CN105843042A - 一种便携式船舶自动舵检测系统 - Google Patents

一种便携式船舶自动舵检测系统 Download PDF

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代昌盛
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Abstract

本发明公开了一种便携式船舶自动舵检测系统，包括船舶自动舵、舵角产生与反馈装置、ARM端模块和手机端模块，所述的ARM端模块包括船舶运动数学模型、ARM端船舶模型参数设置模块和ARM端综合信息显示系统，所述的手机端模块包括手机端船舶模型参数设置模块和手机端综合信息显示系统。本发明可以实现船舶自动舵在陆地上正常运转，逼真地模拟船舶自动舵在实船上的工作状态，可方便的在现场以及远程对船舶自动舵运转时产生的信息进行采集，有利于科研生产单位在研制、生产和维修船舶自动舵时对船舶自动舵各项性能进行检测及评价，远程的检测实验又提高了工作效率。本发明还可模拟部分海上实验，可作为航海类院校培训学生的教学仪器。

Description

一种便携式船舶自动舵检测系统
技术领域
本发明涉及一种硬件在环仿真与检测系统，特别是一种便携式船舶自动舵检测系统，属于船舶控制与检测领域。
背景技术
随着全球经济的发展，以船舶为载体的航运业优势逐渐凸显出来。对于船舶来说，船舶自动舵是控制船舶航向的重要设备，设计生产出性能优越的自动舵显得尤为重要。在自动舵的研发、生产和维修过程中要对其进行各项性能指标的检测，然而在将自动舵装载到实船上进行海上实验时，需要耗费大量的人力物力，并且在很多情况下是无法实现的，同时在装载到实船之前，自动舵由于缺少真实舵角反馈信号和航向反馈信号而不能正常运转。所以，怎样经济有效地对船舶自动舵进行检测成为一个亟待解决的工程问题。
硬件在环仿真方法是将物理模型和数学模型联合进行试验的一种方法，它将实际系统的部分设备与嵌入式设备相互连接，用仿真的方式对其中不存在或不便于实验的部分系统进行仿真，同时保证整个系统能够实时运转。该仿真技术综合了物理仿真和数学仿真两者的优点，充分利用嵌入式设备装载数学模型的简易性，提高了经济性，便于对系统的模型部分进行灵活快捷的仿真以及变更。该仿真技术在机械、电子、航天航空和武器研制等领域己得到了广泛应用。
但现有技术中，关于船舶自动舵的在环仿真与检测技术还未见公开报道。
发明内容
为解决如何经济有效地对船舶自动舵进行检测的问题，本发明要设计一种可以使船舶自动舵在陆地上正常运转并可对其各项性能指标进行检测的便携式船舶自动舵检测系统，该检测系统要实现以下功能：
1、作为检测系统，本发明可通过在现场以及远程得到的航向、舵角监测曲线分析出自动舵航向控制效果，并提供计算船舶航向控制最优性能指标的功能，方便对自动舵控制性能进行评价。
2、作为教学设备，用户可以利用本发明训练学生基本的自动舵操纵技能。
3、利用本发明可实时地显示船舶航迹、航向和舵角的变化，并画出他们的监测曲线，模拟实船进行船舶回转实验和Z形实验。
为了实现上述功能，本发明的技术方案如下：
一种便携式船舶自动舵检测系统，包括船舶自动舵、舵角产生与反馈装置、ARM端模块和手机端模块，所述的ARM端模块包括船舶运动数学模型、ARM端船舶模型参数设置模块和ARM端综合信息显示系统，所述的手机端模块包括手机端船舶模型参数设置模块和手机端综合信息显示系统；
所述的船舶运动数学模型分别通过串口通信方式与船舶自动舵和舵角产生与反馈装置实现数据的交换，船舶运动数学模型分别通过串口通信方式与ARM端船舶模型参数设置模块和ARM端综合信息显示系统实现数据的交换，船舶运动数学模型分别通过无线通信方式与手机端船舶模型参数设置模块和手机端综合信息显示系统实现数据的交换；所述的船舶自动舵与舵角产生与反馈装置双向连接；
所述的船舶运动数学模型负责模拟实际船舶，解算得出航向；
所述的ARM端船舶模型参数设置模块包括船模选择设置、主机转速设置、初始航向与初始航速设置；
所述的ARM端综合信息显示系统负责对舵角、航向、航迹变化曲线的实时显示以及航向最优控制性能指标的计算；
所述的手机端船舶模型参数设置模块包括船模选择设置、主机转速设置、初始航向与初始航速设置；
所述的手机端综合信息显示系统负责对舵角、航向、航迹变化曲线的实时显示以及航向最优控制性能指标的计算。
本发明所述的无线通信方式包括移动网络通信方式和WIFI网络通信方式，根据手机网络连接情况对两种通信方式进行选择。
本发明所述的船舶运动数学模型的软件采用Matlab编程，之后通过MatlabCoder工具将其转换为嵌入式C语言，最终将其嵌入到QT开发环境中，所述的ARM端船舶模型参数设置模块和ARM端综合信息显示系统的软件采用QT环境开发。
本发明所述的手机端船舶模型参数设置模块和手机端综合信息显示系统的软件采用Java语言开发。
本发明所述的手机端模块采用USR-WIFI232-T Wi-Fi模块通过串口与ARM端模块连接，手机端模块与ARM端模块通过UDP/IP协议实现网络通信。
本发明所述的舵角产生与反馈装置中软件部分采用西门子PLC梯形图语言进行编写。
本发明所述的舵角产生及反馈装置包括步进电机、步进电机驱动器、PLC、舵角指示自整角机和两个舵角反馈自整角机，由PLC控制步进电机驱动器控制步进电机的转动。所述的步进电机为四相步进电机，所述的步进电机驱动器为两相驱动器，步进电机通过串联接法接成两相后与步进电机驱动器相连。
本发明的工作原理如下：
本发明由船舶自动舵、舵角产生与反馈装置、船舶运动数学模型、ARM端船舶模型参数设置模块、ARM端综合信息显示系统、手机端船舶模型参数设置模块和手机端综合信息显示系统七部分组成，通过建立船舶运动数学模型并在嵌入式设备ARM中实现，将解算出的航向数据实时的通过串口发送给船舶自动舵，使其得到航向反馈量；又通过PLC控制的步进电机模拟实际中的液压舵机带动舵角反馈器，使船舶自动舵得到与实际中一样电气特性的舵角反馈信号。这样船舶自动舵就获得了两个必要的反馈量，实现了船舶自动舵在陆地上的正常运转。在自动舵正常运转的基础上，手机端综合信息显示系统和ARM端综合信息显示系统同时采集自动舵和船舶运动模型的航向、航迹以及舵角数据信息并加以显示，检修人员在现场可通过ARM端综合信息显示系统完成对自动舵的检测；当检测人员不在现场时，则在远程通过手机端综合信息显示系统完成对自动舵的检测。
本发明的优点和有益效果是：
本发明可以实现船舶自动舵在陆地上正常运转，逼真地模拟船舶自动舵在实船上的工作状态，可方便的在现场以及远程对船舶自动舵运转时产生的信息进行采集，有利于科研单位、工厂在研制、生产和维修船舶自动舵时对船舶自动舵各项性能进行检测及评价，同时远程的检测实验又提高了工作效率。为更好地对船舶自动舵进行设计以及改进创造了更优的条件。同时，本发明还可模拟部分海上实验，可作为航海类院校培训学生的教学仪器。本发明的研制为从事于船舶自动舵相关工作的科研单位、工厂和航海类院校节省了大量的实船试验所需的人力物力开支，提高了工作效率。
附图说明
本发明仅有附图1张，其中：
图1是本发明的组成结构框图。
图中：1、船舶自动舵，2、舵角产生与反馈装置，3、船舶运动数学模型，4、ARM端船舶模型参数设置模块，5、ARM端综合信息显示系统，6、手机端船舶模型参数设置模块，7、手机端综合信息显示系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细地描述：
如图1所示，本发明的一种便携式船舶自动舵检测仿真系统，主要由船舶自动舵1、舵角产生与反馈装置2、船舶运动数学模型3、ARM端船舶模型参数设置模块4、ARM端综合信息显示系统5、手机端船舶模型参数设置模块6和手机端综合信息显示系统7七部分组成。下面对各部分进行详细描述：
一、船舶自动舵1
船舶自动舵1为被测对象，未做设计。
二、舵角产生与反馈装置2的设计与实现
舵角产生与反馈装置2由以下设备构成：一个步进电机、一个步进电机驱动器、一个PLC、一个舵角指示自整角机和两个舵角反馈自整角机，由PLC控制步进电机驱动器控制步进电机的转动。
本发明选用的步进电机为四相步进电机，对其驱动一般选用两相驱动器，那么首先要进行的是通过串联或者并联的方法将步进电机接成两相。串联接法选用在低转速的情况下，其特点是输出电流较小，因而电机发热少；并联接法选用在较高转速的情况下，输出电流相对较大，因而发热较大。根据舵机转动的缓慢性，此处选用串联接法。
在实际工作中，舵机转动时分单泵工作与双泵工作，单泵工作时，舵机的转动速度为2.3°/s～2.5°/s，双泵工作时，舵机的转动速度为4.7°/s～5°/s。为了使步进电机的转动速率与实际舵机的转动速率基本相同，此处将步进电机驱动器细分数设为18，那么细分步距角为1.8°/18＝0.1°，将脉冲周期设定为40ms，即每秒有25个脉冲，那么每秒转过的度数为25*0.1°＝2.5°。将脉冲周期设定为20ms，即每秒有50个脉冲，那么每秒转过的度数为50*0.1°＝5°。本发明通过PLC对步进电机进行逻辑控制，在设计PLC控制程序时，当舵机为单泵工作时令PLC输出脉冲周期为40ms，当舵机为双泵工作时令PLC输出脉冲周期为20ms。
此外，当舵角指示游标碰触到左(右)行程开关时，步进电机应立即停止，此逻辑也由PLC控制。
三、船舶运动数学模型3的设计与实现
船舶运动数学模型3是整个系统的核心，负责模拟实际船舶，解算得出航向。
本发明利用分离型建模思想，依据四艘不同类型船舶数据建立了复杂程度适宜、精度满足要求的船舶运动数学模型3。船舶运动数学模型3在Matlab中建立，并通过Matlab Coder的转换，生成了嵌入式C文件。将在Matlab中建立的四种类型的船舶模型均经过转换，得到四个C文件，通过ARM端船舶模型参数设置模块4或手机端船舶模型参数设置模块6对船舶类型进行选择，将选择的初始参数加载到哪个C文件中，并且从该文件中读取输出函数。每个C文件中均包含输入、输出接口函数，具体函数如下：
输入接口函数：
SetInitialSpeed(double InitialSpeed_data)； //设置初始航速
SetInitialCourse(double InitialCourse_data)； //设置初始航向
SetWindDirection(double WindDirection_data)； //设置风向
SetWindSpeed(double WindSpeed_data)； //设置风速
SetFlowDirection(double FlowDirection_data)； //设置流向
SetFlowSpeed(double CurrentSpeed_data)；//设置流速
SetWaveLevel(int WaveLevel_data)； //设置海浪等级
SetREngineSpeed(double REngineSpeed_data)；
//设置右主机转速
SetLEngineSpeed(double LEngineSpeed_data)；
//设置左主机转速
SetRudderAngle_StbdFromAutopilot(double m_dRudderA_Stbd)；
//设置舵角
输出接口函数：
GetShipCourse()； //获取航向
GetShipPosX()； //获取船舶X方向位置
GetShipPosY()； //获取船舶Y方向位置
此处将对利用Matlab Coder将Matlab文件转化为C文件的详细过程进行说明：
第一步：在Matlab编译船舶模型的过程中，将“％#Codegen”加到第一句的末端，此句的作用是通知该Matlab函数的作用是代码生成，此时需要使用Matlab Coder工具。
第二步：代码编译完成后，需进行对生成代码类型的设置，部分参数设置如下(1)定义Matlab函数中的数据类型和大小；(2)设置目标硬件为ARM；(3)选择生成C代码标准为C89/C90。
第三步：进行代码的转换，在转换过程中产生错误时，Matlab Coder会对其生成错误报告，此时，需根据错误报告对错误进行修正，通过不断地对错误进行修正、生成MEX函数。通过这种迭代检测Matlab算法是否满足代码生成要求的过程，生成C代码。
第四步：通过前面两个阶段的代码迭代调试，使用命令“CodegenConfigreportsfun_ship.Config(‘lib’)sfun_ship”生成最终的C代码和报告。
第五步：在最终生成的C文件中加入一些关键性的框架代码，比如输入输出接口、主程序等，即可将其加入到所建立的嵌入式C代码的工程中。
四、ARM端船舶模型参数设置模块4的设计与实现：
ARM端船舶模型参数设置模块3采用嵌入式Linux系统下的QT软件编写，该模块分为四部分：船模选择部分、主机转速设置部分、初始航向与初始航速设置部分以及海况设置部分，操作人员可在此模块输入船舶模型的初始运动参数以及进行船舶模型的选择等。通过船模选择部分，可对相应的转换后的船舶模型进行选择；输入的初始参数将通过输入接口函数传递给船舶运行数学模型。
五、ARM端综合信息显示系统5
ARM端的综合显示系统5主要负责对舵角，航向，航迹变化曲线的实时显示以及航向最优控制性能指标的计算。
本发明采用载入底图的方式为舵角、航向以及航迹建立用于图形显示的坐标系，舵角以及航向的横轴为时间轴，纵轴为数据大小，航迹图的坐标轴则显示了船舶距离出发点的位置信息。舵角数据由舵角反馈器给出，航向以及航迹的相关数据则由船舶数学模型计算得出，之后由船舶模型的输出接口函数输出，并根据载入的对应坐标系进行曲线的显示。
本发明还可以实现对自动舵二次性能指标的计算。在进行船舶运动实验时，待到航向稳定，点击二次性能指标计算按钮，便可在编辑框中显示该自动舵的二次性能指标。实现该功能的前提是获得设定航向、实际航向以及实际舵角，由于获得的上述数据均为离散的，所以要计算其定积分式需要数值积分的知识，这里采用插值型求积方法--牛顿-科特斯公式进行运算。
六、手机端船舶模型参数设置模块6的设计与实现：
与ARM端船舶模型参数设置模块4原理相同，同样分为四部分：船模选择部分、主机转速设置部分、初始航向与初始航速设置部分以及海况设置部分，用于为ARM中的船舶模型输入初始参数，而不同点则是手机端通过Java编写，并且这些初始参数只需在手机端输入文本框中进行提取，之后通过Wi-Fi传递给ARM中的船舶模型。
七、手机端综合信息显示系统7
手机端综合信息显示系统7主要负责在远程对舵角，航向，航迹变化曲线的实时显示以及航向最优控制性能指标的计算。
本发明与ARM端的综合显示系统5设计原理相同，同样是先设计好底图，但航向、航迹、舵角数据以及航向最优控制性能指标均是由ARM通过Wi-Fi传递给手机，手机接收到航向、航迹、舵角数据后按照对应坐标进行显示，最优控制性能指标则在点击计算后进行显示。

Claims (7)

1.一种便携式船舶自动舵检测系统，其特征在于：包括船舶自动舵(1)、舵角产生与反馈装置(2)、ARM端模块和手机端模块，所述的ARM端模块包括船舶运动数学模型(3)、ARM端船舶模型参数设置模块(4)和ARM端综合信息显示系统(5)，所述的手机端模块包括手机端船舶模型参数设置模块(6)和手机端综合信息显示系统(7)；
所述的船舶运动数学模型(3)分别通过串口通信方式与船舶自动舵(1)和舵角产生与反馈装置(2)实现数据的交换，船舶运动数学模型(3)分别通过串口通信方式与ARM端船舶模型参数设置模块(4)和ARM端综合信息显示系统(5)实现数据的交换，船舶运动数学模型(3)分别通过无线通信方式与手机端船舶模型参数设置模块(6)和手机端综合信息显示系统(7)实现数据的交换；所述的船舶自动舵(1)与舵角产生与反馈装置(2)双向连接；
所述的船舶运动数学模型(3)负责模拟实际船舶，解算得出航向；
所述的ARM端船舶模型参数设置模块(4)包括船模选择设置、主机转速设置、初始航向与初始航速设置；
所述的ARM端综合信息显示系统(5)负责对舵角、航向、航迹变化曲线的实时显示以及航向最优控制性能指标的计算；
所述的手机端船舶模型参数设置模块(6)包括船模选择设置、主机转速设置、初始航向与初始航速设置；
所述的手机端综合信息显示系统(7)负责对舵角、航向、航迹变化曲线的实时显示以及航向最优控制性能指标的计算。
2.根据权利要求1所述的一种便携式船舶自动舵检测系统，其特征在于：所述的无线通信方式包括移动网络通信方式和WIFI网络通信方式，根据手机网络连接情况对两种通信方式进行选择。
3.根据权利要求1所述的一种便携式船舶自动舵检测系统，其特征在于：所述的船舶运动数学模型(3)的软件采用Matlab编程，之后通过Matlab Coder工具将其转换为嵌入式C语言，最终将其嵌入到QT开发环境中，所述的ARM端船舶模型参数设置模块(4)和ARM端综合信息显示系统(5)的软件采用QT环境开发。
4.根据权利要求1所述的一种便携式船舶自动舵检测系统，其特征在于：所述的手机端船舶模型参数设置模块(6)和手机端综合信息显示系统(7)的软件采用Java语言开发。
5.根据权利要求1所述的一种便携式船舶自动舵检测系统，其特征在于：所述的手机端模块采用USR-WIFI232-T Wi-Fi模块通过串口与ARM端模块连接，手机端模块与ARM端模块通过UDP/IP协议实现网络通信。
6.根据权利要求1所述的一种便携式船舶自动舵检测系统，其特征在于：所述的舵角产生与反馈装置(2)中软件部分采用西门子PLC梯形图语言进行编写。
7.根据权利要求1所述的一种便携式船舶自动舵检测系统，其特征在于：所述的舵角产生及反馈装置包括步进电机、步进电机驱动器、PLC、舵角指示自整角机和两个舵角反馈自整角机，由PLC控制步进电机驱动器控制步进电机的转动；所述的步进电机为四相步进电机，所述的步进电机驱动器为两相驱动器，步进电机通过串联接法接成两相后与步进电机驱动器相连。
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