CN101320271A - 海洋拖曳线阵高精度航向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋拖曳线阵高精度航向控制方法，其控制步骤是：在线缆上间隔安装一组电缆展开器和声学拖体；船上控制台与展开器之间采用半双工、点名讯问方式通信；在拖曳阵列刚布放入水时，所有的电缆展开器的展开翼板均被默认设置成零攻角状态，基准电缆上的所有电缆展开器开始测量自身的航向角，展开器与船上控制台实现自闭环航向角调节；此后电缆展开器总是根据声学拖体测得的间距并通过与设定值进行比较来以一定的周期对其进行调整，使得该节点与基准拖缆的间距保持在设定值附近。本发明的优点和积极效果：采用本方法可将拖曳系统的航向角精确地控制在±0.5°范围之内，电缆间距控制精度优于±10m。

Description

海洋拖曳线阵高精度航向控制方法

技术领域

本发明涉及到海洋拖曳阵列的水平控制方法。

背景技术

对于海洋拖曳系统水平面内的拖曳阵列，为了获得比较好的测量效果，一般采用在定端(靠近船尾的一端)加装展开器而产生一个较大的展开力的方法将拖曳阵列的各根电缆在水平面内按照一定的间距分开这种方法在较好的海洋环境条件下能够满足要求，其缺点是抗流性能较差，无法对展开器之后的阵形进行控制。而当海洋拖曳系统在水中拖曳运动时，常常由于海流、拖缆几何形状差异等种种原因将会使其偏离其预期的航向或呈弯曲状态，这种曲线形状必将使得系统的测量精度降低，在多个系统并行拖曳时，弯曲的拖缆还有可能导致系统各部件因距离过近而出现缠绕、扭结并从而损坏设备的现象。目前在国内还未见有解决此问题的技术方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种海洋拖曳线阵高精度航向控制方法，从而使得拖曳系统在水平面内更平直，减少系统使用时缠绕或扭结的可能性。

本发明所述的海洋拖曳线阵高精度航向控制方法，其控制步骤是：

1)安装电缆展开器及水声定位拖体，在线缆上间隔安装一组电缆展开器，各个声学拖体跟随在电缆展开器之后等间距安装；

2)信号传输，船上控制台与展开器之间采用半双工、点名讯问方式通信，通常展开器的通信模块都处于接收状态；当船上控制台完成参数设定后，通过进行FSK调制以广播的形式，经过驱动放大后经由收发切换单元和拖曳电缆传输至拖缆上的每一个节点处，在拖缆的每一节点处均安装有耦合线圈，它和悬挂在该节点处的电缆展开器内部的耦合线圈进行通讯从而使电缆展开器接收到船上控制台设定的参数；

3)基准拖缆的航向控制，在拖曳阵列刚布放入水时，所有的电缆展开器的展开翼板均被默认设置成零攻角状态，因此拖缆均呈现自由状态；一旦完成拖曳阵列布放，船上控制台发出启动信号，基准电缆上的所有电缆展开器(内装磁罗盘)即开始测量自身的航向角，经过一个周期的测量后，在船上控制台点击询问基准缆上靠近船尾的第一个电缆展开器，该电缆展开器接收到船上控制台的询问信号后，即将该周期内测得的航向角平均值θ回传给船上控制台；船上控制台再以广播的方式将θ发送给基准电缆上的所有电缆展开器；在所有电缆展开器接收到θ值后即开始自闭环进行航向角调节；

4)各个电缆间的间距控制，在控制台发出启动命令的同时，其它各根拖缆上安装的声学拖体开始测量各自与基准拖缆上对应位置声学拖体的间距，多次测得间距并取平均值后将其利用拖体内的通讯模块经由耦合线圈通过拖缆传给该根拖缆上相邻的电缆展开器，电缆展开器在收到距离值后计算出与设定值的偏差Δw，根据偏差可确定出应将展开翼板角度调整到攻角为α＝k2×Δw(其中k2为展开翼板角度系数，通过船上控制台设定并可更改)，主控模块根据α及船上控制台设定的翼板角速度指令电机驱动模块驱动电机，以一定的速度转动并带动执行机构使得展开翼板以设定的角速度调整到攻角α，此时在翼板流体动力的作用下，电缆展开器带动与其连接的电缆向设定的间距方向运动直至到达该值，电缆展开器即完成了一次航向调整，此后电缆展开器总是根据声学拖体测得的间距并通过与设定值进行比较来以一定的周期(该值通过船上控制台设定并可改变)对其进行调整，使得该节点与基准拖缆的间距保持在设定值附近，当所有悬挂电缆展开器的节点与基准拖缆相对应的节点间距保持在设定值附近时，则拖曳阵列中的各个拖缆间距得到了控制；

5)航向、拖缆间距监测与人工干预，船上控制台通过轮询或者点名的方式实现对电缆展开器进行监测，当电缆展开器接收到控制台的询问信号时，即将自身的航向角、从与基准拖缆的间距(从邻近的声学拖体处获得)、展开翼板攻角及其它工况参数通过通信模块经由耦合线圈、拖曳电缆发回船上控制台；一旦船上控制台处的操作人员发现某一或多个甚至所有电缆展开器经过多个周期的调整后不能达到设定的航向或间距，即可对其控制参数按步骤2)进行重新设定。

如上所述的海洋拖曳线阵高精度航向控制方法，其特征在于：一般情况下每100m间隔安装一个电缆展开器就能够满足定深度要求，但当使用海区的流速较大且不均匀或者拖船预定航向与流向的夹角较大时，应适当减少安装间距。

如上所述的海洋拖曳线阵高精度航向控制方法，其特征在于船上控制台完成下列主要参数的设定：选择基准拖缆、设定各拖缆间距、电缆展开器的翼板角度系数和翼板转动角速度及调整间隔周期。

本发明的优点和积极效果：采用本方法可将拖曳系统的航向角精确地控制在±0.5°范围之内，电缆间距控制精度优于±10m。

具体实施方式

本发明采用在拖曳阵列上外挂分布式电缆展开器的方法，实现对电缆航向和电缆间距控制，能使得拖曳阵列的航向角保持较好的一致性，从而使得拖曳阵列更加平直，并能够保证多根电缆拖曳时各个电缆间具有相同的间距。本发明的具体方法及步骤如下：

1)确定电缆展开器及水声定位拖体的安装间距

在布放拖曳阵列之前应首先确定电缆展开器的安装间距，安装间距太大则航向控制精度不能够满足要求，安装间距过小则会增加系统的阻力及流噪声，同时也会增加系统的使用成本，一般情况下每100m间隔安装一个电缆展开器就能够满足定深度要求，但当使用海区的流速较大且不均匀或者拖船预定航向与流向的夹角较大时，应适当减少安装间距。各个声学拖体跟随在电缆展开器之后等间距安装。

2)参数设定

拖曳线列阵布放完毕后，操作人员通过船上控制台完成工作参数的设定，包括选择基准拖缆，设定各拖缆间距、电缆展开器的翼板角度系数和翼板转动角速度及调整间隔周期等，一次可以完成所有电缆展开器的深度设置，设置完成后，船上控制台以广播的方式发布出去。

3)信号传输

船上控制台与展开器之间采用半双工、点名讯问方式通信，通常展开器的通信模块都处于接收状态。当船上控制台完成参数设定后，通过进行FSK调制，并经过驱动放大后经由收发切换单元和拖曳电缆传输至拖缆上的每一个节点处，在拖缆的每一节点处均安装有耦合线圈，它和悬挂在该节点处的电缆展开器内部的耦合线圈进行通讯从而使电缆展开器接收到船上控制台设定的参数。

4)基准拖缆的航向控制

在拖曳阵列刚布放入水时，所有的电缆展开器的展开翼板均被默认设置成零攻角状态，因此拖缆均呈现自由状态。一旦完成拖曳阵列布放，船上控制台发出启动信号，基准电缆上的所有电缆展开器(内装磁罗盘)即开始测量自身的航向角，经过一个周期的测量后，在船上控制台点击询问基准缆上靠近船尾的第一个电缆展开器，该电缆展开器接收到船上控制台的询问信号后，即将该周期内测得的航向角平均值θ回传给船上控制台。船上控制台再以广播的方式将θ发送给基准电缆上的所有电缆展开器。在所有电缆展开器接收到θ值后即开始自闭环进行航向角调节。具体方法为：电缆展开器内装有磁罗盘，自带电池提供能源。多次采集到航向角后可计算出航向角的平均值，将此值与设定值比较得到偏差Δθ，根据偏差可计算出应将翼板角度调整到攻角α＝k1×Δθ(其中k1为展开翼板角度系数，通过船上控制台设定并可更改)，主控模块根据α及船上控制台设定的翼板角速度指令电机驱动模块驱动电机以一定的速度转动并带动执行机构使得展开翼板以设定的角速度调整到攻角α，此时在翼板流体动力的作用下，电缆展开器带动与其连接的电缆向设定设定航向角度θ的方向运动直至到达该值，电缆展开器即完成了一次航向调整，此后电缆展开器总是实时地测量该节点的航向角并通过与设定值θ进行比较来以一定的周期(该值通过船上控制台设定并可改变)对其进行调整，使得该节点处的拖缆航向角保持在设定值θ附近，当所有悬挂电缆展开器的节点处的电缆航向角均保持在设定值θ附近时，则该根电缆将在水平面内成为平直状态。

5)各个电缆间的间距控制

在控制台发出启动命令的同时，其它各根拖缆上安装的声学拖体开始测量各自与基准拖缆上对应位置声学拖体的间距，多次测得间距并取平均值后将其利用拖体内的通讯模块经由耦合线圈通过拖缆传给该根拖缆上相邻的电缆展开器，电缆展开器在收到距离值后计算出与设定值的偏差Δw，根据偏差可确定出应将展开翼板角度调整到攻角为α＝k2×Δw(其中k2为展开翼板角度系数，通过船上控制台设定并可更改)，主控模块根据α及船上控制台设定的翼板角速度指令电机驱动模块驱动电机以一定的速度转动并带动执行机构使得展开翼板以设定的角速度调整到攻角α，此时在翼板流体动力的作用下，电缆展开器带动与其连接的电缆向设定的间距方向运动直至到达该值，电缆展开器即完成了一次航向调整，此后电缆展开器总是根据声学拖体测得的间距并通过与设定值进行比较来以一定的周期(该值通过船上控制台设定并可改变)对其进行调整，使得该节点与基准拖缆的间距保持在设定值附近，当所有悬挂电缆展开器的节点与基准拖缆相对应的节点间距保持在设定值附近时，则拖曳阵列中的各个拖缆间距得到了控制。

6)航向、拖缆间距监测与人工干预

所有电缆展开器在运行过程中的状况都可通过船上控制台得到监测，船上控制台通过轮询或者点名的方式实现对电缆展开器进行监测，当电缆展开器接收到控制台的询问信号时，即将自身的航向角、从与基准拖缆的间距(从邻近的声学拖体处获得)、展开翼板攻角及其它工况参数通过通信模块经由耦合线圈、拖曳电缆发回船上控制台。一旦船上控制台处的操作人员发现某一或多个甚至所有电缆展开器经过多个周期的调整后不能达到设定的航向或间距，即可对其控制参数(包括电缆展开器的翼板角度系数和翼板转动角速度及调整间隔周期等)进行重新设定，从而使得其最终满足要求。

本发明的工作原理：拖缆在水中拖曳运动时，由于海流、系统的几何形状差异等种种原因将会使系统偏离其预期的航向而呈弯曲状态。由于弯曲而导致电缆上不同位置将具有不同的航向角。根据电缆在水中拖曳时这一特征，在电缆上的不同节点布置有电缆展开器(内装磁罗盘)来测量该处的电缆航向，由于电缆在受到张力时其曲线是连续渐变的，因此电缆展开器的航向即可代表此处电缆的航向。当测量得某一根电缆的各处航向角度有一定的偏差时，展开器自动改变展开翼板攻角而产生展开力并带动电缆移动从而减小航向角的偏差，通过以合适的间距在拖缆的各个节点处外挂电缆展开器并控制展开器的航向角的一致性，能够使得拖缆到达平直状态。

当同时要对拖缆间距进行控制时，首先利用磁罗盘测出的数据对某一根电缆的航向进行调整，即将该根拖缆调整成近似直线状态，再以此根拖缆为基准，利用水声定位系统测量其他各根拖缆相对于基准拖缆的间距，若间距大于要求值，则电缆展开器自动调整翼板攻角使得电缆展开器带动电缆向接近基准缆的方向运动，当间距小于要求值时，电缆展开器将其翼板攻角变换成与前相反的方向，从而使得电缆展开器向与基准电缆间距加大的方向运动。

在整个系统运行过程中，分布在电缆上的电缆展开器一直与船上中心控制台保持通讯，将自身的信息传递给中心控制台，当中心控制台发现任何一个电缆展开器异常时可对其进行单独调整。

本发明各组成部分为现有的设备，它们的作用表述如下：

1)船上中心控制台

根据定深器控制和通信性能的要求，将中心控制器按照功能作用和空间位置划分成以下功能(任务)单元：显示单元、操控单元、控制与信息处理单元、通信适配单元。

显示单元显示器选用用18.1″工业级液晶显示器，显示屏态势画面分成四大部分：功能控制区、态势区和表格区，以图形和文本的方式显示电缆曲线、各节点电缆展开器的航向、航速、通信状态、姿态超限、电源电量低等工况数据。在有多个拖缆时，还可显示各根电缆之间的间距，可以点击某根缆以显示该根电缆的信息，也可定时顺序显示各缆信息。

操控单元布置在操控台面上，可以进行参数设定、功能切换、设备操作等人机交互功能。

控制与信息处理单元是控制器的核心，包括主板、显卡、电子盘、串口板，完成控制器的参数设定、显示、通信、记录和数据处理，同时控制通信适配单元，对拖缆姿态实时采集、显示和控制处理。

通信适配单元由电缆展开器内部的通信模块和主控模块组成，通信网络适配单元与控制器主机通过RS-422A接口连接。

2)电缆展开器

展开器主要由壳体、执行机构、锁紧装置、传感器系统、电池、展开翼板等组成，其中壳体是所有其他构件的载体，当系统开始拖曳时，由于展开翼板相对于速度方向具有相对攻角而产生展开力，展开力通过耐压壳体并经过锁紧装置传递到拖缆上从而带动拖缆一起向预期的方向运动。

电缆展开器内部控制系统按功能分为：主控模块、数据采集模块、电源管理模块、通信模块、电机驱动模块，5个模块插接在总线底版上，通过底板通信控制总线进行控制和数据传输。各个模块在主控模块的统一协调下完成包括通信模块的收发转换、数据的发送和接收、展开器姿态数据采集、展开器翼板角度调整、电源管理等工作，通过采用最优控制法，使得展开器即可完成航向控制要求，又能实现超长时间连续工作。

4)拖曳电缆

拖曳电缆既是被控对象，又是系统信号传输的纽带，其内有专门用于航向控制系统信号传输的芯线，在各个节点处安装有通讯线圈以用于电缆展开器、声学拖体与拖缆间实现通讯。拖缆的干端与船上控制台相连。

5)声学拖体

用于测量各个拖缆之间的间距，内装换能器、水声信号接收与发射处理装置、电池、通讯线圈等。

实施例：

根据系统测量要求需要布放由两根拖缆所组成的阵列，选择右舷拖缆为基准，假设布放完成后测此根拖缆上靠近船尾的第一个电缆展开器的航向角为15°，则船上的中心控制台设定本根电缆上所有的电缆展开器的目标值均为15°，同时船上控制台还设定展开翼板角度系数k1＝1.5、k2＝0.3、翼板角速度5度/分、电缆间距50m、调整周期间隔时间2分钟。所有电缆展开器即开始进行自闭环控制的航向调节，本例中同时假设该拖缆后续的电缆展开器的航向角都比第一个电缆展开器大(偏向右舷)，设基准电缆上的某一电缆展开器实测航向角为20°，电缆展开器的控制模块可计算出航向偏差为Δθ＝5°，并同时计算出为了翼板攻角应为α＝k1×Δθ＝7.5°，控制模块控制执行机构运转并带动展开翼板以5°/分的角速度逆时针转动7.5°，则该电缆展开器在展开翼板流体动力的作用下带动相连接的拖缆向左舷运动，此时该处的电缆航向角将逐步减小直至达到15°左右，当所有电缆展开器的实际航向角均达到15°左右时，至此该根拖缆已变得平直。

第二根拖缆的水平方向的调节是以基准拖缆为标准进行的。假设第二根拖缆上的某一声学拖体测量出与基准拖缆上对应声学拖体的间距为20m，则控制模块计算得与设定值(50m)的偏差为30m，并确定展开翼板的攻角为α＝0.3×30＝9°，控制模块控制执行机构运转带动翼板逆时针转动9°，在翼板流体动力的作用下，电缆展开器带动拖缆向左舷运动直至达到间距50m的设定值，当所有相对应的电缆展开器的间距均达到50m间隔时，则两根拖缆的间距也就达到了50m间距。

Claims (3)

1、一种海洋拖曳线阵高精度航向控制方法，其控制步骤是：

1)安装电缆展开器及水声定位拖体，在线缆上间隔安装一组电缆展开器，各个声学拖体跟随在电缆展开器之后等间距安装；

2)信号传输，船上控制台与展开器之间采用半双工、点名讯问方式通信，通常展开器的通信模块都处于接收状态；当船上控制台完成参数设定后，通过进行FSK调制以广播的形式，经过驱动放大后经由收发切换单元和拖曳电缆传输至拖缆上的每一个节点处，在拖缆的每一节点处均安装有耦合线圈，它和悬挂在该节点处的电缆展开器内部的耦合线圈进行通讯从而使电缆展开器接收到船上控制台设定的参数；

3)基准拖缆的航向控制，在拖曳阵列刚布放入水时，所有的电缆展开器的展开翼板均被默认设置成零攻角状态，因此拖缆均呈现自由状态；一旦完成拖曳阵列布放，船上控制台发出启动信号，基准电缆上的所有电缆展开器即开始测量自身的航向角，经过一个周期的测量后，在船上控制台点击询问基准缆上靠近船尾的第一个电缆展开器，该电缆展开器接收到船上控制台的询问信号后，即将该周期内测得的航向角平均值θ回传给船上控制台；船上控制台再以广播的方式将θ发送给基准电缆上的所有电缆展开器；在所有电缆展开器接收到θ值后即开始自闭环进行航向角调节；

4)各个电缆间的间距控制，在控制台发出启动命令的同时，其它各根拖缆上安装的声学拖体开始测量各自与基准拖缆上对应位置声学拖体的间距，多次测得间距并取平均值后将其利用拖体内的通讯模块经由耦合线圈通过拖缆传给该根拖缆上相邻的电缆展开器，电缆展开器在收到距离值后计算出与设定值的偏差Δw，根据偏差可确定出应将展开翼板角度调整到攻角为α＝k2×Δw，其中k2为展开翼板角度系数，通过船上控制台设定并可更改，主控模块根据α及船上控制台设定的翼板角速度指令电机驱动模块驱动电机，以一定的速度转动并带动执行机构使得展开翼板以设定的角速度调整到攻角α，此时在翼板流体动力的作用下，电缆展开器带动与其连接的电缆向设定的间距方向运动直至到达该值，电缆展开器即完成了一次航向调整，此后电缆展开器总是根据声学拖体测得的间距并通过与设定值进行比较来以一定的周期，对其进行调整，使得该节点与基准拖缆的间距保持在设定值附近，当所有悬挂电缆展开器的节点与基准拖缆相对应的节点间距保持在设定值附近时，则拖曳阵列中的各个拖缆间距得到了控制；

5)航向、拖缆间距监测与人工干预，船上控制台通过轮询或者点名的方式实现对电缆展开器进行监测，当电缆展开器接收到控制台的询问信号时，即将自身的航向角、从与基准拖缆的间距、展开翼板攻角及其它工况参数通过通信模块经由耦合线圈、拖曳电缆发回船上控制台；一旦船上控制台处的操作人员发现某一或多个甚至所有电缆展开器经过多个周期的调整后不能达到设定的航向或间距，即可对其控制参数按步骤2)进行重新设定。

2、如权利要求1所述的海洋拖曳线阵高精度航向控制方法，其特征在于：一般情况下每100m间隔安装一个电缆展开器就能够满足定深度要求，但当使用海区的流速较大且不均匀或者拖船预定航向与流向的夹角较大时，应适当减少安装间距。

3、如上所述的海洋拖曳线阵高精度航向控制方法，其特征在于船上控制台完成下列主要参数的设定：选择基准拖缆、设定各拖缆间距、电缆展开器的翼板角度系数和翼板转动角速度及调整间隔周期。