基于單片機的智能化磁羅經(jīng)自差自測自校系統(tǒng)設(shè)計

季禹, 季本山, 方泉根

(1. 江蘇航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機工程學(xué)院, 江蘇 南通 226010; 2. 上海海事大學(xué)商船學(xué)院, 上海 201306)

0 引 言

隨著航海技術(shù)的迅速發(fā)展,船舶指向儀器從傳統(tǒng)磁羅經(jīng)發(fā)展成陀螺羅經(jīng)、衛(wèi)星羅經(jīng)、電子羅經(jīng)、光纖陀螺、激光陀螺。這些新型航海指向儀器的使用為船舶智能航行、無人船操控提供了數(shù)字化航向基準(zhǔn),為現(xiàn)代航海技術(shù)注入了新的活力,但它們無不依賴于船電和相關(guān)的接收信號,在非常情況下可能難以提供航向基準(zhǔn)信號。磁羅經(jīng)依靠地球的磁性來實現(xiàn)指向,不受船電、天候等因素的制約,結(jié)構(gòu)簡單,性能可靠,維護方便,因而至今仍被國際海事組織確定為法定安裝設(shè)備。按《國際海上人命安全公約》和我國《海船航行設(shè)備規(guī)范》:凡150總噸及以上的船舶均應(yīng)裝設(shè)一具標(biāo)準(zhǔn)磁羅經(jīng)或至少應(yīng)配備一具合適的操舵羅經(jīng);各磁羅經(jīng)應(yīng)正確校正,并應(yīng)備有隨時可用的剩余自差表或自差曲線[1]。

由于船體鋼結(jié)構(gòu)具有硬鐵和軟鐵的特性,其所產(chǎn)生的船磁會導(dǎo)致磁羅經(jīng)指北發(fā)生偏差,該偏差被稱為磁羅經(jīng)自差。磁羅經(jīng)自差的產(chǎn)生直接影響指向的準(zhǔn)確度,有時甚至不能用于船舶指向,因此要及時校正磁羅經(jīng)自差,把其誤差控制在允許的范圍內(nèi),確保磁羅經(jīng)能提供準(zhǔn)確的航向基準(zhǔn)。

綜合目前國內(nèi)外磁羅經(jīng)自差的校正方法,大致可歸納為兩大類。第一類方法是自差補償法[2-7]:這類方法實現(xiàn)的手段有多種,這里不一一列舉,但其原理都是利用計算機技術(shù)自動計算出磁羅經(jīng)在8個主航向上的自差并保存在計算機存儲器中,然后把自差與羅航向之和作為磁航向用數(shù)字方式顯示出來。自差補償法只是自動計算出自差,并未對磁羅經(jīng)柜中的磁棒和軟鐵校正器等進行調(diào)整,即并沒有真正意義上地校正自差,而且計算出的自差保存在計算機存儲器中,一旦斷電,系統(tǒng)將無法顯示磁航向。目前,這類方法僅停留在理論研究上,并無實際運用案例。第二類方法是人工校正法:這類方法是建立在磁羅經(jīng)自差校正理論基礎(chǔ)上的最傳統(tǒng)、最經(jīng)典的校正方法,其校正原理就是以性質(zhì)相同、大小相等、方向相反的附加磁力來抵消船磁力的影響,即用附加的硬鐵和軟鐵把船磁力抵消或降低到最小,使磁羅盤周圍的磁場方向與地磁一致或接近,保證標(biāo)準(zhǔn)磁羅經(jīng)、操舵羅經(jīng)剩余自差分別在±3°、±5°范圍內(nèi)?，F(xiàn)有的人工校正法有兩種:一種是愛利法,即利用已知的航向或方位(通過陀螺羅經(jīng)、測天體、測陸標(biāo)等得到的)與待校正的磁羅經(jīng)比對進行磁羅經(jīng)自差校正的方法;另一種是測力法,這種方法是在科侖克法理論基礎(chǔ)上形成的湯姆遜法、顯示角法、科侖克法。目前,人工校正法仍是世界各國磁羅經(jīng)校正師的首選方法,其中愛利法的使用更為廣泛。

本文以愛利法理論為依據(jù),在保證磁羅經(jīng)優(yōu)點的提前下提出磁羅經(jīng)自差自測自校系統(tǒng)的設(shè)計方案,運用模糊控制原理實現(xiàn)智能化。通過實船安裝檢測,驗證了系統(tǒng)的正確性和科學(xué)性,達到了設(shè)計目標(biāo),并獲得了國家發(fā)明專利授權(quán)[8]。

1 磁羅經(jīng)自差自測自校系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)理論

本文所設(shè)計的磁羅經(jīng)自差自測自校系統(tǒng)在8個主航向上自動測量半圓和象限自差,利用單片機控制的步進電機傳動系統(tǒng)來完成磁棒和軟鐵校正器的調(diào)整,從而實現(xiàn)半圓和象限自差的自動校正。

愛利法校正自差的步驟(對于首次校正的磁羅經(jīng)要增加傾斜自差初校)如下。先校正半圓自差:在磁北(N)航向上測得自差δN,調(diào)整橫向磁棒使δN→0;在磁南(S)航向上測得自差δS,調(diào)整橫向磁棒使δS→δS/2;在磁東(E)航向上測得自差δE,調(diào)整縱向磁棒使δE→0;在磁西(W)航向上測得自差δW,調(diào)整縱向磁棒使δW→δW/2。即在E、N航向上將自差校正至零,在W、S航向上將自差校正一半留一半。然后,校正象限自差:在某一個隅點航向上測得自差,并移動軟鐵片(球)將自差校正到零;在相隔90°的另一個隅點航向上測得自差,移動軟鐵片(球)將自差校正一半(留一半)[9]。

1.2 系統(tǒng)組成

為實現(xiàn)校正器的自動調(diào)整,對磁羅經(jīng)柜內(nèi)原有磁棒校正器作如圖1所示的改進:在橫向、縱向調(diào)節(jié)齒輪外側(cè)增加步進電機齒輪,這樣步進電機轉(zhuǎn)動時會帶動調(diào)節(jié)齒輪和磁棒一起轉(zhuǎn)動。對軟鐵校正器作如圖2所示的改進:磁羅經(jīng)柜兩側(cè)的軟鐵盒通過螺旋管與絲桿連接,兩臺步進電機帶動絲桿轉(zhuǎn)動使兩個軟鐵盒同時遠離或靠近磁羅經(jīng)[8]。

1—橫向磁棒; 2—縱向磁棒; 3—橫向調(diào)節(jié)齒輪; 4—縱向調(diào)節(jié)齒輪; 5、6—步進電機齒輪

1、5—步進電機; 2、6—軟鐵盒; 3、7—螺旋管; 4、8—絲桿

系統(tǒng)電氣組成框圖見圖3。采用的是SCT15系列單片機,該系列單片機具有內(nèi)置晶振和兩個串口,運算速度快,加密性能好;顯示器采用通用的12864液晶顯示器;語音提示模塊用于在自校過程中發(fā)出語音提醒。

圖3 系統(tǒng)電氣組成框圖

一般情況下,磁羅經(jīng)每年都要校正一次。CPU從ATGM3320北斗系統(tǒng)中獲得上次校正日期,在該日期后推11個月對應(yīng)的日期,系統(tǒng)開始激活校正程序,利用船舶在8個主航向(或接近主航向)上航行的時機完成自差校正。如果船舶在某一主航向(或接近主航向)上保持航行2 min以上,系統(tǒng)會被喚醒;若該航向與主航向偏差在±10°范圍內(nèi),系統(tǒng)會給出語音和屏幕提示,提醒駕駛員將航向調(diào)整至主航向上,為自校創(chuàng)造時機。校正程序啟動后,以陀螺羅經(jīng)或衛(wèi)星羅經(jīng)的航向為基準(zhǔn),從北斗系統(tǒng)的GPRMC語句中解析出磁差,與磁阻傳感器獲得的羅航向進行比較,由單片機計算出自差;根據(jù)模糊控制器的運算結(jié)果驅(qū)動步進電機,用磁棒和軟鐵片(球)抵消半圓自差和象限自差。系統(tǒng)在啟動步進電機前會給出語音和屏幕提示,提醒在此航向上至少保持航行5 min。在一個航向校正完成后系統(tǒng)也會給出語音和屏幕提示。船舶停靠碼頭后專業(yè)校正人員可通過數(shù)據(jù)輸出接口讀取系統(tǒng)校正日期、剩余自差、校正地點等相關(guān)信息,以掌握系統(tǒng)及磁羅經(jīng)的狀態(tài)。

1.3 系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)控制原理如圖4所示,磁阻傳感器檢測到航向信號后一方面送復(fù)示器顯示磁航向,另一方面與陀螺羅經(jīng)(或衛(wèi)星羅經(jīng))的航向進行比較,再從北斗系統(tǒng)獲得磁差,從而得到磁羅經(jīng)的自差。經(jīng)單片機構(gòu)成的模糊控制器運算后驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)(移)動磁棒和軟鐵片,使剩余自差達到規(guī)定的要求。

圖4 系統(tǒng)控制原理

采用模糊控制器使系統(tǒng)具有良好的校正效果。根據(jù)人工校正自差的經(jīng)驗,建立模糊控制規(guī)則,以自差變化率De的取值集合{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}作為模糊集合的論域,模糊子集為[NL, NM, NS, Z0, PS, PM, PL],其中NL、NM、NS、Z0、PS、PM、PL分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。以自差變化量Δδ和自差變化率De作為輸入變量,設(shè)Δδ和De的隸屬度函數(shù)的曲線形狀為三角形(見圖5),根據(jù)自差變化制定模糊控制規(guī)則庫,對輸出的步進電機轉(zhuǎn)動量U[2]采用最大隸屬度的模糊判決方法得到模糊控制查詢表,見表1。這樣步進電機的轉(zhuǎn)動量U(包含NL、NM、NS、Z0、PS、PM、PL)就與校正器(校正磁棒或校正軟鐵片(球))的轉(zhuǎn)動角度或移動距離形成對應(yīng)關(guān)系,從而改變了校正力(校正磁棒的硬鐵力或校正軟鐵片(球)的軟鐵力)。系統(tǒng)控制主程序(見圖6)通過查表(查表算法子程序包含在模糊控制器算法中)的方式完成模糊控制算法,從而構(gòu)建二維模糊控制器。

表1 步進電機轉(zhuǎn)動量U的模糊控制查詢表

圖5 隸屬度函數(shù)圖

圖6 系統(tǒng)控制主程序流程

1.4 系統(tǒng)初始化

按規(guī)定要求將磁羅經(jīng)裝船后,首先檢查磁羅經(jīng)的基線誤差,再檢查調(diào)節(jié)齒輪上磁棒的極性正確性,消除傾斜自差,固定垂直磁棒,然后就可進行系統(tǒng)初始化操作。系統(tǒng)的初始化過程實際上是用愛利法進行一次人工校正的過程,其目的主要是通過消除半圓自差和象限自差,預(yù)置橫向磁棒、縱向磁棒和軟鐵片的初始狀態(tài)。預(yù)置的縱、橫向磁棒都盡量安放在支架上。為保證系統(tǒng)校正自差范圍的最大化,在初始化時使圖1中齒輪3上的一對磁棒處于平行狀態(tài)。初始校正象限自差時,通過增減軟鐵盒中軟鐵片(球)的數(shù)量來保證軟鐵盒的初始位置位于螺桿的中間。

1.5 注意事項

為保證足夠的校正量,即為保證系統(tǒng)有更大的調(diào)整范圍,圖1中齒輪3和4上的磁棒用矯頑力不小于18 000 A/m的磁性材料制成[10]。同一個齒輪對上兩根磁棒的磁力大小相等,保證兩根磁棒互相平行時對磁盤的作用合力為零。在系統(tǒng)非自動校正期間,為防止影響磁盤,步進電機一直處于斷電狀態(tài)。為把自校的結(jié)果、日期等信息保存下來,采用單片機IAP技術(shù),在系統(tǒng)完成自校后調(diào)用應(yīng)用編程小程序,在存儲器中指定一個扇區(qū)用來存儲數(shù)據(jù),確保系統(tǒng)斷電后單片機仍能保存這些信息。

2 磁羅經(jīng)自差自測自校系統(tǒng)驗證

將系統(tǒng)分別安裝在5艘包括3種類型(貨船、拖船、長江汽車輪渡)的船上進行驗證。以長江某錨地為檢測水域,在系統(tǒng)自校前測量出磁羅經(jīng)在8個主航向上的自差值,在自校后測得剩余自差。以通港拖X號165標(biāo)準(zhǔn)磁羅經(jīng)為例進行說明,初始化后,調(diào)亂校正器的位置,使自差大于3°或以上。采用人工啟動方式激活系統(tǒng)或通過調(diào)整日期達到激活條件后自動激活系統(tǒng),若船在8個接近主航向的航向上航行超過2 min,則系統(tǒng)均會給出語音和屏幕提示,提醒將航向調(diào)整至主航向上航行。在每個主航向上航行5 min內(nèi)系統(tǒng)完成自校過程。校正結(jié)束后,人工測量剩余自差,結(jié)果見表2。用串口助手通用軟件讀取系統(tǒng)校正后所存的數(shù)據(jù),見圖7?；谧圆羁偣溅?A+BsinCc+CcosCc+Dsin(2Cc)+Ecos(2Cc)(其中Cc為羅航向)可得自差系數(shù)A=0,B=0.6°,C=0.5°,D=0.08°,E=0.05°。自差系數(shù)和8個主航向上的剩余自差均小于1°,各航向上的比差小于0.5°,根據(jù)這些指標(biāo)綜合評判校正質(zhì)量為優(yōu)秀。校正自差所用時間取決于操舵、把舵的時間,在實際使用中因為利用的是船舶航行時的航向,所以校正時間是充裕的。在驗證中實際所用時間小于或等于人工校正用時。其余4艘船的磁羅經(jīng)自差校正質(zhì)量均達到優(yōu)良等級,故所有磁羅經(jīng)剩余自差均符合規(guī)范要求。因此,系統(tǒng)設(shè)計正確,工作可靠,校正效果達到了預(yù)期目的。

表2 磁羅經(jīng)自差自測自校系統(tǒng)在5艘不同類型船上的驗證

圖7 串口助手讀取的數(shù)據(jù)圖

3 結(jié)束語

磁羅經(jīng)自差自測自校系統(tǒng)僅在自測自校期間使用陀螺羅經(jīng)或衛(wèi)星羅經(jīng)的航向作為參考基準(zhǔn),自動完成需人工進行校正的工作程序。在自差校正結(jié)束后,系統(tǒng)的電機傳動部分處于斷電狀態(tài),磁羅經(jīng)為船舶提供磁航向和磁方位。磁羅經(jīng)自差自測自校系統(tǒng)的優(yōu)點在于:利用船舶在8個主航向上航行的時機自動完成自差校正,替代了傳統(tǒng)的由專人定時在寬闊水域進行自差校正的方法,省工省時省油;由于通過改變磁棒和軟鐵片(球)位置來消除自差,所以自差校正結(jié)束后磁羅經(jīng)仍保持著不依賴船電的傳統(tǒng)優(yōu)勢,是值得推廣的一種校正方法。