數(shù)字陀螺羅經(jīng)驅(qū)動方位分羅經(jīng)黑箱設(shè)計

吳 煒，馮愛國，袁 偉

(1. 江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程學(xué)院，江蘇 南通 226010；2. 江蘇科技大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

在過去20年中，陀螺羅經(jīng)等航海儀器迭代更新較快，數(shù)字化程度大幅提升，數(shù)據(jù)傳輸逐步統(tǒng)一到計算機(jī)接口（目前主要為串行通信或CAN總線），采用標(biāo)準(zhǔn)航海儀器交換NMEA報文，以滿足現(xiàn)代雷達(dá)、電子海圖、AIS、VDR等信息化設(shè)備數(shù)據(jù)采集，逐步形成高集成度的綜合駕駛臺系統(tǒng)IBS。作為船舶駕駛臺基礎(chǔ)傳感器之一，陀螺羅經(jīng)或新型首向傳感器如光纖羅經(jīng)雖然也有羅經(jīng)航向數(shù)值的顯示裝置，但鑒于測方位的需要，數(shù)字化的分羅經(jīng)在駕駛臺兩舷側(cè)不能滿足實船應(yīng)用（方位測量）的需求，而且，大量現(xiàn)役艦船自動舵設(shè)備仍然基于給定航向與機(jī)電分羅經(jīng)航向之間的電氣比較，如某型潛艇4207-G型航向自動操舵儀，完全數(shù)字化改造成本巨大，施工困難，已有的研究著重于對分羅經(jīng)電機(jī)驅(qū)動方式的改進(jìn)，即對現(xiàn)有分羅經(jīng)系統(tǒng)全部替換，未見運(yùn)用中間結(jié)構(gòu)達(dá)成與現(xiàn)有分羅經(jīng)系統(tǒng)兼容的內(nèi)容，本研究運(yùn)用中間系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字驅(qū)動機(jī)電傳動的控制方法，實現(xiàn)中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)航向虛擬儀表顯示與云臺協(xié)議下的自整角機(jī)分羅經(jīng)同步機(jī)械表盤傳向。

1 總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)通過全數(shù)字化陀螺羅經(jīng)（如安許茨標(biāo)準(zhǔn)22型陀螺羅經(jīng)）或捷聯(lián)航姿參考系統(tǒng)（AHRS）航向與分羅經(jīng)反饋航向比較參數(shù)自動驅(qū)動執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)動，執(zhí)行電機(jī)與機(jī)電分羅經(jīng)發(fā)送器（本黑箱以交流同步自整角機(jī)為例，步進(jìn)式原理類似）同軸聯(lián)結(jié)，分羅經(jīng)電機(jī)同步轉(zhuǎn)動，分羅經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)角信號數(shù)字轉(zhuǎn)換（可以選用羅經(jīng)傳向數(shù)字轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)件如CDI-2，也可以在一臺分羅經(jīng)刻度盤轉(zhuǎn)軸利用角度傳感器軸聯(lián)），黑箱嵌入式板卡提供LED數(shù)碼顯示，通過計算機(jī)圖形技術(shù)編程（GUI+）實現(xiàn)羅經(jīng)航向虛擬刻度盤顯示。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由安許茨標(biāo)準(zhǔn)22型陀螺羅經(jīng)提供本船首向參數(shù)與旋回速率參數(shù)，系統(tǒng)主體部分包括：數(shù)字陀螺羅經(jīng)、黑箱上位機(jī)、下位機(jī)（云臺電機(jī)+自整角機(jī)發(fā)送器）、航向機(jī)電信號數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊CDI-2或軸聯(lián)角度傳感器、控制軟件、電源等組成?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

各部件作用：數(shù)字陀螺羅經(jīng)（主羅經(jīng)）：通過NMEA接口向黑箱上位機(jī)提供羅經(jīng)航向數(shù)據(jù)；黑箱：云臺電機(jī)：接收黑箱上位機(jī)Pelco-D驅(qū)動啟、停、正反轉(zhuǎn)調(diào)速指令，同軸帶動傳統(tǒng)自整角機(jī)（分羅經(jīng)發(fā)送機(jī)）轉(zhuǎn)動；航向機(jī)電信號數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊CDI-2：船用標(biāo)準(zhǔn)部件，將自整角機(jī)信號轉(zhuǎn)換為分羅經(jīng)數(shù)字信號向黑箱上位機(jī)傳送，提供LED數(shù)字航向顯示；分羅經(jīng)接線箱與自整角機(jī)分羅經(jīng)：船用標(biāo)準(zhǔn)件，實現(xiàn)黑箱對分羅經(jīng)驅(qū)動，使分羅經(jīng)刻度盤與主羅經(jīng)同步；黑箱上位機(jī)：通過主羅經(jīng)航向、分羅經(jīng)航向數(shù)據(jù)接收模塊、主、分羅經(jīng)航向數(shù)值比較模塊、比較參數(shù)轉(zhuǎn)方位電機(jī)驅(qū)動指令模塊、控制算法模塊的序列解算，實現(xiàn)控制指令向黑箱云臺伺服電機(jī)傳送，實現(xiàn)伺服電機(jī)與軸聯(lián)自整角機(jī)角運(yùn)動控制。系統(tǒng)中分羅經(jīng)信號數(shù)字轉(zhuǎn)換也可以在一臺分羅經(jīng)刻度盤軸聯(lián)角度傳感器，并通過單片機(jī)編程實現(xiàn)LED顯示與向黑箱上位機(jī)分羅經(jīng)航向反饋數(shù)值，方案成本更低，但精度與可靠性略低；系統(tǒng)也可以驅(qū)動步進(jìn)式羅經(jīng)傳向系統(tǒng)，原理類似。

圖1 系統(tǒng)總圖Fig. 1 General layout system

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)

2.1 IEC61162協(xié)議下的主、分羅經(jīng)航向參數(shù)采集與解碼設(shè)計

安許茨標(biāo)準(zhǔn)20/22型陀螺羅經(jīng)航向數(shù)字輸出線路，位于主羅經(jīng)頂部有3片PCB電路板，其中Connection-PCB NB05-356 板卡CAN1、CAN2可以以CAN總線形式輸出航向信號；B2、B3、B4端子以RS422串口形式輸出NMEA0183標(biāo)準(zhǔn)航向語句，語句為明碼發(fā)送。

串口采集流程如圖2。

CDI-2型電羅經(jīng)模擬信號數(shù)字轉(zhuǎn)換部件，可以將傳統(tǒng)自整角機(jī)同步式與步進(jìn)電機(jī)式分羅經(jīng)信號轉(zhuǎn)換為與主羅經(jīng)輸出格式一致的航向數(shù)字信號，作為黑箱驅(qū)動機(jī)電分羅經(jīng)后的反饋信號，同步式與步進(jìn)電機(jī)式接口連接與配置，除同步與步進(jìn)選擇開關(guān)撥到準(zhǔn)確位置外，還需注意不同系列機(jī)電分羅經(jīng)銘牌標(biāo)注的齒數(shù)比。

圖2 航向數(shù)據(jù)串口采集流程Fig. 2 Process of heading data serial port acquisition

2.2 主、分羅經(jīng)偏差轉(zhuǎn)換方位電機(jī)控制指令算法

1）航向偏差與執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動指令關(guān)系

由主羅經(jīng)與分羅經(jīng)反饋航向偏差計算執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動指令，設(shè)輸入偏差： Δ α=(C-C).其中：主羅經(jīng)航向為C，分羅經(jīng)航向為C。若 0 ＜Δα＜180，左轉(zhuǎn)；Δα＞180 ， 右轉(zhuǎn)；若 Δ α＜0 ， | Δα|＞180 ， 左轉(zhuǎn)；|Δα|＜180，右轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)動速度參數(shù)，由輸入偏差 | Δα|根據(jù)PID控制算法計算得出。

2）基于Pelco-D協(xié)議的執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動方法

利用離散數(shù)字式PID控制算法實現(xiàn)主羅經(jīng)與分羅經(jīng)機(jī)電傳向，考慮實現(xiàn)航向平滑傳遞，在分羅經(jīng)航向反饋基礎(chǔ)上加入了主羅經(jīng)ROT（轉(zhuǎn)向速率），以擾動信號疊加，由于機(jī)電傳向自身阻尼特性較好，控制系統(tǒng)中慣性環(huán)節(jié)考慮省略?？刂葡到y(tǒng)回路設(shè)計如圖3所示。

圖3 云臺控制系統(tǒng)回路Fig. 3 Loop of gimbal control system

利用計算機(jī)設(shè)計數(shù)字PID控制器，主羅經(jīng)航向值與分羅經(jīng)反饋值之差構(gòu)成系統(tǒng)偏差輸入，運(yùn)用角位置PID控制得控制器輸出和增量控制法的系統(tǒng)輸出分別如下：

增量式控制算法的優(yōu)點是誤動作小。系統(tǒng)角位置跟蹤采用增量PID控制，故在較大偏差范圍內(nèi)電機(jī)方位速度指令給出最大值時，能快速給出傳向動作使本系統(tǒng)機(jī)電分羅經(jīng)與主羅經(jīng)同步，經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)設(shè)計在航向偏差超過30°時，Pelco-D給出最大轉(zhuǎn)速執(zhí)行指令，在航向偏差30°以內(nèi)，設(shè)時刻第次采樣給定主羅經(jīng)航向參數(shù)C， CDI-2分羅經(jīng)航向采樣反饋C，偏差輸入()=(C-C)/30=Δα/30，PID控制輸出為()，云臺控制指令十進(jìn)制數(shù)據(jù)為：()×64，十進(jìn)制轉(zhuǎn)十六進(jìn)制即為云臺方位電機(jī)速度指令，以免主、分羅經(jīng)接近同步時超調(diào)震蕩。系統(tǒng)直接給出明碼動作指令。

2.3 航向刻度盤虛擬儀表顯示與航向記錄

用C# SerialPort類接收羅經(jīng)航向報文，經(jīng)CRC校驗后，再利用“split”拆分并解析報文全句獲得航向值句塊，為達(dá)到與傳統(tǒng)機(jī)電式機(jī)械刻度盤分羅經(jīng)等效的表達(dá)效果，采用計算機(jī)圖形技術(shù)實時繪制平面儀表圖形，利用循環(huán)繪制了十度刻度線與一度刻度線，將“000”“010” …“350”字串label1(i)控件數(shù)組計36個倒序為350，340…文本，打印在對應(yīng)屏幕位置，實現(xiàn)了虛擬羅經(jīng)刻度盤顯示。

黑箱上位機(jī)采集到主羅經(jīng)與分羅經(jīng)航向數(shù)據(jù)實時航向數(shù)據(jù)庫，存儲策略為“先入先出”，設(shè)計含時間、主航向、分顯航向字段的數(shù)據(jù)表，運(yùn)用SqlConnectionstring構(gòu)建系統(tǒng)與SQLServer的數(shù)據(jù)庫連接，運(yùn)用SQL語句實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫操作，運(yùn)用SqlDataAdapter及DataTable實現(xiàn)數(shù)據(jù)綁定顯示。采用計算機(jī)圖形技術(shù)繪制基于時間軸的主羅經(jīng)航向變化曲線。

3 安裝、校調(diào)及測試結(jié)果驗證

黑箱樣機(jī)由微型工控機(jī)、云臺控制器、云臺PAN電機(jī)軸聯(lián)自整角機(jī)、CDI-2羅經(jīng)信號轉(zhuǎn)換模塊，3路RS422串口（主羅經(jīng)、分羅經(jīng)、云臺控制器）卡座、電源端子與自整角機(jī)分羅經(jīng)接線端子（R1，R2，S1，S2，S3）組裝成型，正面開孔嵌入工控顯示屏與數(shù)碼顯示屏，并提供工業(yè)以太網(wǎng)及WiFi類型網(wǎng)絡(luò)平面分羅經(jīng)顯示。

黑箱前端配置安許茨STD22型數(shù)字陀螺羅經(jīng)，通過黑箱與4 207-G型航向自動操舵儀（原航?！笮碗娏_經(jīng)配套），并與同類110 V/50 Hz供電BS—404A型（360X）自整角機(jī)式分羅經(jīng)連接（通過分羅經(jīng)接線箱可拖動12個）。

接通黑箱云臺電機(jī)電源、110 V/50 Hz自整角機(jī)分羅經(jīng)激磁供電電源、CDI-2模塊電源，打開黑箱上位機(jī)自動運(yùn)行控制程序，為滿足一機(jī)多用需求，控制程序可置于后臺運(yùn)行，用機(jī)械手柄匹配分羅經(jīng)刻度盤航向與主羅經(jīng)航向一致，設(shè)置CDI-2初始航向值與主、分羅經(jīng)讀數(shù)一致，啟動上位機(jī)同步運(yùn)行鍵，主羅經(jīng)通過萬向輪底座改變航向，假設(shè)艦船航行速度忽略，分別模擬平正狀態(tài)與輕微搖擺狀態(tài)（航向搖擺角幅值為6， 周期為7 s；縱搖角幅值為8，周期為5 s；橫搖角幅值為10，周期為8 s），進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)向、變舵角轉(zhuǎn)向、突停等模擬測試。測試結(jié)果如圖4和圖5所示。結(jié)果表明，反應(yīng)靈敏度 ＜ 0.3，偏差＜ 0.3，響應(yīng)速度＜ 1 s。

圖4 勻速轉(zhuǎn)向一周主分羅經(jīng)航向值與偏差Fig. 4 Heading value and deviation of the main division compass in a uniform turning cycle

圖5 變速轉(zhuǎn)向一周與轉(zhuǎn)動突停主分羅經(jīng)航向偏差Fig. 5 Variable speed steering round and rotation stop main compass heading deviation

4 結(jié) 語

本文介紹一種羅經(jīng)數(shù)字航向信號驅(qū)動機(jī)電分羅經(jīng)的黑箱系統(tǒng)，能解決羅經(jīng)航向數(shù)字化顯示與機(jī)械表盤式方位分羅經(jīng)配備要求之間的矛盾。解決方案同樣適用于步進(jìn)式分羅經(jīng)系統(tǒng)傳向，對磁羅經(jīng)傳感器數(shù)值也能實現(xiàn)機(jī)械表盤傳向。系統(tǒng)分羅經(jīng)航向反饋亦可采用角度傳感器與一臺分羅經(jīng)軸聯(lián)，然后利用嵌入式板卡處理實現(xiàn)，進(jìn)一步降低成本。系統(tǒng)對解決航海儀器數(shù)字化升級后與現(xiàn)有裝備之間向下兼容問題有較高的實用性，具有數(shù)模雙態(tài)支持的靈活性。