基于數(shù)字信號(hào)處理的舵角反饋指示系統(tǒng)

呂旭，胡柏青，李開龍，田佳玉，雷娜

(1.海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.錦州航星集團(tuán)錦州航星船舶科技有限公司，遼寧 錦州 121001)

0 引言

隨著我國對海洋開發(fā)的需要，海洋工程裝備以及高新技術(shù)船舶列為《中國制造2025》的十大重要領(lǐng)域，整體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展[1–2]。其中舵角反饋指示系統(tǒng)是現(xiàn)代艦船上不可缺少的導(dǎo)航設(shè)備，其主要的功能是自動(dòng)高精度輸出當(dāng)前船舶的舵葉方位，以保證船舶平時(shí)安全航渡和惡劣環(huán)境時(shí)精準(zhǔn)航行[3–4]。因此，舵角反饋指示系統(tǒng)性能優(yōu)劣將直接關(guān)系到船舶航行的安全，并直接影響船舶的生命力[5]。

傳統(tǒng)的舵角反饋指示系統(tǒng)主要由自整角機(jī)式同步跟蹤系統(tǒng)和電位計(jì)式舵角指示組成，其靈活性、操控性、穩(wěn)定性等相對欠缺。自整角機(jī)同步指示系統(tǒng)接線較為復(fù)雜，其主要由單相激磁繞組的小型異步電機(jī)[6]、連接線纜、儀表等組成；自整角機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子線圈是采取微行滑環(huán)，容易造成接觸不良問題，指示儀表使用電磁裝置，易受到外界環(huán)境干擾，經(jīng)常需要調(diào)零[7]。同時(shí)考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性，其設(shè)計(jì)成本較高。

本文定性分析了產(chǎn)生這一問題的原因，提出并設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字信號(hào)處理的舵角反饋指示系統(tǒng)。以單片機(jī)為控制核心，采用模塊化電路設(shè)計(jì)，通過無需參考點(diǎn)及無需記憶的絕對值編碼器進(jìn)行角度信息采集，結(jié)合數(shù)據(jù)程序處理解決以上問題。通過半實(shí)物模擬仿真實(shí)驗(yàn)，證明了基于數(shù)字信號(hào)處理的舵角反饋指示系統(tǒng)的可行性，降低了設(shè)計(jì)成本。

1 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

舵角反饋指示器是用于指示船舶航行時(shí)舵葉位置的儀器，即舵角的數(shù)值?；跀?shù)字信號(hào)處理的舵角反饋指示系統(tǒng)是在原自整角機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)。該舵角反饋指示器硬件系統(tǒng)主要由舵角發(fā)送器、接收器、接線箱、調(diào)光器以及若干個(gè)由接收器組成的三面舵角指示器、嵌入式舵角指示器、壁掛式舵角指示器等組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)方框圖Fig.1 The block diagram of hardware structure

由圖1 可知，發(fā)送器安裝在舵機(jī)艙，舵角發(fā)送器的連桿與舵桿以平行四邊形相連接，操作方便、靈活可靠。發(fā)送器是通過STC 系列單片機(jī)為控制器，以標(biāo)準(zhǔn)modbus RTU 協(xié)議采集具有64 圈絕對值高精度編碼器模塊角度信號(hào)，并將角度信號(hào)通過自身容錯(cuò)機(jī)制等程序處理以數(shù)字信號(hào)形式傳送給接線箱，通過現(xiàn)場總線將舵葉位置信發(fā)送給各個(gè)舵角接收器。為了使上傳的數(shù)據(jù)都能及時(shí)有效傳遞給每個(gè)舵角接收器，在接線箱位置采取信息并行發(fā)送方式，即便某條通信鏈路出現(xiàn)問題也不會(huì)影響其他舵角接收器的信息通信，提高系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。由接收器組成舵角指示器通過驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)32 細(xì)分的方式，使指針旋轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，舵角信息更加直觀。需要操舵時(shí)，操舵人員可以觀察舵角接收器的數(shù)據(jù)信息，來獲知當(dāng)前舵葉所在的位置。舵角指示器帶內(nèi)部照明，其調(diào)光器可安裝在指示器上，也可獨(dú)立布置。

2 電路接口設(shè)計(jì)

舵角發(fā)送器主要由單片機(jī)控制模塊、按鍵模塊、指示燈模塊、串行口通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和外部接口模塊等組成。發(fā)送器電路接口連接圖2 所示。

由圖2 可知，發(fā)送器的位置信息來源于絕對編碼器，絕對編碼器可以將機(jī)械角度位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過串行口傳送給發(fā)送器控制板，當(dāng)發(fā)送器控制板正確接收到該信息時(shí)，編碼器指示燈點(diǎn)亮。發(fā)送器具有校準(zhǔn)功能。在控制板上有設(shè)置開關(guān)、左舵設(shè)置、右舵設(shè)置、零位設(shè)置4 個(gè)按鍵。需要設(shè)置時(shí)，將設(shè)置開關(guān)撥至開的位置，將舵機(jī)分別打到左35°、0°、右35°位置，按下相應(yīng)的按鍵完成校準(zhǔn)。如欲設(shè)置零位，首先令舵機(jī)行走到機(jī)械標(biāo)尺的零位，將設(shè)置開關(guān)撥至打開的位置，此時(shí)設(shè)置指示燈點(diǎn)亮，零位指示燈閃爍，按下零位設(shè)置按鍵，零位指示燈平光，代表設(shè)置成功。CPU 會(huì)將設(shè)置的參數(shù)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片中。

舵角發(fā)送器主要由單片機(jī)控制模塊、按鍵模塊、指示燈模塊、串行口通信模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和外部接口模塊等組成。接收器電路接口連接圖如圖3 所示。

圖3 接收器接口連接圖Fig.3 Wiring diagram of receiver interface

由圖3 可知，舵角接收器采用步進(jìn)電機(jī)帶指針完成角度指示。舵角接收器主要由控制板，步進(jìn)電機(jī)、齒輪、齒帶組成。控制板將接收到的角度信號(hào)轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)，經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)指針或通過齒輪、齒帶帶動(dòng)指針完成角度指示的任務(wù)。該舵角指示器采用步進(jìn)電機(jī)32 細(xì)分的行走方式，使指針旋轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。此外還考慮到舵機(jī)轉(zhuǎn)速和步進(jìn)電機(jī)指針轉(zhuǎn)速匹配的因素，采用舵角指針轉(zhuǎn)速智能匹配技術(shù)使指針的轉(zhuǎn)動(dòng)更加平穩(wěn)，便于讀數(shù)。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

舵角反饋指示器軟件部分主要由舵角發(fā)送器軟件和舵角接收器軟件組成。舵角發(fā)送器軟件和舵角接收器軟件均通過RS-485 現(xiàn)場總線通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換完成本系統(tǒng)功能。舵角發(fā)送器軟件主要包括設(shè)置模式和工作模式。舵角發(fā)送器控制策略流程圖如圖4 所示。

圖4 發(fā)送器控制程序流程圖Fig.4 Flow chart of the Transmitter control program

由圖4 可知，系統(tǒng)通上電后，會(huì)通過判斷撥碼開關(guān)的實(shí)際位置，用以設(shè)置系統(tǒng)的實(shí)際模式。系統(tǒng)為設(shè)置模式時(shí)，對應(yīng)設(shè)置指示燈常亮。系統(tǒng)開始采集編碼器信息，若發(fā)生故障，編碼器燈閃爍，則發(fā)出故障報(bào)警。機(jī)械舵或舵角發(fā)送器調(diào)整到零位后，對應(yīng)按下零位按鍵，設(shè)置后零位指示燈由閃爍轉(zhuǎn)為常亮。機(jī)械舵或舵角發(fā)送器調(diào)整到左/右滿舵后，對應(yīng)按下左/右滿舵按鍵，設(shè)置后對應(yīng)指示燈由閃爍轉(zhuǎn)為常亮。若不滿足系統(tǒng)需求，可從新復(fù)位開關(guān)設(shè)置信息。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作模式時(shí)，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至RS-485 現(xiàn)場總線上。

舵角接收器從RS-485 總線上讀取舵角的數(shù)值，依據(jù)接收到的數(shù)據(jù)及時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，跟隨指示船舶航行時(shí)舵葉位置。舵角發(fā)送器控制流程圖如圖5 所示。

圖5 接收器控制程序流程圖Fig.5 Flow chart of receiver control program

接收器上電時(shí)，首先要進(jìn)行零位檢測，如果檢測不到零位，接收器將停止工作，零位指示燈閃爍。當(dāng)接收器檢測零位時(shí)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，零位檢測傳感器工作，同時(shí)帶動(dòng)指針指示到“0”刻度位置，零位指示燈平光。按照發(fā)送器發(fā)送過來的角度信息旋轉(zhuǎn)，指示舵葉的位置。若接收不到發(fā)送器的正確信息，接收器就會(huì)停在零位，同時(shí)通信指示燈閃爍，若為正確信息，通信指示燈平光。當(dāng)需要將機(jī)械指針對零時(shí)，按下“調(diào)零”按鍵，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)回到零位，此時(shí)零位指示燈平光，通信指示燈熄滅，當(dāng)再次按下此按鍵時(shí)，恢復(fù)通信，通信指示燈點(diǎn)亮，若此刻發(fā)送器在零位，零位指示燈點(diǎn)亮，否則零位指示燈熄滅。

4 實(shí)驗(yàn)測試

半實(shí)物模擬仿真平臺(tái)由一個(gè)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬裝置和一個(gè)檢測機(jī)柜組成。舵機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬裝置通過步進(jìn)電機(jī)、齒輪、連桿帶動(dòng)舵角驅(qū)動(dòng)軸，并與反饋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸入軸固連，使操舵儀反饋機(jī)構(gòu)獲得反饋舵角。半實(shí)物模擬仿真平臺(tái)如圖6 所示。

圖6 半實(shí)物模擬仿真平臺(tái)Fig.6 Semi-physical simulation platform

為了驗(yàn)證本文所研究的舵角反饋指示系統(tǒng)的有效性，采用半實(shí)物模擬仿真平臺(tái)模擬艦船航行實(shí)驗(yàn)，以一套高精度舵角反饋裝置為參考基準(zhǔn)，比較舵角反饋指示器的計(jì)算效果。該實(shí)驗(yàn)要求主要包括：船舶類型為中；回轉(zhuǎn)系數(shù)0.11 s；應(yīng)舵系數(shù)15 s；轉(zhuǎn)舵時(shí)間20 s；舵機(jī)延遲0 s；初始舵角0°；船速為15 kn。航行1 540 s，船舶操縱運(yùn)動(dòng)界面7 所示，舵角比較如圖8 所示。

由圖8 可知，通過半實(shí)物物理仿真平臺(tái)共操舵4 次，其中左向操舵分別為1°，5°，10°，右向操舵10°。顯然在操舵實(shí)驗(yàn)過程中，本文所設(shè)計(jì)的舵角反饋指示系統(tǒng)真實(shí)的反應(yīng)舵角信息，其對應(yīng)誤差均值及均方差如表1 所示。

圖7 船舶操縱運(yùn)動(dòng)界面Fig.7 Ship maneuvering interface

圖8 舵角對比Fig.8 Comparison on rudder angle

表1 舵角誤差均值和均方差Tab.1 Mean values and mean variances of errors of Rudder angle

由表1 可知，基于數(shù)字信號(hào)處理的舵角反饋指示系統(tǒng)舵角計(jì)算誤差較小，滿足中國船船級(jí)社船舶建造規(guī)范中所要求的誤差精度，說明該系統(tǒng)能夠很好跟蹤實(shí)時(shí)舵葉信息，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于數(shù)字信號(hào)處理的舵角反饋指示系統(tǒng)，該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心控制器，采用標(biāo)準(zhǔn)modbus RTU 協(xié)議采集具有64 圈絕對值高精度編碼器信息，通過相應(yīng)控制機(jī)制進(jìn)行信息處理，以現(xiàn)場總線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)信息擴(kuò)展，解決了傳統(tǒng)自整角機(jī)式同步控制器精度低、靈活性不強(qiáng)、成本高等問題。半實(shí)物模擬仿真平臺(tái)模擬艦船航行實(shí)驗(yàn)，證明了本文設(shè)計(jì)的舵角反饋指示系統(tǒng)是有效的、可行的。