水陸兩用車(chē)舵機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

胡海軍 于利民

山東交通學(xué)院 山東 威海 264209

0 引言

水陸兩用車(chē)（又名“水陸兩棲車(chē)輛”）是同時(shí)具有陸地車(chē)輛和水上船舶性能的一種特殊車(chē)輛[1]。傳統(tǒng)水陸兩用車(chē)大多直接采用船舶的舵機(jī)控制系統(tǒng),采用機(jī)械傳動(dòng)控制或者液壓控制,整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜,可集成性差,與水陸兩用車(chē)的陸上轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相互獨(dú)立,不便于駕駛員進(jìn)行操控。

在汽車(chē)領(lǐng)域,智能汽車(chē)、無(wú)人駕駛技術(shù)近幾年飛速發(fā)展,這些技術(shù)不再是只停留在科幻片中,而是已經(jīng)進(jìn)入人們的日常生活;對(duì)于水陸兩用車(chē)領(lǐng)域,智能化、無(wú)人化也是未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

所以某新型水陸兩用車(chē)項(xiàng)目,針對(duì)傳統(tǒng)水陸兩用車(chē)舵機(jī)控制系統(tǒng)的不足,并著眼于未來(lái)智能化的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)水陸兩用車(chē)的舵機(jī)控制系統(tǒng)提出了新的設(shè)計(jì)要求:

（1）受制于該型水陸兩用車(chē)空間有限,舵機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,占用空間小,具備精度高、快速響應(yīng)的特點(diǎn)。

（2）水陸兩用車(chē)舵機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)與陸上轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)相融合,共用一套操控系統(tǒng),即一個(gè)方向盤(pán)即能控制陸上轉(zhuǎn)向,又能控制水上轉(zhuǎn)向,并且能快速切換。

（3）舵機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)具備數(shù)字化接口,便于與其他系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)、集成,滿足未來(lái)智能化升級(jí)需求。

1 方案設(shè)計(jì)

針對(duì)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求,綜合分析后決定設(shè)計(jì)一套基于PLC的電動(dòng)舵系統(tǒng),該系統(tǒng)由切換裝置、信號(hào)采集裝置、PLC中控系統(tǒng)、電動(dòng)轉(zhuǎn)舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成,基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

1.1 硬件設(shè)備

（1）切換裝置

切換裝置為一套同步器和帶拔插的電動(dòng)推桿。由于水陸兩用車(chē)陸上轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是沿用汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng),屬于機(jī)械傳動(dòng),所以采用了一套同步器作為切換裝置,安裝在方向盤(pán)與陸上轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)軸上。該裝置運(yùn)用電動(dòng)推桿加拔插來(lái)控制同步環(huán)的位置,來(lái)實(shí)現(xiàn)同步器上下端的連接和斷開(kāi),進(jìn)而控制方向盤(pán)與陸上轉(zhuǎn)向器的連接和斷開(kāi)。

（2）信號(hào)采集裝置

采用絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器作為信號(hào)采集裝置。舵機(jī)控制系統(tǒng)需要采集的信號(hào)為轉(zhuǎn)角信號(hào),而絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)于每一個(gè)角度位置都特定的編碼,且不受斷電影響,具有精確度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。本方案采用三個(gè)絕對(duì)值型旋轉(zhuǎn)編碼器,分別用以檢測(cè)方向盤(pán)、舵機(jī)、陸上轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)角信號(hào),并將信號(hào)傳輸給PLC中控系統(tǒng)。

（3）PLC中控系統(tǒng)

PLC中控系統(tǒng)主要由PLC主機(jī)、通訊模塊、人機(jī)交互端組成。PLC主機(jī)采用西門(mén)子CPU 1214 DC/DC/DC,其集成PROFINET接口,具有強(qiáng)大的集成工藝功能和靈活的可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。其作為整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”,負(fù)責(zé)處理、分析各種數(shù)據(jù),并按照編程指令進(jìn)行相應(yīng)操作,如發(fā)送PWM控制信號(hào)、向與人機(jī)交互端發(fā)送舵角信號(hào)等。

通訊模塊采用CM 1241 RS485,負(fù)責(zé)接收和發(fā)送RS485信號(hào),主要為PLC提供編碼器的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù),也是舵機(jī)系統(tǒng)與其他設(shè)備通訊的端口之一。

人機(jī)交互端（HMI面板）,采用KTP 400 Basic mono PN設(shè)備,是西門(mén)子PLC的配套設(shè)備,其功能強(qiáng)大,能顯示大量的文字、圖像等信息,還擁有大量報(bào)警系統(tǒng),最高可顯示50個(gè)畫(huà)面,128個(gè)實(shí)時(shí)變量。其作用是通過(guò)與PLC進(jìn)行通訊,實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)的各中變量值及運(yùn)行狀態(tài),如舵角值、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角;執(zhí)行人工操作,對(duì)PLC發(fā)送操作指令,如控制切換系統(tǒng)的斷開(kāi)和連接等;接收PLC的指令,執(zhí)行故障報(bào)警等。

（4）電動(dòng)轉(zhuǎn)舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)

電動(dòng)轉(zhuǎn)舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)、蝸桿減速器等組成。根據(jù)噴水推進(jìn)器的轉(zhuǎn)舵扭力實(shí)驗(yàn),并綜合考慮船體內(nèi)部空間等因素,最終選取57HSZ3N步進(jìn)電機(jī),及配套的HBS57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和蝸桿減速器。步進(jìn)電機(jī)具有輸出力矩大、成本低的優(yōu)點(diǎn),且轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)角度都可由脈沖精確控制。蝸桿減速器具有扭矩放大的作用,為選用小功率、小尺寸步進(jìn)電機(jī)提供了便利;還具有自鎖功能,能避免舵桿反轉(zhuǎn)而損壞電機(jī)。

1.2 工作模式

水陸兩用車(chē)的轉(zhuǎn)向控制存在以下三種情況:陸上行駛時(shí),舵機(jī)控制系統(tǒng)不工作,直接關(guān)閉系統(tǒng)即可;水中航行時(shí),前輪會(huì)進(jìn)行提升,要求只進(jìn)行水上轉(zhuǎn)向控制,這時(shí)切換裝置工作斷開(kāi)陸上轉(zhuǎn)向連接;特殊情況下,方向盤(pán)可同時(shí)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向和陸上轉(zhuǎn)向,如上岸和下水階段。

本系統(tǒng)的舵機(jī)控制具備三種工作模式:方向盤(pán)進(jìn)行操控,上位機(jī)進(jìn)行操控,通過(guò)數(shù)字接口由其它設(shè)備控制。

2 軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)用西門(mén)子PLC專用編程軟件STEP7進(jìn)行本系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā),根據(jù)工作不同功能和要求,將程序主要分為數(shù)據(jù)處理模塊、工作模式切換模塊、轉(zhuǎn)舵控制模塊、人機(jī)交互端模塊。

2.1 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要是讀取各編碼器的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù),進(jìn)行換算并儲(chǔ)存,方便其它程序、設(shè)備調(diào)用;與其它設(shè)備進(jìn)行通訊,接收指令或者發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2 工作模式切換模塊

控制陸上轉(zhuǎn)向系統(tǒng)接入和斷開(kāi),為保證水陸兩用車(chē)在水上和陸上正常行駛,以及車(chē)輪提升需求,要求方向盤(pán)打正,誤差在許可范圍,才能斷開(kāi)陸上控制系統(tǒng);方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與陸上轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)角差值在許可范圍內(nèi),才可接入陸上轉(zhuǎn)向系統(tǒng);還設(shè)置有應(yīng)急開(kāi)關(guān),特殊情況下,可以立即切換。

切換轉(zhuǎn)舵控制模式,設(shè)置三個(gè)模式:方向盤(pán)操控、上位機(jī)操控、數(shù)字控制。方向盤(pán)操控模式,舵角設(shè)定值源于方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng);上位機(jī)控制模式,舵角設(shè)定值來(lái)源于人機(jī)交互端的手動(dòng)輸入;數(shù)字控制模式,其它設(shè)備通過(guò)數(shù)值化接口與系統(tǒng)進(jìn)行通訊,設(shè)定舵角值。

2.3 轉(zhuǎn)舵控制模塊

轉(zhuǎn)舵控制模塊控制流程圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)舵控制流程圖

由上級(jí)程序設(shè)定舵角α,通過(guò)讀取實(shí)際舵角β,來(lái)計(jì)算舵角偏差;當(dāng)偏差合理時(shí),進(jìn)行PID計(jì)算,并由PLC發(fā)送對(duì)應(yīng)脈沖,控制轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),使舵角偏差趨向于零,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)舵的精確控制。通過(guò)PID控制可以周期性調(diào)節(jié)噴水推進(jìn)器的實(shí)際舵角,使之始終與設(shè)定舵角相符[2]。通過(guò)使用STEP 7中的PID_Compact指令進(jìn)行PID算法控制,其算法表達(dá)式可簡(jiǎn)化為:

Yn采樣時(shí)刻為n時(shí),計(jì)算出的PWM控制量;Kc是控制過(guò)程的增益量;SPn是采樣時(shí)刻為n時(shí)系統(tǒng)的給定值;PVn是在采樣時(shí)刻為n時(shí)的過(guò)程變量;T是采樣周期;TD是微分時(shí)間;T1是積分時(shí)間;YX是在采樣時(shí)刻為（n-1）時(shí)的積分輸出量[3][4]。

2.4 人機(jī)交互端模塊

人機(jī)交互端模塊是將PLC的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為駕駛員可識(shí)別的視覺(jué)信號(hào),并將駕駛員的指令轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)發(fā)送至PLC,主要分為顯示和控制兩部分。該模塊的程序編寫(xiě),需要構(gòu)建顯示面板,與PLC通訊,將系統(tǒng)運(yùn)行情況、操作提時(shí)、舵角值、方向盤(pán)角度值、陸上轉(zhuǎn)向器角度值、故障報(bào)警等進(jìn)行顯示;構(gòu)建控制面板,便于駕駛員向PLC發(fā)送控制指令,如控制系統(tǒng)的工作模式,設(shè)定舵角值,打開(kāi)或關(guān)閉電機(jī)等。

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)在某新型水陸兩用車(chē)上試裝后,運(yùn)行效果良好,試驗(yàn)的數(shù)據(jù)如下:能實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向盤(pán)操控水上轉(zhuǎn)向與陸上轉(zhuǎn)向,切換裝置的切換時(shí)間為1s;電動(dòng)轉(zhuǎn)舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)舵速度為每秒20°;實(shí)際舵角與顯示舵角的誤差不超過(guò)0.1°,正舵時(shí)無(wú)偏差。以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,該舵機(jī)控制系統(tǒng)滿足了水陸兩用車(chē)的使用需求,達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小、轉(zhuǎn)舵精度高的優(yōu)點(diǎn),且預(yù)留有數(shù)值化接口,為水陸兩用車(chē)的智能化升級(jí)預(yù)留了空間,為水陸兩用車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)提供了重要基礎(chǔ)。