小型玻璃鋼漁船自動控制系統設計

王樂 張亞 白世陽 龐洪禎

摘 要：結合現有的監測技術，實現了小型玻璃鋼漁船的自主作業。本文詳細介紹漁船控制系統的設計和具體實施的手段。通過將漁船的控制系統分為船舶定位、推進、自動舵控制以及載荷收集系統，使各個分系統相互配合，從而達到漁船自動控制的目的。通過采用無線設備使管理人員能夠在母船上控制多艘小型漁船，從而提高了漁船作業的效率。最后通過實船測試，論證了其漁船控制系統設計的可行性。

關鍵詞：玻璃鋼漁船;自動控制;運動監測

中圖分類號：U661.73? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）11-0055-03

為了能夠更好地利用玻璃鋼漁船進行相應的作業，提高漁船的工作效率，本文設計了一套漁船自動控制系統[2-5]，通過一艘母船上的設備能夠無線控制多艘小型漁船進行相應的工作。

1 漁船自動控制系統

為了實現小型漁船的自動控制，對現有的小型玻璃鋼漁船進行改裝，在其艏、舯和艉處分別安裝天線，使用無線設備進行傳輸，并通過不同系統之間的配合實現漁船自動控制。漁船的自動控制系統分為：定位系統、推進系統、自動舵控制系統以及載荷收集系統。當各分系統相互配合共同工作時，可通過位于母船上的管理人員有效控制，能夠實現漁船的自動作業。

漁船的定位系統采用GPS/INS慣性定位系統測量其運動軌跡、航速、航向和運動姿態。GPS/INS的作用是用來進行船舶運動參數的測量，而GPS則用于進行船舶航行定位。GPS/INS模塊安裝在漁船的重量中心位置來測量漁船的搖蕩姿態，其縱搖和橫搖的測量精度分別為0.02°和0.05°[1]，X、Y、Z三個方向的速度測量精度為0.02m/s;兩個GPS接收天線則分別安裝在艏艉甲板中線處。受控漁船和母船之間通過無線電傳輸信號，GPS/INS實時采集的信息可直接在母船上的控制電腦上查看。經實船測試驗證得到：信號最大傳輸距離可達10km;而采樣信號的頻率不宜設置過高，一般為10Hz左右。

受控漁船的航速和航向由自動舵和推進系統共同控制，而母船上的管理人員則可根據對受控漁船航行狀態需求發射遠程控制指令，其操控系統的流程圖如圖2所示。在此過程中，管理人員可通過母船上的控制計算機輸入指令，然后由無線電臺將航速和航向調節指令傳輸給受控漁船上的接收器，從而實現對其航行狀態的遠程遙控。在整個控制系統中，共涉及到4對無線電臺，全部安裝在母船作業甲板上的相應位置：一對用來傳輸GPS/INS反饋的漁船航行狀態信息;一對用來傳輸控制發動機轉速設備的脈沖電壓;其余兩對用來傳輸舵的狀態信息。

推進系統主要是采用無線電站來控制發動機監控設備的電壓從而達到控制漁船螺旋槳轉速的目的。通過調節發動機的旋轉速度從而控制漁船的航行速度。

在控制漁船中安裝自動舵，從而可實現沿固定方向直線行駛自動，舵系統用戶操作界面如圖3（a）所示。該系統包含航向陀螺單元（CCU）、電力控制單元（ECU）以及驅動液壓桿三個部分。其中，航向陀螺單元（CCU）是自動舵系統的核心，判斷被控制漁船的實時航向;電力控制單元（ECU）基于PID 邏輯算法，根據航向陀螺單元所提供的信息對驅動液壓桿進行舵角調節，從而保證漁船保持期望的航行方向;驅動液壓桿通過一套雙曲柄傳動結構實現同時控制雙舵舵角，傳動裝置如圖3（b）所示。母船上的試驗人員通過操作界面對漁船的航向角進行控制，通過無線信號將操控信息傳輸給漁船，最終實現控制漁船航行。

數據采集系統可采用DH5902動態信號采集儀對作用在漁船上的載荷情況進行數據記錄。該儀器可同時對不同類型的載荷信號頻率進行采樣，并將數據結果臨時存儲至其內置硬盤上。將動態信號采集儀安裝于漁船上，通過信號線方式對部分數據進行傳輸與記錄。同時，該采集儀的啟停通過控制母船上的計算機發射無線脈沖信號來實現。數據采集內容包括：

（1）應力：將全橋應變計安裝于漁船底部龍骨用以測量垂向和水平彎曲正應力。對所測得應力信號結合船體的結構參數可轉化為船體所受的實時彎矩。

（2）壓力：分別在漁船艏、舯以及艉部布置共計13個抨擊壓力測量點用以測量艏部外飄抨擊壓力。各測量點的具體位置如圖5所示。

（3）加速度：分別在漁船艏、舯以及艉部的甲板上布置加速度傳感器用以測量船體所受的波浪垂向加速度。

通過固定在漁船重心位置的GPS/INS 模塊可測量得到船舶的縱向、水平以及垂向速度，航行經度、緯度以及高度位移，縱搖、橫搖以及航向角。此外，在漁船上安裝兩個攝像機對其航行畫面進行記錄。測量設備及信號的基本參數情況如表1所示。

為了進一步確保漁船的航行安全，在漁船的航行海域進行海浪監測。其具體的做法為：采用浮標式浪高儀對漁船所作業的海域海浪信息進行測量，如圖4中所示。該儀器外形為球形，工作狀態時其下半部分浸入水中;底端通過懸掛鐵鏈來降低重心，從而保證浪高儀在波浪起伏運動中保持直立狀態;其水線面處安裝有壓浪板，從而避免產生儀器的水平方向搖擺。浪高儀與波面的起伏運動同步，因此波高的變化速度可以由安裝在浪高儀中心位置處的加速度傳感器進行測量，設定采樣頻率為50Hz。

2 玻璃鋼漁船的監測點設計

對于自動控制下的玻璃鋼漁船和母船的監測點設計如圖5和圖6所示。

如圖5所示，在被控制漁船的外殼上布置了13個抨擊壓力監測位置，其中艏部有7個監測點。其監測位置分布在三個橫剖面上。船舯處有兩個監測點，分布在設計水線的附近。而艉部有4個監測點，其分布在艉部推進器周圍。在船底部有一個貫穿全船的龍骨梁，通過在龍骨梁上安裝壓力若干個應變計監測船體的整體形變。同時，4對無線電臺的具體位置也在圖中標明。圖6給出了控制母船的設計。其與一般的漁船類似，監測控制計算機安放在此船上。管理人員通過在此處上可以監測并控制多艘小型漁船的作業。

在黃海海域進行了此項控制漁船自動作業的試驗并取得成功，試驗論證了玻璃鋼漁船控制設計的可行性，具體的航行軌跡如圖7所示。

3 結論

本文通過結合現有的監測技術，實現了小型玻璃鋼漁船的自主作業。并詳細介紹了漁船控制系統的設計和具體實施的手段，從而使漁船在母船的控制下實現自主作業成為可能。最后通過實船測試，論證了漁船控制系統設計的可行性。

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