望保證系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，故選定濾波系數(shù)為0.01進(jìn)行船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)。在330，700，1 200 s的時(shí)刻分別向右打舵12°、向左打舵6°、再向左打舵14°，同時(shí)在simulink中進(jìn)行同步仿真，結(jié)果見圖6、7。

圖6 航向變化

圖7 模擬測(cè)量系統(tǒng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

可以看出，模擬測(cè)量系統(tǒng)能夠在航向發(fā)生變化時(shí)及時(shí)響應(yīng)，并且按照相應(yīng)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)MEMS陀螺儀可以實(shí)時(shí)敏感馬達(dá)角速率變化，響應(yīng)情況較好，說明系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)模擬船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程。但是，由于溫度變化、系統(tǒng)噪聲等影響，陀螺儀測(cè)量得到的角速率在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后存在一定波動(dòng)，所以下一步工作重點(diǎn)是如何在保證動(dòng)態(tài)性能的基礎(chǔ)上提高濾波效果，獲得穩(wěn)定的測(cè)量數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)的硬件在環(huán)模擬測(cè)量系統(tǒng)能夠在實(shí)驗(yàn)室條件下較好地模擬船舶實(shí)際回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且能夠通過MEMS陀螺儀測(cè)得實(shí)時(shí)的回轉(zhuǎn)率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是有效可行的。對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)仍存在的波動(dòng)，下一步應(yīng)在保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)，增強(qiáng)測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，以更好地實(shí)現(xiàn)船舶操縱控制。