基于自動(dòng)控制的兩船并行航行自航模型測(cè)試平臺(tái)

封培元 劉 義 范佘明

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

0 引 言

橫向補(bǔ)給是海上補(bǔ)給的主要方式，對(duì)提高船舶的遠(yuǎn)洋生存能力具有重要意義。在橫向補(bǔ)給時(shí)，通過(guò)跨接于兩船之間的補(bǔ)給裝備進(jìn)行物資補(bǔ)給，該方式可補(bǔ)給的物種品種多，快速、高效，船舶之間的對(duì)接和脫離比較容易，可在較高的航速下作業(yè)。補(bǔ)給船與接收船保持同向、同速以一定橫向間距并行航行，是橫向補(bǔ)給作業(yè)對(duì)船體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的基本要求。

船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是保持或改變船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要手段，補(bǔ)給時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的是兩船能否保持期望的橫向距離。過(guò)大的橫向距離可能導(dǎo)致通過(guò)高架索傳送的貨物浸入海水中，過(guò)小的橫向距離則可能產(chǎn)生船舶碰撞事故。實(shí)際補(bǔ)給過(guò)程中，補(bǔ)給船保持直航，接收船需要完成靠近、并行和離開(kāi)等復(fù)雜操控運(yùn)動(dòng)。

船舶操縱運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)屬于欠驅(qū)動(dòng)控制，只能通過(guò)螺旋槳、舵控制縱蕩和轉(zhuǎn)首方向運(yùn)動(dòng)，而橫蕩方向的運(yùn)動(dòng)控制須通過(guò)螺旋槳和舵間接控制。這使該系統(tǒng)具有強(qiáng)耦合性和高度非線(xiàn)性特征，是復(fù)雜的多輸入多輸出系統(tǒng)。在控制過(guò)程中，海洋環(huán)境的干擾以及補(bǔ)給任務(wù)的復(fù)雜性增加了艦船運(yùn)動(dòng)控制中的不確定性。復(fù)雜海況下的波浪、流、風(fēng)等環(huán)境干擾作用于船體會(huì)產(chǎn)生慢漂力，造成艦船的偏航。這無(wú)疑增加了接收船的軌跡跟蹤控制難度。此外，船舶的動(dòng)力學(xué)特性會(huì)隨著船舶參數(shù)的變化而變化，如質(zhì)量、重心位置和吃水等，這些參數(shù)與船舶搭載的有效載荷大小、布放位置以及登船人員等因素密切相關(guān)。這也間接影響了船舶自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制效果，進(jìn)而影響船舶橫向補(bǔ)給的成敗，因此，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)可應(yīng)對(duì)環(huán)境干擾、模型參數(shù)變化等不確定因素的控制器具有重要意義。

針對(duì)這一復(fù)雜問(wèn)題，現(xiàn)有的關(guān)于并行航行控制的相關(guān)研究主要通過(guò)數(shù)值仿真的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制效果驗(yàn)證。然而，考慮到船舶操縱運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)非線(xiàn)性和海上橫向補(bǔ)給作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，僅通過(guò)數(shù)值仿真方式進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)無(wú)法保證其在實(shí)際應(yīng)用中的效果，只有通過(guò)原理樣機(jī)或?qū)嵈嚭降葘?shí)物測(cè)試才能真正確保控制器的實(shí)用效果。

1 自航模型試驗(yàn)技術(shù)概述

相比于代價(jià)高昂且環(huán)境條件不受控制的實(shí)船測(cè)試，自航模型試驗(yàn)采用縮尺后裝有槳舵的船模直接復(fù)現(xiàn)實(shí)船的操縱運(yùn)動(dòng)；利用試驗(yàn)場(chǎng)地的造波、造風(fēng)和造流功能模擬出指定的環(huán)境條件。因此，借助自航模型試驗(yàn)手段可以使研究人員更為直觀、高效、精確地對(duì)所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行參數(shù)調(diào)試和效果驗(yàn)證，已有諸多的成功應(yīng)用案例。

哈爾濱工程大學(xué)利用船模實(shí)驗(yàn)對(duì)船舶適航性和操縱性進(jìn)行分析研究，自航模的控制器采用AVR單片機(jī) ATmega16，實(shí)現(xiàn)控制舵機(jī)、電機(jī)的功能。自航模采用 MTI 系統(tǒng)來(lái)采集姿態(tài)信息，MTI系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的提供自航模的航向和傾角信息。自航模與岸基系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳輸采用Zig-Bee 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，Zig-Bee 技術(shù)具有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并且傳輸距離較遠(yuǎn)，可實(shí)現(xiàn)自航模的遠(yuǎn)距離控制。

麻省理工大學(xué)的研究人員針對(duì)DTMB 5415開(kāi)展了自航船模操縱性測(cè)試。船模與岸基計(jì)算機(jī)通訊采用無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)來(lái)完成，通過(guò)增強(qiáng)天線(xiàn)，傳輸距離可以達(dá)到640 m。航模的位姿傳感器采用了MicroStrain公司的3DM-GX3-45 GNSS輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，其內(nèi)部集成了GPS、磁力儀和加速度計(jì)，通過(guò)擴(kuò)展卡爾曼濾波得到位置、速度、航向和姿態(tài)的最優(yōu)估計(jì)。

挪威科技大學(xué)針對(duì)一艘直翼推進(jìn)船的動(dòng)力定位性能進(jìn)行了研究，采用NI公司的RIO9024進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。通過(guò)紅外相機(jī)跟蹤船模上的標(biāo)記來(lái)獲得船模的位置和航向，并通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳遞到控制計(jì)算機(jī)。

海軍工程大學(xué)在湖泊中開(kāi)展了兩船橫向補(bǔ)給的自航模型試驗(yàn)研究，利用GPS信息采集兩船的位置信息，通過(guò)船模上的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行操舵，實(shí)現(xiàn)兩船相對(duì)位置的自動(dòng)保持。該試驗(yàn)在天然湖泊中進(jìn)行，因此環(huán)境條件不可模擬。

借鑒已有的研究，本研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)海上兩船橫向補(bǔ)給作業(yè)時(shí)并行航行狀態(tài)下的自航模型試驗(yàn)需求，專(zhuān)門(mén)研制了一個(gè)基于自動(dòng)控制的兩船并行航行自航模型測(cè)試平臺(tái)，建立起了在水池中開(kāi)展船模并行航行控制的自航模型試驗(yàn)方法。

2 測(cè)試平臺(tái)說(shuō)明

本測(cè)試平臺(tái)研制包括：總體框架構(gòu)建、光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、自航船模及槳舵研制，船基控制系統(tǒng)（下位機(jī)）和岸基控制系統(tǒng)（上位機(jī)）的研制，并行航行自動(dòng)航行控制程序的研制，以及整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的最終集成和調(diào)試；

并行航行自航模控制系統(tǒng)包括岸基部分和船基部分。岸基部分主要是采集光學(xué)傳感器的信息，從而獲得航模船的各種姿態(tài)信息，這些信息通過(guò)岸基控制系統(tǒng)處理后，傳給運(yùn)算控制單元，通過(guò)解算船模的姿態(tài)信息，經(jīng)過(guò)自適應(yīng)算法得出模型船的推進(jìn)器控制量和舵角的控制量，再回傳給岸基控制系統(tǒng)，岸基控制系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊將這兩個(gè)控制量傳給船基的控制單元，船基控制單元再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給驅(qū)動(dòng)控制單元，完成推進(jìn)器和舵機(jī)的控制。船基控制單元同時(shí)也采集驅(qū)動(dòng)單元的舵角、轉(zhuǎn)速等信息，反饋給岸基控制單元進(jìn)行顯示。

圖1 測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)

本平臺(tái)所采用的是瑞典Qualisys公司生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。該光學(xué)系統(tǒng)使用了獨(dú)特的高速數(shù)碼相機(jī)來(lái)精確捕捉帶有主動(dòng)或被動(dòng)標(biāo)記點(diǎn)的可測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)。利用該技術(shù)可以準(zhǔn)確、可靠并實(shí)時(shí)將捕獲到船模的位置和姿態(tài)信息。

系統(tǒng)所采用的光學(xué)鏡頭如圖2所示，一般在試驗(yàn)時(shí)根據(jù)精度需求安裝約3臺(tái)鏡頭。鏡頭數(shù)量越多則測(cè)試精度越高，但對(duì)應(yīng)可觀測(cè)的船模運(yùn)動(dòng)范圍會(huì)有所減小，因?yàn)橹挥腥跨R頭視野的重疊區(qū)域才能進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。

圖2 光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)相機(jī)及QTM軟件

QTM是Qualisys特有的跟蹤軟件，用于和Qualisys相機(jī)進(jìn)行結(jié)合。用戶(hù)可以使用該系統(tǒng)實(shí)時(shí)地進(jìn)行2D， 3D和 6DOF運(yùn)動(dòng)的捕捉，將延遲降到最低。QTM 以先進(jìn)的數(shù)據(jù)運(yùn)算法則為基礎(chǔ)，確保了高速、高準(zhǔn)確和低延遲特色（最低延遲 6 ms）。利用該系統(tǒng)所能達(dá)到的測(cè)量精度一般可以保持在位移1 mm和角度0.1°以?xún)?nèi)。

2.2 船基及岸基控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)硬件主要由兩大部分組成：一是岸基控制系統(tǒng)部分，即控制臺(tái)部分；另一個(gè)是放置在模型船上的船基控制系統(tǒng)部分，即遙控單元部分。

控制臺(tái)是進(jìn)行整個(gè)控制系統(tǒng)操作、控制以及顯示的主要載體，它主要包括控制臺(tái)面板和控制柜體兩大部分構(gòu)成。

如圖3所示，控制臺(tái)面板部分包括一體化控制計(jì)算機(jī)、航行和航向操作控制單桿、使能和運(yùn)行按鈕、電源指示燈、模式選擇開(kāi)關(guān)和應(yīng)急按鈕以及控制臺(tái)端無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)等；控制柜體主要包括直流電源和操作控制單桿所需要的電源、采集模塊、無(wú)線(xiàn)電臺(tái)模塊、以太網(wǎng)交換機(jī)、串口服務(wù)器、空氣開(kāi)關(guān)和必要的接線(xiàn)端子等。

圖3 岸基控制系統(tǒng)（控制臺(tái)）

控制臺(tái)軟件的主要功能是綜合顯控與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。來(lái)自船基遙控單元的反饋數(shù)據(jù)和光學(xué)測(cè)量服務(wù)器的數(shù)據(jù)，經(jīng)控制臺(tái)軟件解析后進(jìn)行本地顯示及存儲(chǔ)，并轉(zhuǎn)發(fā)給控制計(jì)算機(jī)。控制計(jì)算機(jī)生成的控制指令發(fā)送到控制臺(tái)軟件后，由控制臺(tái)軟件解析后進(jìn)行本地顯示及存儲(chǔ)，并轉(zhuǎn)發(fā)給船基遙控單元。如下頁(yè)圖4所示，控制臺(tái)軟件的主要功能模塊包括航跡顯示、船模信息、操控信息、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）遠(yuǎn)程控制、光學(xué)傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信狀態(tài)指示等。控制臺(tái)軟件與系統(tǒng)中其他單元連接后，實(shí)時(shí)指示當(dāng)前對(duì)應(yīng)單元的通信狀態(tài)。船模操作模式自動(dòng)、手動(dòng)、遠(yuǎn)程可選，手動(dòng)模式下控制量可由操縱桿給定或鍵盤(pán)輸入，實(shí)現(xiàn)舵角和槳速的精確控制。數(shù)據(jù)記錄功能將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中涉及的所有數(shù)據(jù)和操控信息保存為EXCEL文件。PLC遠(yuǎn)程控制主要實(shí)現(xiàn)船基遙控單元的啟停和運(yùn)行狀態(tài)指示，同時(shí)可進(jìn)行船基單元的遠(yuǎn)程復(fù)位。航跡顯示功能將實(shí)時(shí)顯示船模在光學(xué)坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置，并疊加顯示艏向信息。

圖4 控制臺(tái)控制系統(tǒng)軟件界面

船基的遙控單元用于模型船上控制信號(hào)的采集和推進(jìn)器、舵機(jī)控制信號(hào)的輸出以及接觸器、指示燈信號(hào)的控制輸出。遙控單元上要采集的信號(hào)主要為羅盤(pán)信息，舵機(jī)及推進(jìn)器的角度和速度信息，并接收岸基控制臺(tái)單元的命令，將控制信號(hào)的輸出傳給驅(qū)動(dòng)單元用于舵機(jī)和推進(jìn)器的控制，以及伺服驅(qū)動(dòng)單元的使能、運(yùn)行命令的接收等。遙控單元主要由多個(gè)PLC模塊構(gòu)成，其中最為重要的是軸定位模塊，通過(guò)PLC編程完成舵機(jī)的回零操作，同時(shí)完成舵機(jī)和推進(jìn)器的同步控制。遙控單元及遙控單元內(nèi)部構(gòu)成見(jiàn)圖5。

圖5 船基控制系統(tǒng)（遙控單元）

2.3 控制軟件

船舶操縱運(yùn)動(dòng)自動(dòng)控制軟件界面如下頁(yè)圖6所示。軟件采用Matlab語(yǔ)言編寫(xiě)完成并制作了專(zhuān)門(mén)的操作界面。

圖6 控制軟件界面

通過(guò)該軟件可以方便地調(diào)節(jié)控制器和濾波器的參數(shù)，并能實(shí)時(shí)顯示并繪制船模的當(dāng)前位置及航向。在每次試驗(yàn)結(jié)束后，可通過(guò)圖7所示的后處理界面直接對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖7 測(cè)試結(jié)果后處理

該控制軟件通過(guò)串口通訊方式與工控臺(tái)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)了硬件和軟件間的獨(dú)立。這樣有利于知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，便于多家單位間協(xié)同合作和不同控制算法間的橫向比較。

3 應(yīng)用實(shí)例

在MARIC拖曳水池中應(yīng)用該測(cè)試平臺(tái)開(kāi)展了兩船并行航行自航模型試驗(yàn)。下頁(yè)圖8為接收船的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀闹锌梢钥闯觯兄频南到y(tǒng)具有很高的集成度，船模上的設(shè)備非常精煉，只要將3個(gè)控制箱固定在船模上，再完成與舵機(jī)和推進(jìn)電機(jī)間的連線(xiàn)即可。

圖8 試驗(yàn)船模

船模上也無(wú)需其他任何的姿態(tài)和位置傳感器，只需固定幾個(gè)小型光球就能通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

針對(duì)迎浪不規(guī)則波工況開(kāi)展了模型試驗(yàn)研究。如圖9所示，即使遭遇5級(jí)海況，接收船模在控制程序的自動(dòng)操控下也能較好地保持與補(bǔ)給船間的相對(duì)位置。

圖9 并行航行自航模型試驗(yàn)照片

4 結(jié) 語(yǔ)

本文所闡述的基于自動(dòng)控制的兩船并行航行模型測(cè)試平臺(tái)具有集成度高、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，并且通過(guò)串口通訊方式實(shí)現(xiàn)了硬件終端與航行控制軟件間的分離。這樣有利于知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，便于多家單位間的協(xié)同合作和不同控制算法間的橫向比較。

該測(cè)試平臺(tái)不但能夠高效、可靠地實(shí)現(xiàn)控制器的參數(shù)調(diào)試和效果驗(yàn)證，還可以針對(duì)船舶典型的作業(yè)狀態(tài)，對(duì)不同風(fēng)浪流環(huán)境組合下兩船運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，評(píng)估橫向補(bǔ)給作業(yè)的安全性。