基于無線網絡的船舶航向保持控制仿真平臺

姜日凡， 張顯庫

(1.大連海事大學 航海學院， 遼寧 大連 116026； 2.大連工業大學 網絡信息中心, 遼寧 大連 116034)

基于無線網絡的船舶航向保持控制仿真平臺

姜日凡1,2， 張顯庫1

(1.大連海事大學 航海學院， 遼寧 大連 116026； 2.大連工業大學 網絡信息中心, 遼寧 大連 116034)

為滿足基于無線網絡的船舶航向保持控制研究的需要，同時針對無線網絡控制的仿真研究通常采用軟件模擬，而軟件模擬未考慮無線網絡實際中的不確定性，仿真存在局限性的問題，設計一套基于現實的通用分組無線服務技術(General Packet Radio Service,GPRS)和ZigBee無線網絡的近?；騼群哟昂较虮３挚刂品抡嫫脚_。仿真結果表明,該平臺的無線網絡傳輸數據穩定,航向保持控制性能良好。

船舶工程;船舶航向保持；無線網絡控制；通用分組無線服務技術；ZigBee

Abstract: A simulation platform based on GPRS(General Packet Radio Service) and ZigBee network is designed for the development of the wireless network based river-to-sea ship course-keeping control. This platform provides a physically realistic test environment for control system development rather than pure computer simulations commonly used. The test results demonstrates the merit of the platform: steady transmission and satisfactory performance．

Keywords: ship engineering; ship course-keeping; WiNCS; GPRS; ZigBee

隨著船舶技術和信息化技術不斷發展，船舶已采用智能化、網絡化、數字化、模塊化和集成化的綜合控制系統(包含導航、監控、管理、主機和自動舵等控制系統)。[1]目前該系統主要采用衛星網絡進行遠程通信，采用工業以太網和現場總線等有線網絡進行各子系統及底層智能設備的本地通信[2]，而本地有線網絡都可用本地無線網絡取代。

目前遠程無線網絡和本地無線網絡主要應用于船舶通信和監控系統。[3-6]隨著無線網絡在控制系統中被廣泛應用[7-10]，其也必將在船舶自動舵控制系統中得到應用。為滿足船舶無線網絡控制研究的需要，設計一套基于無線網絡的船舶航向保持控制仿真平臺，實現船舶自動舵的本地無線網絡控制和船岸遠程無線網絡控制。船舶自動舵采用基于ZigBee的本地無線網絡控制,可降低成本、便于布置和維護并有效減少電纜敷設的工作量,適合在甲板及船艙等空間較小的場所使用；同時,船舶自動舵采用基于通用分組無線服務技術(General Packet Radio Service,GPRS)的遠程無線網絡控制,可對近?；騼群哟斑M行遠程控制，加強近海或內河船舶對意外情況的應急處理能力。

目前，應用較為廣泛的無線網絡控制軟件仿真工具有NS2,TrueTime,J-sim和OMNeT++等[11]，雖然無線網絡數字仿真具有較強的靈活性和擴展性，但單一的數字仿真只能反映實際網絡中的部分系統特性，未考慮無線網絡實際中的不確定性，因此具有局限性。這里設計一種仿真平臺，在現實的GPRS和ZigBee網絡環境下進行船舶航向保持控制的仿真研究，彌補單一數字仿真的局限性，使仿真更接近實際情況。

1 仿真平臺設計及工作流程

該仿真平臺主要研究船舶的本地控制器通過本地無線網絡進行本地控制，當近?；騼群哟俺霈F意外時，陸地控制中心(即遠程控制器)能代替船舶上的本地控制器通過遠程無線網絡發揮遠程控制作用。仿真平臺示意見圖1。仿真平臺的本地控制和遠程控制工作流程見圖2。

1) 本地控制器通過本地無線網絡控制船舶模型進行航向保持控制仿真。

2) 當遠程控制器向船舶模型發送遠程控制信號時，本地控制器自動斷開控制權限，由遠程控制器進行控制。

2 仿真平臺各模塊功能

該平臺由本地無線網絡、遠程無線網絡、船舶模型、本地控制器和遠程控制器等5個模塊組成,其中:本地無線網絡模塊和遠程無線網絡模塊分別以ZigBee模塊及GPRS模塊為通信模塊，程序利用C語言編寫；船舶模型模塊、本地控制器模塊和遠程控制器模塊利用上位機軟件VB編寫。

2.1本地無線網絡模塊

ZigBee是IEEE 802.15.4協議的簡稱，具有低功耗、低成本、安全保密、可自組網和幾乎不掉線等優點，適用于工業自動控制和短程控制領域[12]，因此該平臺采用ZigBee網絡作為本地無線網絡。ZigBee模塊以CC2530芯片為核心，包括1個高性能的2.4 GHz射頻收發器和1個小巧、高效的工業級8051控制器。ZigBee網絡由終端節點、路由節點和協調器節點組成。

1) 終端節點負責將傳感器(如陀螺羅經)采集的信號傳遞給路由節點，同時接收路由節點的控制信號給執行器(如舵機執行器)。

2) 路由節點在協調器與終端節點之間建立一條通信轉發的通道，以方便信息的傳送，拓展網絡的范圍。

3) 協調器節點通過串口與本地控制器通信，接收路由節點信號和發送控制器的控制信號。

2.2遠程無線網絡模塊

由于衛星通信費用高，因此近?；騼群哟翱刹捎靡苿油ㄐ啪W絡與陸地控制中心通信。由于GPRS網絡的覆蓋范圍最廣，因此該平臺采用GPRS網絡作為遠程無線網絡。GPRS網絡主要用來提供非語音的數據交換業務，提供移動網絡與以太網絡之間的接口,可將其看成IP網路的子網,移動終端如同GPRS子網中的一臺主機,通過移動IP來識別。

GPRS模塊通過SIM900無線通信模塊與GPRS無線網絡通信。GPRS網絡根據相應的協議在船載系統(即船舶模型)與接入Internet的陸地控制中心(即遠程控制器)之間建立一條支持TCP/IP協議的數據通道。

2.3船舶模型模塊

由于這里研究重點是基于無線網絡的船舶航向保持仿真平臺設計，因此該平臺沒有使用復雜的非線性數學模型，而是采用文獻[13]中的四自由度狀態空間船舶運動數學模型,即

(1)

式(1)中:w3為航向角受到的高頻噪聲;w4為海浪對舵葉驅動伺服系統的干擾作用。船舶數據取自大連海事大學教學實習船“育鯤”輪。

船舶運動數學模型的離散算法采用4階龍格-庫塔法，采樣時間步長為h=1/(5ωc)，其中ωc為系統開環頻率特性的剪切頻率。該VB程序的代碼見文獻[14]。

該模塊通過VB的Winsock控件,使用TCP/IP協議與遠程控制器連接;通過VB的MSComm控件,使用RS232串口協議與本地控制器連接。

2.4本地控制器和遠程控制器模塊

船舶控制器控制算法有自適應、模糊、簡捷魯棒[15]、非線性反饋反步遞推[16]和PID等，其中PID控制簡單、可靠、物理意義明顯，目前仍廣泛應用于工業控制領域。[17]為方便驗證無線網絡平臺，本地控制器和遠程控制器都采用PID控制算法。

采用差分反演法對PID控制器離散化,可得

(2)

式(2)中:比例參數kp=1;積分參數ki=-0.01;微分參數kd=5。

3 仿真實例

分別在3臺計算機上對該平臺的船舶模型、本地控制器和遠程控制器進行仿真，船舶模型和本地控制器在2個相距20 m的封閉房間內通過實際的ZigBee網絡進行通信，船舶模型和遠程控制器在相距約10 km的兩地通過實際的GPRS網絡進行通信。由于這里主要進行的是基于無線網絡的船舶航向保持控制仿真平臺的設計與實現，因此該平臺的控制算法忽略網絡時延和數據丟包等網絡因素對系統的影響，本地控制器和遠程控制器都選擇PID控制算法。在進行實例仿真時，該平臺采用“育鯤”輪的4維狀態空間型數學模型。“育鯤”輪總長116 m，型寬18 m，型深8.35 m，設計吃水5.4 m，6 000總噸。根據船舶參數計算出滿載時船舶Nomoto模型中的參數K0=0.31 s-1，T0=62 s。仿真的船舶航速為15 kn，風力為5級，本地控制器的設定航向為020°;當仿真進行到1 080 s時，切換為遠程控制器控制，設定航向為030°。仿真測試結果見圖3,其中dfai為航向誤差。

dfai=afair-βfai

(3)

式(3)中:afair為航向角;βfai為設定航向。

由圖3a可知:在正常無線網絡環境中,船舶的輸出航向超調5%;在穩定以后，受無線網絡實際中的不確定性影響，船舶航向出現小幅振蕩，同時均在-2°附近作±2°的小幅舵角操舵。由圖3b可知:當向無線網絡中加入丟包和時延時，船舶的穩定性將受到很大影響;在某些情況下，甚至會導致船舶不穩定。

由仿真測試結果可知，本地控制器和遠程控制器以實際的ZigBee和GPRS無線網絡為數據通信載體，能實時進行數據通信，且各項動態性能指標良好，能達到船舶航向保持控制的目的。

4 結束語

針對船舶本地有線網絡布線難、擴展性差及衛星通信費用高等問題，設計一套基于ZigBee和GPRS無線網絡的內河或近海船舶航向保持控制仿真平臺。該平臺以實際無線網絡為通信載體，仿真更接近實際情況，仿真測試結果驗證了該平臺的可行性和實用性。從仿真結果中能看到網絡時延、數據丟包等網絡因素對系統的影響，下一步將在考慮網絡時延、數據丟包等網絡因素的情況下進行基于無線網絡控制的船舶航向保持控制算法研究。

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WirelessNetwork-BasedPlatformforShipCourse-KeepingControlSimulation

JIANGRifan1,2,ZHANGXianku1

(1. Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2. Network Information Center, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China)

U666.153

A

2016-10-08

國家自然科學基金(51109020);中央高?；究蒲袠I務費專項資金(3132014302)

姜日凡(1978—)，男，遼寧大連人，工程師，博士生，研究方向為智能控制。E-mail:jiangrif@163.com

1000-4653(2017)01-0001-03