船舶回轉運動硬件在環模擬測量系統設計

(海軍工程大學 導航工程系，武漢 430033)

船舶回轉率(rate of turning，ROT)的大小是影響回轉運動的關鍵因素，也是進行船舶操縱控制時的重要參數[1]。一般獲得船舶回轉率的方法是通過羅經測得航向并計算出變化率，但是船上裝備的羅經設備存在一定的不足，比如，電羅經價格偏高，磁羅經容易受到地磁的干擾，且通過磁羅經得到船舶回轉率具有一定滯后性，不能實時顯示回轉率數據[2]；GPS羅經容易受到衛星信號的影響，定位位置不穩定，影響回轉率的計算[3]。相比之下，直接利用船上裝備的MEMS陀螺儀獲得船舶回轉率就比較方便快速，同時陀螺儀的動態敏感性較好，有利于船舶的操縱控制[4]。MEMS陀螺儀是通過直接敏感船體的回轉運動來獲得回轉率的，對于教學研究工作來說，有必要在實驗室內構建實物系統來模擬真實的船舶回轉運動，實現MEMS陀螺儀對實際船舶回轉率的測量。為此，基于實驗室條件設計并構建硬件在環模擬測量系統，利用船舶運動模擬器輸出的數字航向信號驅動物理轉臺轉動，將數字量轉化為具體物理運動過程，期望以此模擬實際的船舶回轉運動，使得MEMS陀螺儀可以通過測量轉臺的轉動角速率來實現對實際船舶回轉率的測量。

1 系統結構和原理

船舶回轉運動硬件在環模擬測量系統結構見圖1。

圖1 硬件在環模擬測量系統結構

其中船舶自動操舵儀向船舶運動模擬器發出控制指令，模擬器模擬出實際的船舶運動航向信息，通過串口傳輸到物理轉臺系統，驅動馬達旋轉，以模擬真實的船舶回轉運動；同時MEMS角速率測量系統通過陀螺儀敏感轉臺轉動得到其角速率，即為實驗室條件下模擬得到的船體回轉角速率，將陀螺儀測得的角速率和模擬器輸出的數字航向信息送回自動操舵儀，構成硬件在環回路，以實現船舶操縱控制。

實驗重點是構建出切實可行的模擬測量系統，未涉及船舶操縱的相關問題，故將測得的實際角速率和接收到的數字航向信息在Matlab中仿真分析，以驗證系統實驗效果。

1.1 物理轉臺系統組成

物理轉臺系統構成見圖2。

圖2 物理轉臺系統構成

其中NSK-PS-DD馬達為超大扭力伺服馬達，工作原理是通過脈沖驅動馬達轉動。控制板通過串口接收船舶運動模擬器ROT數據，并通過串口向馬達驅動器發送旋轉控制指令驅動馬達旋轉。電源模塊采用220 V轉24 V及24 V轉12 V，分別給驅動器和控制板供電。

1.2 MEMS角速率測量系統

MEMS角速率測量系統選用的角速率陀螺儀型號為ADXRS623，該陀螺儀為單軸角速率測量器件，具有尺寸小、功耗低、抗沖擊和振動性好等優點，易于安裝到電路板，便于敏感轉臺回轉角速率。ADXRS系列陀螺儀利用科里奧利加速度來測量角速度，所以陀螺儀可以任何角度安裝在旋轉物體的任何地方，只要使陀螺儀旋轉軸和所要測量的軸平行即可[5]。如圖2所示，在實驗系統中將MEMS角速率測量系統通過支架水平固定于DD馬達之上，跟隨馬達旋轉以測得回轉角速率。

2 DD馬達轉速設定

為了更好地模擬船舶回轉運動，需要對DD馬達的轉速重新設定，使得轉速穩定均勻地變化。由上節可知DD馬達是通過改變輸入脈沖量控制轉動角度，則可以在固定的定時時間內改變步長以改變馬達轉動速度，或者改變單片機定時時間也可調節轉速。

在實驗之前需要測試馬達轉速誤差，其理論轉速值Va為

(1)

實際轉速Ve為

(2)

式中：Q為步長；f為定時頻率，Hz；T為馬達旋轉1圈所用時間，s。

通過不斷改變步長和定時，測得實際的轉速，得到轉速誤差Vd≈0.003 (°)/s。

經反復測試決定采取改變步長的同時也改變定時的方法，盡可能多地獲得馬達轉速值，使速率值的變化更加均勻精密。在修正轉速誤差后得到轉速和步長以及定時頻率的匹配(部分值)，見表1。

由表1可見，在單片機中共設定829組速度值(由于篇幅限制原因在此選取部分數值)，從91.44 (°)/min開始，以0.12 (°)/min的間隔遞減

表1 轉速-步長-定時頻率匹配表(部分值)

變化，在6.00 (°)/min開始變為以0.06 (°)/min間隔遞減，直至趨近于零。若接收到的速度值大于91.44 (°)/min，則取最大值91.44 (°)/min。

由于控制工程實際應用中注重系統在保持穩定性方面的性能，船舶在轉彎之后航向逐漸趨向穩定，回轉率在很小范圍波動，故本系統在零值附近設定了較多速度值，使速度變化更緊密，從而使得模擬過程更加真實可靠。而對于回轉率變化較快的轉彎過程，則不需要過度精確模擬。

馬達模擬船舶回轉運動的轉速設計好后，系統可通過串口接收來自模擬器的ROT數據解算出馬達轉速，并通過遍歷表1中的數組得到步長和定時頻率，控制馬達按照相應的轉速旋轉。

3 MEMS陀螺儀的校零和標定

MEMS陀螺儀在零角速度下需要進行初始零位校正，在SUMJ引腳處外接一個合適電阻Rx到地或電源正極即可調整零位，采集系統中參考電壓為2.5 V，按式(3)計算Rx，若求得Rx為正值時接5 V電源，為負值則接地[6-7]。

(3)

式中：U0為未校正時零角速率的輸出電壓；U1為校正后所需達到的參考電壓。

在陀螺儀校正零位后，還需要對角速率測量系統采集輸出的信號進行標定，以便解算出相應的角速率值。由于是對船舶回轉運動的模擬，角速率值較小，需對輸出電壓信號進行放大，即得到的輸出結果是放大后的電壓值。

均勻選取馬達6個典型的轉速值對陀螺儀ADXRS623的輸出電壓信號進行標定，分別為90，60，30，-30，-60，-90 (°)/min。通過仿真軟件Matlab對每個典型值分別采集100 s數據，采樣時間為0.5 s，并由100 s采集數據求得平均電壓值k，從而求得平均靈敏度k，見表2。

表2 不同轉速下的平均靈敏度

ω=0.091 5U

(4)

依照式(4)可解算出串口接收到的陀螺儀數據，得到實際的角速率測量值。現設定馬達轉速從90 (°)/min勻速減小到-90 (°)/min，通過仿真得到MEMS陀螺儀測得的角速率變化見圖3。

圖3 勻速下測得的回轉角速率

可以看出通過關系式(4)解算獲得的陀螺儀角速率測量值基本能夠與實際回轉角速率相吻合，說明此MEMS角速率測量系統可以測得馬達轉速，并且能夠跟隨轉速變化而變化。

4 實驗及分析

模擬器輸出的航向信息和MEMS測量數據可通過Matlab的simulink系統模型實現半實物仿真。圖4為硬件在環模擬測量系統的實驗場景。

圖4 硬件在環系統實驗場景

實驗發現，MEMS陀螺儀測得的角速率存在很多噪聲，數據波動較大，前期在系統標定與測試時將采樣數據進行簡單的低通濾波處理，可以濾除大部分噪聲，而通過調整濾波系數，則可以改變測量值的動態性和濾波效果。現改變濾波系數，并通過操舵儀分別給出相同的舵角變化，與實際回轉率的變化對比見圖5。

圖5 不同濾波系數下的測量角速率變化

由圖5可見，隨著濾波系數的減小，濾波效果變好，而動態性能則變差。本文所設計的系統正是利用了MEMS陀螺儀的動態響應較好、敏感運動變化較快的特點，可以快速感知船舶回轉運動，獲得船舶運動狀態，故在具體實現過程中期望保證系統測量數據的實時性，故選定濾波系數為0.01進行船舶回轉運動模擬實驗。在330，700，1 200 s的時刻分別向右打舵12°、向左打舵6°、再向左打舵14°，同時在simulink中進行同步仿真，結果見圖6、7。

圖6 航向變化

圖7 模擬測量系統回轉運動響應

可以看出，模擬測量系統能夠在航向發生變化時及時響應，并且按照相應的轉速旋轉，同時MEMS陀螺儀可以實時敏感馬達角速率變化，響應情況較好，說明系統基本實現模擬船舶回轉運動過程。但是，由于溫度變化、系統噪聲等影響，陀螺儀測量得到的角速率在達到穩態后存在一定波動，所以下一步工作重點是如何在保證動態性能的基礎上提高濾波效果，獲得穩定的測量數據。

5 結論

設計的硬件在環模擬測量系統能夠在實驗室條件下較好地模擬船舶實際回轉運動，并且能夠通過MEMS陀螺儀測得實時的回轉率，實驗結果表明所設計的系統是有效可行的。對于測量數據仍存在的波動，下一步應在保證系統動態性能的同時，增強測量數據的穩定性，以更好地實現船舶操縱控制。