一種氣墊船自航模遠(yuǎn)程控制方法

唐建華 徐 堯 韋曉富

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

自航模屬于無人船的一種，無人船是一種集智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、機(jī)動化和無人化于一體的新型小型水面自主航行交通工具，具有機(jī)動靈活、易操控、攜帶使用方便、易于開展實驗、成本低、效率高以及對監(jiān)控環(huán)境要求低等特點，已被廣泛應(yīng)用于湖泊和內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測、濕地環(huán)境監(jiān)測、海洋環(huán)境監(jiān)測、水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控以及水下環(huán)境測量等各種水域環(huán)境下民用和軍用的諸多領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

本文的論述對象是以氣墊船為母型等比縮尺設(shè)計制造的自航模。對于氣墊船自航試驗的研究，其意義在于氣墊船運動規(guī)律的強(qiáng)非線性和強(qiáng)耦合特性，數(shù)學(xué)模型預(yù)測精度低，需自航模優(yōu)化；同時，安全邊界試驗的不確定性和突發(fā)性，數(shù)學(xué)模型無法預(yù)測，以實船進(jìn)行試驗的可行性低。因此，按相似性原理來設(shè)計制作的氣墊船自航模，以其進(jìn)行研究的試驗需對自航模型航行的運動規(guī)律及安全邊界進(jìn)行測試，從而獲得自航模型在多種航行狀態(tài)下，無約束情況下的六自由度運動狀態(tài)和運動特性，驗證拖曳水池模型試驗的有關(guān)數(shù)據(jù)，是總體研究、分析實船運動特性的一種技術(shù)手段。

本文重點介紹的是自航模試驗技術(shù)中的遠(yuǎn)程控制技術(shù)，由于自航模自由航行時控制與采集時所需通道多、數(shù)據(jù)量大，且各項參數(shù)同步測試難度大，系統(tǒng)時統(tǒng)性難以把控。所以解決好大數(shù)據(jù)量控制要素的傳輸與系統(tǒng)的同步性問題，是研究自遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

本文從國內(nèi)外對于自航模遠(yuǎn)程控制方法研究現(xiàn)狀入手，對研制的自航模進(jìn)行介紹，同時對自控系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，對氣墊船自航模試驗技術(shù)中的遠(yuǎn)程控制技術(shù)進(jìn)行探究。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

在國際上，諸如美英法等國家，對于新型且尚不熟悉的船舶會以自航模的形式進(jìn)行許多仿真試驗，從其縮尺比模型真實航行的數(shù)據(jù)而展開對母型船的研究。此類自航模的試驗方法，由于自航模不受約束、自由航行，因而更能準(zhǔn)確地預(yù)報船舶的運動響應(yīng)。比如美國的LCAC就是通過自航模型進(jìn)行大量試驗，從而推導(dǎo)出母船的運動和控制模型。再如法國研制的“戴高樂”號航空母艦在其開發(fā)的前期階段就已經(jīng)進(jìn)行了長達(dá)25 m船模在海洋中的整體運動性能分析及相關(guān)用于艦艇的高新技術(shù)海試的試驗驗證，這些分析及試驗在船舶研制開發(fā)等方面起到了重要作用。其不受約束、自由航行的狀態(tài)對遠(yuǎn)程控制提出了較高要求，相應(yīng)的遠(yuǎn)離岸基的控制技術(shù)也隨之發(fā)展。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國的自航模研究技術(shù)較發(fā)達(dá)國家起步較晚，技術(shù)相對薄弱，主要體現(xiàn)在自航模的自航模的設(shè)計水平和仿真試驗環(huán)境等因素。對于仿真試驗環(huán)境，國內(nèi)對于自航模的研究大多基于有限室內(nèi)水池，有限的運動范圍對于其控制的距離并沒有過高的要求。

然而，隨著自航模試驗技術(shù)的發(fā)展，擺脫有約束的室內(nèi)或室外水池進(jìn)行仿真試驗是發(fā)展的趨勢，其遠(yuǎn)程控制方法顯得尤為重要。國內(nèi)無人船與岸基的通信可滿足長距離傳輸?shù)姆绞竭€是以第2代移動通信技術(shù)——GPRS技術(shù)為主。雖然此種傳輸可遠(yuǎn)距離傳輸，但傳輸信息相對簡單，無法滿足復(fù)雜應(yīng)用場景。本文所涉及的自航模具備在開闊水域自由航行的能力，同時其遠(yuǎn)程控制方法運用4G通信，滿足傳輸復(fù)雜數(shù)據(jù)指令實時傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2 自航模試驗簡介

本文介紹的氣墊船自航?？傞L小于5 m，總重小于200 kg，其試驗中控制流程見下頁圖1。它不同于常規(guī)水線面船艇，具有總重輕、航速高的特征，還包含水線面船艇所沒有的圍裙、空氣螺旋槳、墊升風(fēng)機(jī)、空氣舵等特種設(shè)備。同時，所進(jìn)行的試驗需在無障礙物的開闊水域進(jìn)行，水域面積不小于1.5 km×1.5 km，數(shù)據(jù)傳輸距離長和數(shù)據(jù)傳輸同時性也需要保障。

自航模運動進(jìn)行非線性仿真試驗時，選擇在開闊水域以獲得相對真實的試驗數(shù)據(jù)，因此，開闊水域?qū)ψ院侥＿h(yuǎn)離岸基的遠(yuǎn)程操作控制提出了較高的要求。此外，還需對研制的氣墊船自航模位置、航速、姿態(tài)、氣墊壓力和運動等參數(shù)進(jìn)行測試。對墊升風(fēng)機(jī)、推進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)和風(fēng)門電機(jī)等重要設(shè)備需進(jìn)行遠(yuǎn)程控制（控制要素見表1）。

圖1 試驗流程框圖

表1 自航模試驗重要控制要素

遠(yuǎn)離岸基后，在保證數(shù)據(jù)長距離傳輸穩(wěn)定性同時，大量的控制指令互換，對遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通信傳輸要求較高。同時，運動參數(shù)、操縱面參數(shù)和環(huán)境參數(shù)同步測試難度大。因此，大數(shù)據(jù)量控制要素的傳輸與系統(tǒng)的同步性問題需要重點解決。

3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)介紹

為實現(xiàn)氣墊船自航模遠(yuǎn)程控制的穩(wěn)定與高效，其關(guān)鍵技術(shù)在于解決需大數(shù)據(jù)量控制要素的傳輸與系統(tǒng)的同步性問題。本節(jié)對遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹，控制系統(tǒng)分為自控系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)兩個部分。自控系統(tǒng)以SIMATIC S7-1200系列為基礎(chǔ)，以ZP3000的4G傳輸通道實施大數(shù)據(jù)量無線遠(yuǎn)程控制，通過調(diào)用采集系統(tǒng)中的GPS授時功能來實現(xiàn)參數(shù)采集的同步性。

對于控制系統(tǒng)的整體搭建，通過陸上操作系統(tǒng)與艇上系統(tǒng)的連接，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制（其簡圖見下頁圖2）。

3.1 自航模自控系統(tǒng)簡介

該自航模自控系統(tǒng)的控制方案是以SIMATIC S7-1200系列為基礎(chǔ)設(shè)計的控制系統(tǒng)。

該型號的PLC具有強(qiáng)大的集成工藝功能和靈活、豐富的可擴(kuò)展性等特點，并有多種標(biāo)準(zhǔn)化模塊可供選擇，便于后續(xù)的功能擴(kuò)展需求。在研發(fā)過程中充分考慮了系統(tǒng)、控制器、人機(jī)界面和軟件的無縫整合和高效協(xié)調(diào)的需求，以滿足本次試驗中的自動化需求。

西門子S7-1200 PLC的用戶存儲器125 kB 工作存儲器 /4 MB 負(fù)載。存儲器，可用專用 SD 卡擴(kuò)展 /10KB保持性存儲器。

S7-1200 PLC的技術(shù)參數(shù)如下頁表2所示。

（1）模擬量輸入模塊SM 1231 AI 8·13位

● 輸入路數(shù)：8路

● 輸入類型：±10 V，±5 V，±2.5或者 0～20 mA

● 精度：11 位 + 符號位，滿量程的 ±0.3%/

圖2 控制系統(tǒng)

圖3 SIMATIC S7-1200

（2）模擬量輸出模塊SM 1232 AQ 4×14位4×14 位

● 輸出路數(shù)：4路

● 輸出類型：±10 V 或者 0～20 mA

● 精度：電壓：14 位；電流：13 位，滿量程的±0.3%/

（3）4 G通信模塊：CM 1241 RS232

通信模塊 CM1241 可直接使用以下標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議：

ASCII用于單工傳輸協(xié)議的第3方接口，例如帶起始碼和結(jié)束碼的協(xié)議或帶塊檢驗符的協(xié)議。通過用戶程序，可以調(diào)用和控制接口的握手信號。

● 數(shù)字電位器AS28-50-5

● 非接觸式，磁感應(yīng)測量技術(shù)，使用壽命長

表2 S7-1200 PLC的技術(shù)參數(shù)

● 工作量程 0～360°遞增（無限位）

● 模擬電壓信號 0～5 V 輸出，5 V 供電

● 模擬電流信號 0～20 mA 輸出，24 V 供電

● 選定量程范圍內(nèi)連續(xù)信號輸出，分辨率 16位，獨立線性高達(dá)±0.03%

● 插按式齒合或聯(lián)軸器連接

● 防護(hù)等級 IP54 或 IP67

3.2 大數(shù)據(jù)量控制要素的傳輸

該自航模無線遠(yuǎn)程控制選用的是ZP3000 系列，遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)是一種物聯(lián)網(wǎng)無線通信網(wǎng)關(guān)，支持國際通用標(biāo)準(zhǔn)的FDD-LTE、TDD-LTE、WCDMA（HSPA+）、CDMA2000（EVDO）、TD-Scdma等3 G/4 G移動寬帶網(wǎng)絡(luò)制式，提供方便快速的高速網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。該系列產(chǎn)品采用高性能的32位專業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信處理器，以嵌入式實時操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺，為用戶提供安全，高速，穩(wěn)定可靠的3G/4G無線路由網(wǎng)絡(luò)，并支持2個以太網(wǎng)RJ45接口和通信串口。

圖4 無線遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)ZP3000系列

該系列產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場各類 PLC和觸摸屏的遠(yuǎn)程控制，程序上下載及狀態(tài)監(jiān)控等。各類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、232/485 串口設(shè)備點對點通信、視頻監(jiān)控和串口數(shù)據(jù)采集等。

ZP3000支持 4 G LTE 網(wǎng)絡(luò)、WiFi、IEEE802.11 b/g/n ，向下兼容 3 G 和 2 G ，支持有線和 4 G 備份，可自動切換?？商峁?biāo)準(zhǔn) RS-232/485 串口，支持串口 DTU（數(shù)據(jù)傳輸終端）功能。同時Superlink軟件遠(yuǎn)程組網(wǎng)，可實現(xiàn)點對點、點對多點傳輸。其遠(yuǎn)程RS232/485 數(shù)據(jù)傳輸，支持無線透傳 /Modbus協(xié)議。

ZP3000接口有WAN/LAN：1·WAN+1·LAN或配置 2·LAN 兩個以太網(wǎng)接口（RJ45 插座），自適應(yīng)MDI/MDIX。其工業(yè)串口有1個通信RS485/RS232 接口，適用于本身帶有 RS485/232 接口的采集設(shè)備。接口示意圖參見圖5。

圖5 ZP3000接口示意圖

因此，對于表1中所涉及的關(guān)于風(fēng)機(jī)控制、舵機(jī)控制、風(fēng)門關(guān)閉裝置控制、驅(qū)動器故障處置、失聯(lián)控制和緊急處置等大量控制要素的數(shù)據(jù)傳輸，以及航速、姿態(tài)、氣墊壓力和運動等參數(shù)測試時需實時發(fā)出的采集控制指令的數(shù)據(jù)傳輸，均可按圖6的傳輸方式通過ZP3000的4 G網(wǎng)絡(luò)高速有效地進(jìn)行。

圖6 遠(yuǎn)程連接示意圖

3.3 系統(tǒng)的同步性

為保證遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實施控制時對各參數(shù)實現(xiàn)同步控制，可采用調(diào)用采集系統(tǒng)中的GPS授時功能來實現(xiàn)。

該自航模使用的數(shù)據(jù)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)如表3所示。

表3 自航模使用的數(shù)據(jù)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

由于通道很多，故采用兩塊數(shù)據(jù)采集模塊，系統(tǒng)連接方案見圖7。

圖7 系統(tǒng)連接方案

圖中，可以采用網(wǎng)絡(luò)或遠(yuǎn)程桌面形式實現(xiàn)岸上工控機(jī)或船上工控機(jī)的數(shù)據(jù)通訊和遠(yuǎn)程控制。

使用采集系統(tǒng)的GPS授時功能，可以實現(xiàn)模擬量通道和北斗信號的同步采集。只需在每次試驗前對模擬量和DGPS信號進(jìn)行同步控制，界面見圖8。

圖8 同步控制界面

4 航模試驗

在某大型氣墊船模型試驗中，為更全面地對運動狀態(tài)下的自航模型進(jìn)行研究，自航模試驗選擇在蘇州某湖泊開闊水域進(jìn)行無約束自航試驗。試驗主要目的是測試加速、制動、回轉(zhuǎn)和航向穩(wěn)定等運動性能，試驗內(nèi)容主要包括直航和慣性試驗、回轉(zhuǎn)試驗等。

進(jìn)行自航模試驗時，將所需操作各項指令集成于駕控臺，從岸基駕控臺進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，駕控臺的操作界面見圖9。

圖9 操作界面

自航模慣性試驗中，自航模加速到要求航速穩(wěn)定一定時間后，通過岸基駕控臺遠(yuǎn)程控制來降低推進(jìn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?？刂浦噶畎l(fā)出時，參數(shù)采集儀器能明顯記錄其速度變化（見下頁圖10）。

圖10 慣性試驗遠(yuǎn)程控制速度

自航?；剞D(zhuǎn)試驗中，自航模直航加速到要求航速后，通過岸基遠(yuǎn)程控制操縱空氣舵角度。從岸基駕控臺控制指令發(fā)出，同一時間舵角角度調(diào)整和舵角變化情況見圖11。

圖11 回轉(zhuǎn)試驗遠(yuǎn)程控制舵角

在自航模各系試驗中，通過操作岸基控制界面向自航模船載控制系統(tǒng)發(fā)出控制命令，船載控制系統(tǒng)依據(jù)不同的控制命令進(jìn)行相應(yīng)的運動，可實現(xiàn)岸基系統(tǒng)對船載系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能。同時，岸基系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲得船載系統(tǒng)的各項參數(shù)信息，可完成船載系統(tǒng)與岸基系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信功能。通過各系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，可完成諸如圖12回轉(zhuǎn)航行等復(fù)雜運動，以滿足研究母型船試驗所需的航行要求。

圖12 自航模回轉(zhuǎn)航行軌跡圖

通過船載的數(shù)據(jù)采集儀器記錄并分析相關(guān)運動參數(shù)變化情況，進(jìn)一步驗證運動特性和安全邊界。經(jīng)驗證試驗數(shù)據(jù)真實有效，為實船操縱和安全限界設(shè)計提供了有效的試驗支撐。

5 結(jié) 語

本文基于氣墊船自航模設(shè)計一套遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，主要選用西門子SIMATIC S7-1200與ZP3000無線遠(yuǎn)程控制，其中大量控制要素均通過4 G通信進(jìn)行數(shù)據(jù)互換傳輸。

經(jīng)試驗論證，本文所論述的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對于長距離傳輸穩(wěn)定性較強(qiáng)，在某大型氣墊船模型試驗中發(fā)揮了重要作用。通過這套系統(tǒng)進(jìn)行氣墊船自航模型試驗技術(shù)研究，能補(bǔ)充完善氣墊船總體技術(shù)設(shè)計的試驗驗證手段。同時，此套控制系統(tǒng)適用性較強(qiáng)，對于控制要素較多的無人船遠(yuǎn)程控制設(shè)計也具有一定的參考價值。