船舶自動(dòng)舵便攜式調(diào)試適配裝置設(shè)計(jì)?

申傳俊 周方俊 王旭東

（1.海軍湛江航保修理廠 湛江 524002）（2.西南自動(dòng)化研究所 綿陽 621000）

1 引言

自動(dòng)舵是控制艦船航向的操控裝備，其穩(wěn)定性和完好率是艦船遂行訓(xùn)練、戰(zhàn)備巡邏和完成戰(zhàn)斗任務(wù)的重要保證。自動(dòng)舵的組成包括操舵裝置和舵裝置，其中操舵裝置包括：自動(dòng)操舵儀［1］，液壓舵機(jī)［2～3］，轉(zhuǎn)舵裝置。自動(dòng)操舵儀是操舵裝置的核心部件，在航行中，自動(dòng)操舵儀發(fā)出控制信號(hào)，控制舵機(jī)按要求進(jìn)行轉(zhuǎn)舵。

由于長期處于惡劣工作環(huán)境，自動(dòng)操舵儀的電路逐漸老化，導(dǎo)致故障率逐年增加，需要按計(jì)劃進(jìn)行等級(jí)修理，以恢復(fù)其技術(shù)性能，確保后期服役的裝備與人員安全，以及日常訓(xùn)練和戰(zhàn)備巡邏等任務(wù)的順利完成。

自動(dòng)操舵儀進(jìn)行等級(jí)修理作內(nèi)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，需要液壓舵機(jī)或者電動(dòng)舵機(jī)［4］進(jìn)行配合，而車間有時(shí)缺乏模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)操舵儀回裝到船舶后，需要等待自動(dòng)舵液壓舵機(jī)系統(tǒng)修理完畢后才能配合調(diào)試，導(dǎo)致工期延遲。

在當(dāng)前的船舶操舵儀內(nèi)場(chǎng)調(diào)試以及調(diào)試工裝研究中，往往利用電動(dòng)舵機(jī)和模擬液壓舵機(jī)系統(tǒng)與船舶運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)成自動(dòng)操舵儀內(nèi)場(chǎng)調(diào)試環(huán)境［5～7］。通常，這類工裝體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)運(yùn)困難，無法攜帶到船舶駕駛臺(tái)。

為了方便調(diào)試操舵儀控制器參數(shù)，提高維修效率，減少對(duì)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的依賴，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)舵便攜式調(diào)試適配裝置。該裝置體積小、重量輕、適應(yīng)性強(qiáng)、接口豐富，可以方便攜帶到船舶駕駛臺(tái)，替代實(shí)驗(yàn)室電動(dòng)模擬舵機(jī)與實(shí)裝液壓舵機(jī)，與操舵儀以及反饋機(jī)構(gòu)相連接，構(gòu)成閉環(huán)控制與調(diào)試系統(tǒng)，指導(dǎo)維修保障人員快速準(zhǔn)確的調(diào)整自動(dòng)操舵儀控制器參數(shù)，獲得滿意的控制性能，縮短保障時(shí)間，提升保障效果。

2 組成與工作原理

自動(dòng)舵便攜式調(diào)試適配裝置的系統(tǒng)組成原理框圖如圖1，主要構(gòu)成為電氣控制箱與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該調(diào)試適配裝置由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)、以32位微處理器（ARM）為控制主板的核心控制器，與液晶觸摸屏，電源系統(tǒng)，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，通信電路，步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路，反饋電位器，舵機(jī)信號(hào)模擬板，專用接口等硬件，以及系統(tǒng)軟件共同構(gòu)成。其軟件包括系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)顯示界面，控制界面，以及艦船運(yùn)動(dòng)仿真子模塊，能較為逼真地模擬艦船運(yùn)動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)組成原理框圖

該裝置硬件和軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操舵裝置調(diào)試適配的功能，從而替代體積龐大的液壓舵機(jī)或者電動(dòng)舵機(jī)，并具備舵機(jī)信號(hào)模擬功能，能夠驗(yàn)證操舵儀報(bào)警板的功能。

自動(dòng)舵調(diào)試適配裝置分為三種控制模式：面板按鈕控制、觸摸屏（HMI）控制、遠(yuǎn)程遙控（自動(dòng)操舵儀發(fā)出控制信號(hào)），三種控制模式獨(dú)立運(yùn)行控制。

1）面板按鈕控制模式：可以通過調(diào)節(jié)電位器實(shí)現(xiàn)比例操舵（一般舵速為單機(jī)組3°/s，雙機(jī)組6°/s，可設(shè)），串口通信單元輸出舵角信號(hào)給舵角指示器顯示實(shí)際舵角。

2）觸摸屏控制模式：可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、定位控制（包括回零、左舵和右舵）、定速運(yùn)行（可調(diào)整定速速度和循環(huán)角度）、機(jī)組操舵控制、系統(tǒng)狀態(tài)顯示，-40°～+40°舵角指示等。

3）遠(yuǎn)程遙控控制模式：主要是根據(jù)自動(dòng)操舵儀輸入的-10V～+10V模擬電壓信號(hào)或者24V開關(guān)量信號(hào)控制電動(dòng)模擬舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和方向，電動(dòng)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)也被輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入工控機(jī)，工控機(jī)將其送入顯示屏進(jìn)行顯示。

3 硬件設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)舵便攜式調(diào)試適配裝置的系統(tǒng)組成原理框圖如圖1，主要構(gòu)成為電氣控制箱與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該調(diào)試適配裝置由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)、以32位微處理器（ARM）為控制主板的核心控制器，與液晶觸摸屏，電源系統(tǒng)，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，通信電路，步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路，反饋電位器，舵機(jī)信號(hào)模擬板，專用接口等硬件，以及系統(tǒng)軟件共同構(gòu)成。其軟件包括系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)顯示界面，控制界面，分析計(jì)算模塊，以及艦船運(yùn)動(dòng)仿真模塊，能較為逼真地模擬艦船運(yùn)動(dòng)。

圖2 裝置硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

各主要部件的結(jié)構(gòu)與功能介紹如下。

系統(tǒng)平臺(tái)：采用PC104工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)平臺(tái)，其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)小巧，功耗低，可靠性高，接口豐富，對(duì)工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，該型計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中，可以作為控制計(jì)算機(jī)或者嵌入式微控制器用于測(cè)量控制系統(tǒng)中。

系統(tǒng)平臺(tái)的作用：接收觸摸屏指令，給出本地控制信號(hào)，控制模擬舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)并進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)零，實(shí)時(shí)接收舵角反饋信號(hào)，并為遙控工作做準(zhǔn)備。在遙控模式工作時(shí)，采集自動(dòng)舵控制器實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)系統(tǒng)軟件運(yùn)算，給出性能指標(biāo)，自動(dòng)模式下，進(jìn)行船舶運(yùn)動(dòng)仿真運(yùn)行計(jì)算，給出實(shí)時(shí)的航向信息，輸出給自動(dòng)舵。

控制主板：控制主板包括微處理器STM32F 103RCT6［9］系統(tǒng)電路，通信電路，信號(hào)選擇電路，對(duì)外接口等電路。控制主板給出電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)、正反轉(zhuǎn)方向控制信號(hào)、接收反饋舵角信號(hào)，并輸入系統(tǒng)平臺(tái)。

STM32F103RCT6是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位微處理器，含Cortex-M3內(nèi)核，為增強(qiáng)型ARM，具有運(yùn)算處理功能強(qiáng)大，實(shí)時(shí)性較好，豐富的I/O接口，多個(gè)定時(shí)器、以及PWM，自帶A/D、D/A電路，讀寫迅速，功耗較低的特點(diǎn)，故選擇微處理器STM32F103RCT6作為控制主板的核心。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)電路以32位微控制器為核心，解析觸摸屏指令或者遙控指令，輸出控制信號(hào)，經(jīng)過隔離獲得正反轉(zhuǎn)信號(hào)，單片機(jī)發(fā)出步進(jìn)電機(jī)控制所需要的脈沖信號(hào)，經(jīng)MOSFET構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器放大后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，從而控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

步進(jìn)電機(jī)：作為系統(tǒng)的模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)，選擇型號(hào)為HBS86H的兩相步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)體積較小，重量輕，步距角1.80±5%，扭矩8.5Nm，電流6A，額定電壓30V～110V DC，或交流20V～80V。

舵角模數(shù)轉(zhuǎn)換電路：將反饋電位器輸出的電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號(hào)進(jìn)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換（D/A變換），將變換后所得數(shù)字信號(hào)經(jīng)通信電路輸入控制主板。

角度電位器：通過齒輪組，將步進(jìn)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度反饋到軸角模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入控制主板，再輸入工控機(jī)，由觸摸屏顯示模擬舵角。

濾波器：對(duì)輸入的220V交流電壓進(jìn)行濾波，處理后輸入電源變壓器，消除電源系統(tǒng)受到的干擾［10］。

變壓器：將220V/50Hz交流電降壓，分別輸出1路～20V/5A，1路～19V/2A，2路～12V/0.8A電壓。

電源板：降壓后的交流電，采用整流器整流后，利用電容濾波后輸入三端穩(wěn)壓芯片LM7824、LM7812、LM7912、M7805、LM1117、分別穩(wěn)壓后輸出相應(yīng)的+24V、+12V、-12 V、+5V、+3.3V［11］，向模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、控制主板、通信電路、工控機(jī)、觸摸屏、驅(qū)動(dòng)器、角度電位器等供電。

舵機(jī)信號(hào)模擬板：可實(shí)現(xiàn)操舵控制權(quán)、單雙機(jī)組操舵信號(hào)的模擬；機(jī)組啟停、舵機(jī)液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)模擬信號(hào)接口模塊，通過鈕子開關(guān)的開合模擬各信息的報(bào)警情況，即模擬舵機(jī)設(shè)備動(dòng)力電源失電、電源斷相、舵機(jī)過載、最低液位、油溫高、濾器堵塞、濾器壓差、電羅經(jīng)故障、隔離旁通等。

可組裝式安裝支架：該支架分三個(gè)尺寸相同的部分，可拆卸，便于收納。支架攜帶到船舶駕駛臺(tái)后，可迅速組裝完畢，中間部分安裝步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一小尺寸舵盤，舵盤邊緣連接兩根連桿，兩側(cè)的支架提供反饋機(jī)構(gòu)的安裝位置，利用連桿將舵盤與反饋機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，形成閉環(huán)的控制環(huán)境。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

調(diào)試適配裝置的系統(tǒng)軟件分上位機(jī)軟件和控制主板微處理器軟件兩部分，上位機(jī)軟件提供系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)施系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，接收控制主板微處理器上傳的數(shù)據(jù)等，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。上位機(jī)軟件開發(fā)采用 Lab windows/CVI［12］，其工作流程如圖5所示。控制主板微處理器軟件采用MDK5.0來開發(fā)，采用C語言實(shí)現(xiàn)。

程序采用模塊化編程思想實(shí)現(xiàn)，程序共分為觸摸屏控制和遙控模式兩種。

觸摸屏控制：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，選擇舵速，定位控制（包括回零、左舵和右舵）、定速運(yùn)行（可調(diào)整速度和循環(huán)角度）、機(jī)組操舵控制、系統(tǒng)狀態(tài)顯示等，以及選擇系統(tǒng)歸零等。

觸摸屏控制時(shí)，接受輸入的指令，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并將相應(yīng)參數(shù)輸入控制主板，控制模擬舵機(jī)作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。

遙控模式：該模式下，可以在操舵儀進(jìn)行簡(jiǎn)單、隨動(dòng)、自動(dòng)三種模式操舵，其上位機(jī)工作流程如圖3。當(dāng)進(jìn)行自動(dòng)操舵時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行船舶航向自動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)仿真程序。

圖3 遙控模式上位機(jī)軟件工作流程

上位機(jī)軟件工作流程如下。

選擇遙控模式，上位機(jī)與控制主板微處理器通信，成功后在界面中選擇控制模式，設(shè)置控制參數(shù)，并進(jìn)行確認(rèn)；從自動(dòng)舵控制器輸入航向修正指令，上位機(jī)收到控制指令，接收控制主板微處理器發(fā)送回來的當(dāng)前舵角信號(hào)，由船舶航向運(yùn)動(dòng)仿真模塊進(jìn)行解算與運(yùn)動(dòng)仿真，上位機(jī)將解算的控制指令數(shù)據(jù)由串口發(fā)送到控制主板微處理器，控制模擬舵機(jī)即步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而模擬船舶的轉(zhuǎn)舵和運(yùn)動(dòng)過程。

選擇隨動(dòng)模式時(shí)，則裝置上位機(jī)接收操舵儀給出的轉(zhuǎn)舵指令，發(fā)出控制信號(hào)到控制主板微處理器，控制主板微處理器發(fā)出信號(hào)至驅(qū)動(dòng)板，控制電動(dòng)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而完成隨動(dòng)控制過程，舵角反饋信號(hào)可在裝置的面板顯示，同時(shí)，自動(dòng)舵面板舵角復(fù)示器直接顯示當(dāng)前舵角。

在完成自動(dòng)、隨動(dòng)控制過程的同時(shí)，適配裝置的控制主板微處理器接收上位機(jī)的指令，向上位機(jī)發(fā)出測(cè)量所得的電動(dòng)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，運(yùn)行時(shí)間等信息，上位機(jī)程序分析計(jì)算模塊自動(dòng)計(jì)算，輸出自動(dòng)操舵裝置給出的舵令，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)過程中的超調(diào)量，震蕩次數(shù)，過渡過程時(shí)間，控制過程結(jié)束后的舵角誤差，并在液晶屏上進(jìn)行顯示。根據(jù)上位機(jī)提供的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，可指導(dǎo)維修保障人員對(duì)控制器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)調(diào)試。

ARM軟件工作流程圖如圖4所示。

圖4 控制主板ARM工作流程

控制主板微處理器（ARM）與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通信，成功后等待工業(yè)控制計(jì)算機(jī)發(fā)出操舵方式等控制命令，接收模數(shù)轉(zhuǎn)換板發(fā)出的模擬舵機(jī)反饋角度，以及記錄的相應(yīng)的時(shí)間信息，將上述信息傳輸至工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，操舵結(jié)束，數(shù)據(jù)記錄、轉(zhuǎn)換、傳輸完成后，控制主板微處理器工作結(jié)束。

5 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

調(diào)試適配裝置單機(jī)調(diào)試完畢后，利用專用電纜將其與自動(dòng)操舵裝置控制器的對(duì)外接口連接，并將反饋機(jī)構(gòu)固定于可組裝支架上，連接好反饋機(jī)構(gòu)連桿（反饋機(jī)構(gòu)的反饋信號(hào)連接于操舵儀），由調(diào)試適配裝置替代體積較大的實(shí)驗(yàn)室液壓舵機(jī)或電動(dòng)舵機(jī)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)舵控制器參數(shù)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)場(chǎng)調(diào)試，以及自動(dòng)舵裝備在船舶現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的要求，縮短調(diào)試周期，提高保障效率。

經(jīng)過試驗(yàn)和測(cè)試，調(diào)試適配裝置相關(guān)功能及指標(biāo)參數(shù)如下：

1）模擬單機(jī)組舵速（2.3°/s～2.7°/s），雙機(jī)組舵速（4.6°/s～5.4°/s），舵速在規(guī)定指標(biāo)范圍內(nèi)可選擇調(diào)整；

2）面板按鈕、觸摸屏（HMI）、遠(yuǎn)程遙控三種控制模式實(shí)現(xiàn)模擬操舵的控制，三種控制模式可自由切換；

3）舵角反饋值0°～±40°對(duì)應(yīng)0～±10V電壓值輸出；

4）數(shù)據(jù)記錄、分析與輸出：記錄操舵儀給出的舵令，自動(dòng)、隨動(dòng)操舵方式時(shí)的震蕩次數(shù)，超調(diào)量，穩(wěn)定時(shí)間，任意操舵方式的舵角誤差等；

5）供電方式：交流220V/50Hz供電；

6）平均功率：≤120W。

6 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)舵控制系統(tǒng)便攜式調(diào)試適配裝置，裝置具有體積小、重量輕、攜帶方便、接口適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在自動(dòng)舵內(nèi)場(chǎng)修理和船舶現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)舵調(diào)試過程中，調(diào)試適配裝置通過相應(yīng)接口與自動(dòng)操舵儀連接，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，可方便快捷地調(diào)整自動(dòng)舵控制器參數(shù)，縮短調(diào)試周期，提高保障效率。