船舶水下清洗設備控制部分設計

馮燕爾，張玉蓮

(浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江 舟山 316021)

任何船體水線以下的船殼及螺旋槳都會生長海生物，海生物的附著將會嚴重降低航速、增加燃料成本，如何在船不進船塢時將附在船體外殼上的海生物清洗掉已經成為一個熱門的話題［1］。目前開發出較為先進的智能船舶清洗裝置，叫水下清洗機器人，設備成本大，適用于大型船舶的清洗，一般只適應于收益較大的船舶企業使用［2］，小型船舶難以承受巨大的清洗費用。清洗裝置難以實現大眾化、全面化、產業化。為了使清洗設備既簡單，自動化程度又較高，可以設計簡易的清洗設備。本文設計了簡易清洗裝置的電氣控制系統，主要采用單片機控制液壓馬達驅動爬行機構及紅外對射自動調整葉片高度，使裝置吸附在船殼上清洗時的前進、后退、左轉、右轉、清刷頭的自動提升和下降等動作在人 (在岸上)的控制下自動完成，清洗設備既能洗掉附在船殼上的海生物，又能不刮傷船殼表面的油漆。電路系統通過軟件的仿真，使設備能實現體積小、調節方便運作可靠等特點，一定程度上彌補了現有水下清洗設備復雜昂貴的缺點。

1 工作原理

船舶水下液壓驅動清洗設備是一種半自動化、操作簡易的設備?？筛鶕枰S時隨地進行水下船體表面的清洗，清洗設備爬行機構控制部分的設計思路主要從硬件與軟件著手，硬件方面從基本的電源部分入手，第一部分設計出整個爬行運動機構所需的各種電源電壓等級，第二部分加入了對電機選型的研究，其中包括直流減速電機的選型，液壓馬達型號選擇，控制電機正反轉狀態等，用繼電器、放大電路來實現。軟件控制方面，加入對程序控制過程的設計，考慮外部信號的輸入，達到準確信號的檢測，輸出控制信號。清洗頭部分位置的自動調整，采用2路紅外檢測，監控和調整清洗頭位置，清洗頭始終與船體表面保持一定距離，使清洗設備既能洗掉船殼上附著物，又能不刮傷船殼表面的油漆。對整個電路的調試，采用Proteus軟件進行模擬運行，來提高設計準確率。清洗設備爬行機構總體結構和電氣控制設計方案如圖1所示。

圖1 爬行機構電氣控制方案整體設計流程圖

2 主要結構與關鍵技術

2.1 開關電源

開關電源采用功率半導體器件作為開關器件，通過周期性間斷工作控制開關器件的占空比來調整輸出電壓［3］。開關電源中，DC/DC轉換器進行功率轉換［4］，是開關電源的重要部分，此外，還具有啟動、過流與過壓保護、噪聲濾波等功能。輸出采樣電路檢測輸出電壓變化與基準電壓比較，將誤差電壓經過放大及脈寬調制電路后，再經過驅動電路控制功率器件的占空比，從而達到調整輸出電壓大小的目的。

開關電源以低壓穩壓芯片L4907A為核心，把輸出電壓經過取樣電路提供反饋電壓和5.1 V基準電壓進行比較，產生差模信號;再將反饋電壓與輸入電壓比較，獲得PWM信號，該信號經降壓輸出電路，得到穩定輸出電壓。本設計將輸入信號加到鋸齒波發生器上，目的是提供1個前饋信號，使器件在很寬的輸入電壓范圍內具有良好的穩壓性能。

2.2 程序控制部分設計

為了能實現爬行機構在船體表面爬行到任意位置，應對其運動狀態進行控制，由任務可知，其運動狀態包括前進、后退、前左轉、前右轉、后左轉、后右轉?？刂七\動規律的實現方法較多，比如通過遙控器進行遠程控制。但因為本裝置要在水下運行，且海水的鹽度較大，無線電波控制需要足夠的功率，否則使之難以接收到，故其可實現性不大。考慮加入直接通過線路進行控制的方法，單片機控制處理技術，能對不同的輸入端口進行不停的掃描［5］，確定不同的輸入信號，從而輸出不同的控制信號，給驅動部分施加信號，通過驅動部分對電機間接進行控制，以達到理想的控制效果，一般的控制方法不加入反饋容易造成控制滯后，從而導致誤操作，在這里加入了水下視頻結構，作為主觀的反饋，如同在視野明亮的路上控制1輛車的各種運動狀態。整個控制過程較為容易實現。

2.3 狀態分析控制

該設備應處理的狀態包括:前行、后退、前左轉、前右轉、后左轉、后右轉、照明手電筒的開啟、旋轉電機的開啟、視頻設備的開啟和清洗攪拌機的開啟。考慮到船體的線型，在清洗過程可能導致清洗攪拌機與船體表面發生刮擦而使船體表面受損，這部分將專門進行分析考慮，先討論前面10種狀態的實現。

圖2是整個控制過程的簡略圖，所有的運動狀態的開始均是由外界信號的輸入來發起，此處信號的輸入是由按鈕進行輸入，經單片機處理后在相應端口輸出一系列的高低電平。一般單片機的功率有限，不能直接驅動繼電器使其閉合，故在驅動繼電器線圈前應經過放大處理，驅動繼電器線圈閉合，并控制開關的通閉，開關的通閉也間接相當于控制電機的各種狀態，從而來控制整個狀態。

圖2 控制過程圖

采用上述方案的出發點是為了爬行裝置最終適應在海上運行，其附帶阻力是越小越好，無線電控制雖有節省卻導線的優勢，但考慮到可靠性，還是采用有線控制的方式。為減少相對較長的控制線路對單片機系統產生干擾，開關信號輸入采用光耦隔離。控制開關端采用24 V電源工作，可提高控制的可靠性。圖3是信號線部分的簡要示意圖，其他部分均已經省去，只加入了單片機晶振部分。信號輸入采用P1口，在程序編寫過程中，在初始化階段讓程序把P1端口全部寫入1，此時P1端口即被內部拉電阻所拉高，從而可以作為輸入口使用，當外部感受到低電平中時，即讀入該信號。

圖3 信號線部分示意圖

2.4 單片機端口輸出［6］

單片機P0口可以當成一般的I/O口進行使用，單片機在驅動外部設備時，一般的驅動電流在毫安級別，難以直接驅動繼電器線圈，在其輸出口加入放大部分，采用最常見的三極管放大，此時用到PNP型三極管，其原理圖如圖4所示。

圖4 三極管放大電路原理圖

在單片機未輸出狀態下，即P0口為高電平，此時PNP基極為高電平，PNP管處于截止狀態，PNP管不導通，繼電器線圈兩端電壓為零，繼電器不動作，當P2口輸出低電平時，PNP管導通，此時靠近地端的電阻將分到部分電壓，即VCC將分壓給2個電阻，適當設置2個電阻值的大小即可以適當的分配給線圈一定電壓，從而使繼電器動作。由數據手冊查得，P0口的一位可以同時驅動4個TTL管，而需要的狀態輸出用到的獨立P0位為8位，也即1位只需驅動1個繼電器，最多2個繼電器，故其可以滿足帶多繼電器的要求，從而不需要考慮端口帶不動繼電器的問題。當然，當多個繼電器吸合的時候，需要一定的電源功率來保證繼電器有效穩定的吸合，需要更好的方法為了保證繼電器在吸合過程不受電源質量的太大影響。為解決可能發生的因繼電器吸合不牢而出現振蕩現象，有2個設計保持線圈兩端的電壓穩定:加大電源功率，或在繼電線圈加入電容。

2.5 狀態真值表

圖5是爬行機構清掃端紅外裝置的安裝位置，假設在爬行機構剛出發時，AB紅外反射管圴在同一水平位置。適當設置紅外對管的位置讓接收管均能接收到發射管發出的紅外線，此時定義以下狀態:A管能接收到時單片機輸入端為低電平，未能接收到為高電平，B管同理。

狀態一:AB對外輸出端均為低電平，表示AB管離船體表面的距離都較近，此時開動清洗頭極容易損傷船體表面，定義為危險狀態，需立刻作出調整，抬升清洗頭。

狀態二:A輸出為高電平，B輸出為低電平，表示A管離船體有一定的距離，此時清洗頭開啟后不會對船體表面造成損傷，而B管離船體表面仍較近，定義為正常運行狀態，不用對清洗頭位置做任何調整。

圖5 紅外管安裝位置示意圖

狀態三:A管輸出高電平，B管也輸出高電平。此時由于船體表面的弧度已經造成爬行機構的前端離開船體較大距離，清洗頭與船體表面的距離也即更遠，此時情況雖然不會損傷船體，但是卻帶來另一個問題，當船體表面的貝殼等附著物的高度小于此距離時，清洗頭無法接觸到附著物而無法清洗，此時應將清洗頭位置降至可以檢測到低電平信號位置。

狀態四:A管輸出低電平，B管輸出高電平。此時經過狀態三調整抬升電機后使清洗頭處于合理位置時，能正常進行清洗，故定義為正常狀態，不需要進行任何調整。

表1定義了單片機 (P1.4～P1.5)接收紅外信號的處理情況，輸入端開關閉合的時候 (接通低電平)狀態表示為0，當斷開時定義狀態為1;在輸出端定義輸出高電平時為1，輸出低電平狀態為0，低電平時代表繼電器動作，繼電器的動作將直接代表著各種狀態的改變 (繼電器的動作來控制線路的通斷)。

表1 狀態真值表

用類似的方式定義了單片機 (P1.2～P1.0)，結合圖3，開關S1、S2的輸入控制了后輪電機的前進、后退等動作，111表示視頻與照明均停止;000表示視頻設備開啟且電機開啟，準備;其他6個狀態表示視頻照明燈開啟時動作:110前進、001后退、100前左轉、010前右轉、101后左轉、001后右轉;單片機 (P1.4和P1.3)分別控制照明燈與清洗攪拌機的開啟與停止。

信號的輸入均是以按鈕的形式來實現的，這就使得在操作過程中有一定的延時，最大的問題是各種狀態之間的切換，以上面敘述中所屬的前進狀態，切換為左前進狀態，此時開關應動作，如果不合理定義動作按鈕，將出現中間的其他狀態，由110變成100時，此時只需將P1.1口的按鈕按下，實現起來較為方便。但是如當狀態由后左轉直接變成后轉時，此時的端口變化為101－011也即發生了2個按鈕的操作，也就產生了可能的中間狀態:如可能為111、001，對應為停止與后退狀態，此時的問題不是很大，但畢竟存在中間狀態，故在對于爬行結構前進時，可以同時進行左右轉操作，后退也同理。所以在將前進狀態變化為后退狀態時，經過一中間過程，即前進－停止－后退，防止中間狀態的產生。

2.6 仿真調試

整個仿真圖模擬爬行機構正常運行的情況，處理芯片為89C51，單片機電源已經省去，加入了12 M的晶振，4路外部按鈕輸入由SW輸入單片機P1口進行輸入，因考慮到紅外檢測部分同理可以用開關簡略代表，故采用SW5－SW6來代替。

外部各種設備電源24 V、12 V、5 V等電源電路已經直接用元件庫里的電源模塊代替，單片機口輸出時通過加入三極管進行放大，電路中各繼電器均采用RL系列元件表示，輸出表示前進與后退等一系列狀態均采用直流電機的正反轉來表示。經Proteus軟件對幾個狀態進行模擬，并觀察輸出情況，電機下方框中數字正負可以顯示電機的正反轉情況及其轉速，燈泡顯示視頻開啟情況，仿真結果顯示，符合設計邏輯要求。并且模擬了爬行結構運動的4種狀態，4電機按不同方式運行，分別可以實現:①電機反轉;②電機正轉;③電機正轉;④電機正轉。電機狀態與理論中一致，其余狀態模擬基本都類似，達到了較好的模擬效果。并且在樣機試驗中同樣得到了很好的效果。比如前左轉狀態模擬:前左轉狀態下，①②模擬電機均正轉，速度達到+207 r/min，如圖6所示。

3 結束語

本論文設計了水下清洗設備的控制部分，主要采用單片機控制電機的正轉、反轉、左轉、右轉等，利用紅外對射原理保證葉片在清洗過程中始終

圖6 前左轉狀態模擬示意圖

不會碰到鋼板表面并且保持最佳距離。利用軟件對控制部分的設計原理進行模擬仿真，仿真狀態與理論和實驗一致。

［1］全玉臣.船舶清洗市場趨勢 ［J］.清洗世界，2007，23(1):63～68.

［2］李敏.水下清洗技術在天津港船舶節能的應用 ［J］.物流工程與管理，2009(9):104～107.

［3］康華光.電子技術基礎模擬部分 ［M］.5版.北京:高等教育出版社，2006.

［4］ Liu Jian，Chen Zhiming，Zhong Yanru.Compact DC －DC Converter for Pocket Micro －controller Systems［J］.Journal of Computer Science and Technology，1996(6):607～614

［5］臧春華，邵杰，魏小龍.綜合電子系統設計與實踐［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2009.

［6］樓然苗，胡佳文.51系列單片機原理及設計實例［M］.北京:航空航天大學出版社，2010.