（机械制造及其自动化专业论文）浮体艏向调整系统的设计与实现.pdf

1 分类号： udc ： 密级： 编号： 工学硕士学位论文 浮体艏向调整系统的设计与实现 硕士研究生：王冬东 指导教师：薛开教授 学位级别：工学硕士 学科专业：机械制造及其自动化 所在单位：机电工程学院 论文提交日期：2 0 1 0 年2 月 论文答辩日期：2 0 1 0 年3 月 学位授予单位：哈尔滨工程大学 i c l a s si f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a t i o nf o r t h ed e g r e eo fm e n g d esig na n dr e a liza tio no ff lo a tin g b o d yh e a d i n gm o d u l a ti n gs y s t e m c a n di d a t e ：w a n gd o n g d o n g s u p e r v i s o r ：p r o f x u ek a i a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n d a t eo fs u b m is s i o n ：f e b r u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y tli 7_ i yi 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：王瓢 日期：1 口j 夕年；月js 侣 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 团在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存 作者( 签字) ：l 冬奇， 导师( 签字) ： 日期：善p o 年月7 s 旧z 夕扣年；月；日 哈尔滨丁稗大学硕十学何论文 i|1 手两要 由于风力、海流等引起海上浮体漂移、旋转，使得浮体所搭载设备的指 向偏移过大，造成设备不能正常工作。本课题旨在设计和实现一套浮体艏向 调整系统。使浮体在单点系锚的情况下具有遥控操作和自动艏向保持的功能， 从而保证其搭载设备稳定工作。 根据浮体的工作环境，选择舷外机作为定向系统的侧推装置。并设计了 一个转向机构，使舷外机能够在水平面1 8 0 度范围内产生推力，控制浮体的 运动，从而使舷外机具有类似z 型推进器的功能。艏向调整系统采用分层结 构，分为定向侧推子系统和遥测遥控子系统两个部分。前者位于浮体之上， 以定向侧推控制器为核心，实现侧推器的水平转向、油门调节和档位选择等 动作以及船载设备工作状态的实时记录和数据传输。后者以多机数据通信装 置为核心，依靠数传电台或北斗用户机，负责路基指控中心与船载设备的无 线通信并实现自动艏向控制逻辑。 系统实现了手动控制和自动控制两种工作模式，手动模式下由上位计算 机的人机界面发出控制指令，经过遥测遥控系统的解码分析，迸一步下发给 定向侧推控制器，执行指令规定的动作和反馈系统的状态信息。自动模式下 由船载多机通信装置根据采集的艏向以及舷外机状态，与上位计算机设定的 艏向进行比较得出偏差及偏差变化率，根据设计的模糊控制算法，查表输出 相应的控制量给定向侧推控制器，控制浮体的运动。 采用查表法设计了浮体艏向保持的模糊控制器，以浮体艏向的偏差及偏 差变化率作为输入，根据模型实验测得的数据，结合相关的控制经验设计系 统的模糊控制规则，输出舷外机的油门控制信息，控制浮体的运动，实现浮 体艏向自动保持。 关键词：动力定位；舷外机；模糊控制；遥测遥控 t 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 a bs t r a c t b e c a u s eo ft h ew i n da n do c e a nc u r r e n t ，t h es e af l o a t i n gb o d ya l w a y sr e m o v e s a n dr o t a t e si nd i s o r d e r a sar e s u l t ，t h ee q u i p m e n to nt h ep l a t f o r r nc a n tw o r k r e g u l a r l yd u et ot h ei n c o r r e c to r i e n t a t i o n t h i sr e s e a r c hi sa i m e da tt h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no ff l o a t i n gb o d yh e a d i n gm o d u l a t i n gs y s t e mo nt h es e a i nt h i ss y s t e m ， t h es i n g l ea n c h o rf l o a t i n gb o d yc a r lo r i e n t a t ei nm a n u a lo ra u t o m a t i cm o d et o m a k es u r et h a tt h ec a r r i e df a c i l i t yc o u l dw o r kp r o p e r l y a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n ge n v i r o n m e n to ft h eb o d y , d y n a m i c sa n a l y s i sa n d p o w e rc a l c u l a t i o ni sa c c o m p l i s h e db a s e do nt h es h i pm o d e lt a n ke x p e r i m e n t t h e f l o a t i n gb o d yh a sa no u t b o a r de n g i n ea si t ss i d ep u s h i n gd e v i c ew i t has t e e r i n g m e c h a n i s mw h i c hc o u l dc o n t r o lt h eh a l f - c i r c l em o v e m e n to ft h ed e v i c ei n h o r i z o n t a l ，b es i m i l a rt ot h ez - p r o p e l l e r t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi sc o m p r i s e db yt w os u b s y s t e m s ：t h eo n ei sc a l l e d s i d ep u s h i n gs y s t e mw h i c hi sl o c a t e do nt h ef l o a t i n gb o d yi no r d e rt oc o n t r o lt h e m o v e m e n t so ft h eo u t b o a r de n g i n e ，s u c ha st u r n i n g ，t h r o t t l ea d j u s t m e n ta n dg e a r s e l e c t i o n ，a sw e l la sg a t h e rt h ei n f o r m a t i o no ft h es h i p b o a r de q u i p m e n tw o r k i n g s t a t ea n dt h eh e a d i n go f p l a t f o r m ；t h eo t h e ri sr e m o t ei n s p e c ta n dc o n t r o ls y s t e m w h i c hh a sac o r ed e v i c en a m e da s m u l t i p l es e r i a lu n i t i ti su s e df o rd a t a p r o c e s s i n ga n dt r a n s m i t t i n gb a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nd e v i c e ，a sw e l la s r e a l i z i n gt h ea u t o m a t i cc o n t r o ll o g i cb a s e do nf u z z yc o n t r o lt h e o r y m a n u a lo p e r a t i n ga n da u t o m a t i ch e a d i n gk e e p i n gi st h ek e yf u n c t i o no ft h e o r i e n t a t i o ns y s t e m t h et r a d i t i o n a lc o n t r o la l g o r i t h mn e e d s p r e c i s em a t h e m a t i c c o n t r o lm o d u l e ，b u tt h ec o n t r o lm o d u l eo faf l o a t i n gb o d yi sh a r dt oc o n s t r u c t ，s o t h ef u z z yc o n t r o li s a p p l i e d ，w h i c hi sm a i n l yb a s e do nt h eo p e r a t i n ge x p e r i e n c e s o m ee x p e r i m e n t si sa c t u a l i z e dt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e s y s t e m ，i tp r o v e st h a tt h ed e s i g n e dc o n t r o lm e t h o di sp r a c t i c a b l e k e y w o r d s ：d p s ；o u t b o a r de n g i n e ；f u z z yc o n t r o l ；r e m o t ei n s p e c ta n dc o n t r o l 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 国内外动力定向系统研究现状2 1 2 1 国外动力定向系统2 1 2 2 国内动力定向系统：5 1 3 论文主要研究内容7 第2 章系统总体设计8 2 1 引言8 2 2 设计目标及原则8 2 2 1 系统设计目标8 2 2 2 系统设计原则8 2 3 系统总体架构9 2 3 1 定向侧推分系统1 0 2 3 2 遥测遥控分系统1 2 2 4 机械结构设计1 3 2 4 1 转向机构设计1 3 2 4 2 线控机构设计1 4 2 5 电磁兼容性及抗干扰措施15 2 6 本章小结1 6 第3 章定向侧推分系统设计1 7 3 1 引言1 7 3 2 系统工作原理1 7 3 2 1 工作模式18 3 2 2 工作流程18 3 3 执行机构控制2 2 3 3 1 机构初始化2 2 3 3 2 舷外机转向控制2 2 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 3 3 3 油门和档位控制2 3 3 3 4 点火及风门控制2 5 3 3 5 舷外机升降控制2 5 3 4 系统数据采集：2 6 3 4 1 发动机转速检测2 6 3 4 2 转向臂位置信号采集2 7 3 4 3 电量和油量信号检测2 8 3 4 4 舷外机升降信号采集2 8 3 4 5 舷外机故障信号采集3 0 3 4 6 浮体方位信息采集31 3 5 数据实时记录3 3 3 6 本章小结3 6 第4 章遥测遥控分系统设计。3 7 4 1 引言3 7 4 2 多通道数据通信3 7 4 2 1 异步串行通信组件3 8 4 2 2 串口扩展电路设计3 9 4 2 3 串口扩展软件设计4 3 4 3 系统通信协议4 5 4 4 控制显示界面4 7 4 5 数学分析与算法4 8 4 5 1 运动数学分析4 8 4 5 2 控制方法选择51 4 6 自动艏向模糊控制器设计5 2 4 6 1 模糊控制器的结构设计5 3 4 6 2 模糊变量的论域及隶属函数5 4 4 6 3 确定模糊控制规则5 8 4 6 4 建立模糊控制查询表6 0 4 6 5 模糊控制的结果6 2 4 7 本章小结6 3 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 第5 章系统安装与调试6 4 5 1 引言6 4 5 2 通信功能测试6 4 5 2 1 数传电台通信测试6 4 5 2 2 北斗用户机通信测试6 5 5 3 执行机构调试6 6 5 3 1 电源电压检测6 6 5 3 2 脉冲输出与油门档位控制6 7 5 3 3 编码器信号检测与转向控制6 8 5 3 4 模拟量输入与升降控制6 9 5 4 系统联合调试。7 1 5 5 本章小结7 4 结沦7 5 参考文献7 6 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果8 0 致谢8 1 附录8 2 、 kir，怕卜ill 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 浮体艏向调整系统的设计与实现是基于实际项目，为满足特定用户的特 殊需求而开展的。本课题旨在设计一套动力定向系统，可使浮体在手动或者 自动工作方式下，一定的海洋环境中保持设定的艏向范围。 海上浮体亦称活动平台在外界干扰力如风力、波浪、海流等影响下，容 易发生漂移和旋转，使得平台上所搭载设备的指向发生偏移，偏移量如果超 过允许的范围，就会造成设备不能正常地工作【1 1 。艏向调整系统在程序的控 制下，依据一定的控制算法进行分析计算，控制侧推装置产生适当的推力与 力矩，以抵消扰动力，控制活动平台的偏移量在允许的范围之内，实现活动 平台的精确定向，从而保证其搭载设备稳定正常地工作。 浮体动力定位技术是一种集现代控制理论、计算机技术、通讯技术、船 舶流体力学、船舶结构设计、人工智能、以及近代电力推进技术的跨学科高 新技术【2 】。国外对船舶动力定位技术的研究在六十年代就开始了，目前是一 种比较成熟的技术，被广泛应用于多种类型的工程船舶及军用辅助船上，如 海洋科学考察船、钻井船等，大大提高了这些船舶的深海作业能力【3 】。 动力定位系统辅助推力装置的型式一般有侧向推力器和全回转推力器两 种。侧向推力器需要在活动平台上开设隧道口，对海上平台本体结构影响较 大，而且只能产生横向推力。全回转推力装置能够产生平面内任意方向的推 力，具有良好的控制特性和水动力性能。但是国内尚不能够生产，进口价格 较高，而且控制系统的设计也较为复杂【4 1 。 侧向推进装置由于具有迅速而准确的操纵性能，现如今已得到了广泛的 应用。随着海洋工程和海洋石油的开发，越来越多的海上活动平台，面对各 种恶劣海况，为了准确可靠地定向，更多地采用了可调距侧推器【5 1 。在本设 计中，为了实现海上活动平台的准确定向，要求侧推装置简单可靠，动作迅 i - i 忙h o - 哈尔滨- r 程大学硕十学位论文 i s 速，低成本并且易于实现自动控制。因此采用了舷外机作为侧推装置，并且 使舷外机的点火、油门及档位调节、转向以及抬起等动作，经过遥控遥测系 统的指令解析和分发，在定向侧推控制器的控制下进行。 选用船外机作为实现海上活动平台艏向调整的动力设备。是因为其体积 小，重量轻，功率大，结构及安装简单，并且在小型高速纤维增强塑料( 玻 璃钢) 船上，已经得到了成熟的应用。可以部分实现全回转装置的功能，转 向装置的设计也较为简单，对平台结构影响较小，转向动作可以迅速完成， 而且具有良好的水动力特性，易于实现自动控制。 1 2 国内外动力定向系统研究现状 1 2 1 国外动力定向系统 船舶动力定位系统近年来在国外发展十分迅猛，在军民用特种船舶上均 获得了广泛应用。据不完全统计，7 0 年代末期全世界装备动力定位系统的船 舶与海上平台不超过3 0 艘，到2 0 0 0 年底却超过了1 0 0 0 艘，而到2 0 0 2 年底 超过了1 2 0 0 艘。自1 9 7 7 年挪威船级社首先发布了船舶动力定位规范后，在 9 0 年代中后期，国外各大船级社均先后制定了相应规范【4 1 。 动力定位系统首先应用于海上石油钻探船、有缆遥控水下潜航器( r o v ) 母船、消防船等需要深海定点作业的特种船舶。从8 0 年代开始，广泛应用于 海洋考察船、钻探船、打捞船、采矿船、布缆船、敷管船、挖泥船、消防船、 起重船、潜水支持船、浮式采储油系统( f p s o ) 、海上供应船、特种工作船、 高级游船、穿梭油轮等特种船舶。在军事方面已应用于布雷舰、扫雷舰、侦 察船、航海保障调查船、潜艇母船、救助船、海上补给船等舰船1 4 。图1 1 所 示为采用了动力定位技术的海上活动钻井平台。 美国n a u t r o n i x 公司的a s k 5 0 0 2 系统是当今世界上最先进的动位定 位系统之一。a s k 5 0 0 2 动力定位系统除配备性能稳定，经久耐用的计算机和 数据处理单元外，还配备具有世界先进水平的差分全球卫星定位系统 ( d g p s ) 、水声定位系统和激光定位系统等传感器系统，具备综合手动控制、 2 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 自动艏向控制、自动位置控制、自动区域控制、r o v 跟踪等1 4 种控制功能， 可以在全球任何海域为用户提供准确的动力定位服务。目前，美国诺成海洋 技术有限公司已经研制出更先进的d p 3 ，并且已经在军事等重要领域得到优 先应用。此外，a s k 5 0 0 2 系统配备两个d p 控制台( 双备份) ，一旦其中一个 d p 控制台出现故障，另一个d p 控制台即可自行启动，以保证定位作业能连 续可靠地进行 5 1 。 动力定位系统主要关心船舶在水平面内三个自由度的运动：纵摇、横摇 和艏摇，因此通常需要三组推力器，提供三个方向的平衡力与力矩【_ 丌。严格 地说，在船艉布置两只全方位推力器是可以产生三个自由度的力与力矩的， 但为了保持力的平衡，仅能提供很小的横向力与力矩【5 1 。 图1 1 动力定位钻井平台 动力定位系统通常可以分成两大部分：测量控制部分与推力装置部分。 测量控制部分一般包括差分g p s 、电罗经、船舶运动参考单元、风向风速传 感器、激光定位装置、水下超短基线声学定位装置等测量设备，以及控制计 算机、操作控制台等外设；推力装置部分包括主推进器、舵、艏艉辅助推力 3 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 装置，侧向推力器与全回转推力器 6 1 。 动力定位系统辅助推力装置的型式一般有侧推力器和全回转推力器两 种，两者各有其优缺点。侧向推力器的优点是结构简单、装船方便、价格较 低，缺点是只能产生横向推力。船舶前进时横向推力大幅度下降，且艏部横向 隧道口可能会产生涡流与气泡，不仅影响前进航速，而且对船体水下部分的 多波束、a d c p 、浅剖、超短基线等声学探测设备换能器的正常工作也会产 生不利影响【7 1 。 全回转推进装置能在3 6 0 0 范围内任意方向产生推力；与同等功率的侧向 推进器相比较，全回转推进装置由于装有收缩导流管，产生的推力更大；船 艏部若采用伸缩式全回转推力装置，可大大减小对声学设备工作的影响。侧 向推力器与全回转推进装置均有固定螺距与可调螺距两种。其原动机可采用 电动机或柴油机，两者均可通过改变螺距或改变转速来改变推力【8 1 。 国外海洋考察船多采用伸缩式全回转推进器与侧向推进器相结合的方 式。可以大大减小对多波束声学调查设备工作的影响。在船体机构上，不需 要增设球鼻首，减少了船体改造的工作量。但在布置上有一定困难，占用的 艏部舱室面积较大，且设备总重量也有明显的增加。在设计工作中经过努力， 此难题可以解决。该方案电力负荷增加不多而推力增加不少，这是由于全回 转推力器装有流线型收缩导流管，效率更高，产生的推力更大。通常，全回 转推力器每千瓦输入功率产生的推力要比隧道式侧推器大2 0 2 5 。与艏艉 都采用侧向推进装置的形式相比，艏部推力器的电力负荷只增加了5 ，而 推力却增加了2 6 3 。这使动力定位系统的控位能力有了一定的储割9 1 。 更为重要的是全回转推进器可以在平面内任意方向上产生推力，而且收 缩导流管出口水流速度较高，船舶前进速度产生的不利影响很小，因此特别 适合于船舶的r o v 跟踪与航迹保持工况。对于采用全回转推力器来说，定 距桨操纵机动性较差的缺点不复存在。因为全回转推力器改变推力方向通常 只需1 0 s ，而调距桨通常需要2 0 3 0 s 。因此，定螺距全回转推力器的操纵机动 性优于调距桨【1 0 】。 4 卜一一。h 哈尔滨丁稗大学硕十学位论文 挪威著名的k o n g s b e r gs i m r a d 公司开发了一项新产品一绿色动力定位系 统( g r e e n d p ) ，将非线性模型预测控制( n m p c ) 技术成功地引入到动力定 位系统中。g r e e n d p 控制器由两部分组成：环境补偿器和模型预测控制器。 环境补偿器的设计是为了提供一个缓慢变化的推力指令来补偿一般的环境作 用力。和传统的动力定位控制器相比，它有更为缓慢和光滑的响应。该指令 尽管是在一般环境下保持想要的位置，但对变化环境的反应也很理想。这样， 就使功率消耗更加稳定，减少了推力器的使用。该动力定位船舶在正常作业 期间，当外部环境的作用力变化不大，船位于工作区边界以内时，仅需一个 基于q l 理论的动力定位最优控制器e c 产生缓慢变化的推力指令来补偿平 均环境作用力。当外部作用力突然发生变化，如阵风等作用时，船舶不会马 上做出反应，这样减少了没必要的推力器损耗，但是，一旦预测模型预测的 船舶运动轨迹超出工作区或操作区，n m p c 控制器就会迅速产生作用，由这 两个控制器联合作用，产生最优的动态推力使预测轨迹尽可能地接近工作区 边界，而不使船超出约束边界，这样的设计不但可以使船舶能充分地满足作 业的要求，还可以获得节约燃料的收益 1 1 , 1 2 】。 1 2 2 国内动力定向系统 动力定位技术在我国也引起了重视，不少高等院校开展了系统的理论研 究，有的院所结合实际课题开展了技术攻关并研制出了样机，在小型船舶上 开始试验应用。中国船级社也在近期完成了动力定位规范的编写。 国内第一艘自行设计的设置动力定位系统的无限航区大型船舶是远洋科 学考察船“大洋一号 ，它是我国专门从事国际海底资源勘查研究的远洋科 学考察船，如图1 2 所示。该船于2 0 0 2 年进行了高起点的增改装工程，大大 提高了全船的技术水平，成为达到国际先进水平的现代化综合性科学考察船。 其增改装工程中最重要的内容之一便是增设动力定位系统，以满足科学调查 作业的需要。“大洋一号 船主要进行的是深海调查探测。能在3 0 0 0 米深海 底进行钻探取样，在4 0 0 0 米深的海底采集沉积物样品，探测6 0 0 0 米深的海 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 底地形、地貌与浅地层结构。由于是深海作业，该船动力定位精度为4 0 米， 垂直偏角仅3 47 。该船动力定位系统已成功地达到了预定目标，其技术指标 超过了预定要求【6 1 。 图1 2 大洋一号远洋科考船 “中国海监8 3 ”船上装有先进的动力定位系统，该系统能使船舶自动保 持在海上某一固定位置、船艏向保持在一个固定的方向上，在风力7 级和1 5 节流的边界环境条件下连续工作，定位精度在1 5 米的范围之内，艏向精度 在1 9 0 之内。对于不同的应用要求，动力定位系统有不同的组成，主要体 现在控制台数量和传感器的种类、数量的选取等方面【1 2 】。“中国海监8 3 船 动力定位系统采用了符合国际海事组织动力定位i 级标准的双冗余系统，即 有两套控制机柜和操控台等，当其中一套发生故障时，另一套可以完全替代 工作，提高了船舶动力定位作业的可靠性【1 3 】。 “中国海监8 3 船上采用的是“绿色动力定位 系统，该系统具有节省 燃油、降低船舶机械磨损、环保和定位精度高的特点，在我国特种船舶中尚 属首例。在绿色控制模式下，本船动力定位系统的工作模式也有所不同，会 根据不同情况选择不同的工作模式，应用非常方便，能够满足各类海上作业 对于精确性的需求【”l 。 哈尔滨工程大学从7 0 年代开始在国内率先进行了船舶动力定位这一领 6 哈尔滨下程大学硕十学何论文 域的研究。1 9 8 3 年边信黔教授首次在国内提出研究动力定位技术，1 9 9 8 年， 中国首套动力定位系统在哈尔滨工程大学研制成功。该系统应用了差分全球 定位系统，数字滤波技术，以及最优控制理论等先进技术，使其定位精度在 几米之内。主要成果及产品还有：“鱼鹰i 号潜器自动定深及浮力均衡系统、 某深潜救生艇四自由度动力定位系统、“蓝鲸号”深潜器缆控与综控系统、某 r o v 工作母船动力定位系统等。经过几十年的潜心研究和工程实践，已经取 得了令人瞩目的成就，填补了国内许多空白，达到了国际先进水平【1 4 】。 1 3 论文主要研究内容 本设计结合实际项目，旨在设计和实现海上活动平台在单点系锚情况下 的艏向调整和保持。其主要工作内容如下： ( 1 ) 根据系统所要实现的功能以及实际工作环境，选择浮体的位置和艏向 测量装置，路基计算机和船载控制器之间的通信装置，浮体的推进装置和转 向机构，设计艏向调整系统总体架构。 ( 2 ) 完成基于d s p 的定向侧推控制器以及数据记录仪的硬件研制和软件 编写。以实现侧推器的转向等动作以及船载设备工作状态的实时记录和数据 传输。整合各功能部件，设计定向侧推分系统。 ( 3 ) 设计多机数据通信装置的硬件电路，基于数传电台和北斗用户机，编 程实现多通道、多批量数据的远距离无线传输。整合各通信装置和设备，设 计综合遥控遥测分系统。 ( 4 ) 鉴于浮体动力定向的特点，无法为其建立复杂环境下的精确数学模 型，为此利用模糊控制技术，研究浮体在自动工作方式下的艏向保持算法， 编写调试算法程序，设计自动艏向保持模糊控制器。 ( 5 ) 安装与调试整套系统。以实现侧推器的各个动作执行以及岸基计算机 和定向侧推分系统之间的数据通信，从而实现设计目的和满足项目要求。 7 哈尔滨下稃大学硕十学侍论文 第2 章系统总体设计 2 1 引言 艏向调整系统的总体设计是整个设计过程中最为重要的环节。总体架构 设计的优劣直接影响到浮体艏向调整和保持的总体性能。根据系统所要实现 的功能以及现有技术水平，为满足用户需求和未来技术升级提出了系统设计 的原则及目标，给出了艏向调整系统的总体架构。其主要包括定向侧推分系 统和综合遥控遥测分系统的设计与实现，以及机械结构的设计。其中又分别 须进行硬件设计和软件编码及调试。 2 2 设计目标及原则 2 2 1 系统设计目标 根据设计要求，浮体艏向调整系统分为定向侧推分系统和遥测遥控分系 统。各分系统要实现的功能如下： ( 1 ) 定向侧推分系统具有位置和艏向测量功能；具有接收其它装备航向信 息的功能；具有实时记录浮体状态功能；具有艏向调整的功能。 ( 2 ) 遥测遥控分系统具有将工作指令分发到船载装备以控制开关机和参 数远程设置的功能；具有实时接收信息、显示船载装备工作状态的功能；具 有与路基计算机的远程信息交换功能；具有实现自动控制逻辑的功能。 2 2 2 系统设计原则 系统的设计开发要在满足实际需求的基础上，注重整体系统的可靠性和 安全性，从总体角度来讲，设计过程中应遵循以下几个原则： ( 1 ) 系统的通用性 艏向调整系统的通用性是针对特殊用户，为满足特定要求而言的。海上 活动平台作为系统的载体，本身有数套方案和不同的使用要求，也有不同的 8 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 其他船载智能设备与之互联，并为将来的应用做升级准备。这就要求对系统 进行模块化设计，分别进行定向侧推系统和遥控遥测系统的设计开发，再细 化设计具体的硬件模块和软件模块，应用模块无需经过任何改变就可以应用 于另一个平台，仍然保持其原有特性和功能。 ( 2 ) 系统的标准化 标准化是科研、生产、使用三者之间的桥梁，其主要目的在于为了其预 期目的改进产品过程或服务的适用性【”】。艏向调整系统的标准化包括信号的 标准化、结构参数的标准化、用户接口的标准化以及通讯接口的标准化等。 ( 3 ) 系统的可靠性 系统的可靠性模型为一个串连模型，即各分系统中任一单元失效就会导 致整个系统失效f 1 6 1 。因此，为保证系统可靠性，压缩机械零部件以及电气连 接件和元器件数量是必要的。在设计过程当中，分阶段检验各模块功能，合 格后方可进入下一个环节。 ( 4 ) 系统的安全性 转向机构可驱动舷外机实现一9 0 0 + 9 0 0 范围内的旋转，在极限位置时必 须停止，以免撞到安装支架。此处有三种防护措施：其一，通过绝对式编码 器测量转向臂转角，当达到+ 9 0 0 极限位置时，由软件控制直流电机停转；其 二，通过接近传感器测量转动臂的位置，当超过+ 9 0 0 位置时，发出停转信号； 其三，通过机械挡块限位使得转动臂的位置不能超过接近开关检测位置外更 大的位置。这些措施将有力地避免舷外机碰到油箱等危险设施。 2 3 系统总体架构 系统主要包含两个部分：一个是位于浮体之上的定向侧推控制系统，在 路基计算机控制下保持设定的艏向，或者按照给定的指令执行动作；其二是 分设于陆地和浮体的综合遥测遥控分系统，主要是指数传电台，北斗用户机， g p s 和惯性导航装置以及实现多通道数据接收、处理和分发的多机通讯装置， 控制计算机用于显示人机操作界面，发送远程遥控指令并接收定向侧推系统 9 f h _ 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i 反馈的状态信息。艏向调整系统及其所服务的海上活动平台如图2 1 所示。 7 。7 、71 。7 、_ 。1 。7 、” 一f 一一 背o7 旷 纱 j r 一 一 一 气f 】弋 - 一 专 k ， 一 一 一 蒯m ：。二机油箱 图2 1 海上浮体示意图 要实现浮体的远程遥控，两个系统之间需要进行通信。由于是海上通信 且通信距离较远，采用了无线通信技术。系统通信数据量不大，而且都是字 符数据，采用数传电台就可以满足使用要求。北斗用户机作为冗余设计，是 数传电台的备份。浮体需要穿越渔场，推进器需要有抬起的功能，以防鱼网 挂伤。为了缩短研制周期，采用舷外机作为浮体的动力源。考虑测量精度及 使用要求，方位测量采用g p s i n s 组合导航系统。 2 3 1 定向侧推分系统 定向侧推分系统由舷外机、舷外机控制单元( 包括转向机构、油门档位 调节机构、定向侧推控制器、伺服驱动单元等) 、g p s 位置航向测量单元、数 据记录仪、电源等组成，如图2 2 所示。 为了提高系统的可靠性，便于维护，采用了模块化设计方法。系统按照 1 0 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 功能分为以下几个模块：定向侧推主控制器，位置测量模块，数据记录模块， 执行机构，电源模块。各部分主要功能如下。 数传电台或 北斗用户机 羽眺i l | | | 舷外机发i i 舷外机i i 舷外机i i 舷外机i l 电池 动机转速i i 升降过热| l 油量i l 电量 霍銎薪囊量卜= 麟信控制装置l 。li 监毪早兀 g p s 位置航向 测量单元 意璺i 数据 型磐i 器蒺 控型i 蓬苦 器l “ 数据记 录仪 信号放 大模块 图2 2 定向侧推控制系统架构 定向侧推主控制器：以d s p 为核心处理器，通过通信模块接收来自路基 计算机的指令，按照约定的通信协议对指令进行解码，并控制执行机构完成 具体指令的执行。通过传感器模块采集系统的位置姿态信息及系统的各种状 态信息，根据指令反馈系统状态信息以便上位计算机进行显示。同时将各种 状态数据及执行过的指令，发送到数据保存模块进行保存。接收船载多机装 置的指令实现浮体艏向的自动保持功能。 传感器模块：由g p s i n s 模块，接近开关，行程开关等装置组成。g p s i n s 模块用于获取浮体的位置航向信息。接近开关用于转向机构的第二级软件行 程限制，防止由于编码器发生错误或者其它意外情况损坏机械系统。行程开 关用于获取油门档位的位置信号或行程限制。传感器模块同时也为数据记录 模块提供实时状态信息。 数据记录模块：保存系统工作过程中的各种数据，如执行过的指令，浮 体的艏向位置，各个执行部件的位置，船外机的运行状况等信息。可以根据 记录的数据，离线查看系统运行的整个过程和状态。便于事后对数据进行分 螈一耿一肌i|鞠il扪一敞一搬 哈尔溟t 稗大学硕十学何论文 析研究。其作用类似于通用航空航海系统中的黑匣子。 执行机构：主要由分布在各个位置的电机和执行部件组成，包括油门档 位控制步进电机及其驱动器，油门档位电动推杆及轴向刚性拉索，转向控制 直流电机，蜗轮蜗杆减速器，转向臂，升降液压动作筒，点火、电源、风门 电磁阀等。执行器负责具体指令动作的最终实现。 电源模块：由蓄电池，稳压器等构成，其中蓄电池提供的直流1 2 v 电源 用于船外机点火，以及船外机自带电子设备如电磁阀的供电，直流2 4 v 电源 用于转向电机和步进电机的供电，并且作为直流稳压电源的输入，输出给其 他需要恒定工作电压的电子设备。 2 3 2 遥测遥控分系统 遥测遥控分系统由遥测遥控地面站和遥测遥控船载站组成。遥测遥控地 面站由遥控终端、多机数据通信控制装置、数传电台、北斗用户机、油机、 u p s 电源等组成；遥测遥控船载站由数传电台、北斗用户机、多机数据通信 控制装置、数据下载笔记本电脑、电源、船载装备接口适配装置等组成，如 图2 3 所示。 ：遥测遥控地面站i 遥 l p c _ - 1 一警鲁 控 i p c j - 2 终 y - 3 多机 端 i p c 4 数据 5 通信 a 6 控制：北斗 7 装置叫甭；r 几 8 1 一 数传 2- 电台r 多机 3一 数据 4 - j b通信 5_ 控制 装置 6_ 7 用户机i 一 8 遥测遥控船载站 图2 3 遥测遥控系统架构 多机数据通信控制装置是为解决多批量、多通道数据接收、解码及分发 而设计。其内嵌c p u 为t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，片内两个s c i 端口分别作为数传电 1 2 船载设备 一 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 i i 台和北斗用户机的无线通信连接口。基于t l l 6 c 5 5 4 的扩展端口共有八个， 船载机端口连接至各船载智能设备，如定向侧推控制器。路基型端口连接至 遥控终端，如工控机，监控计算机，打印机等。 数传电台p d l 3 5 是一种专用的差分定位数据链，专为测量系统设计。采 用新型的无线m o d e m ，广泛应用于各种r t k 、d g p s 系统中。它操作简单， 可靠性高，应用于各种恶劣的环境。高达1 9 2 0 0 b i t s 的波特率无线传输速率， 方便的用户界面，野外可显示工作状态，更换频道简易，适于全天候使用【1 7 】。 北斗一号卫星导航定位系统是我国自行研制的第一代卫星定位通信系 统。它是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时 服务的一种新型、全天候、区域性的卫星导航定位系统，该系统可以实现各 用户之间、用户与中心控制站间的简短报文通信。该系统属于有源定位系统。 用户机需要在捕获卫星信号后发射定位申请指令，才能够得到由中心控制站 计算得到的定位信息。该系统提供了简短报文通信功能，从而使用户机与中 心站、用户机与用户机之间可以进行数据通信，极大地扩展了系统的应用范 围。除此之外，“北斗一号 系统还具备定时授时功能【1 8 】。 2 4 机械结构设计 2 4 1 转向机构设计 转向机构主要由固定臂、转动臂、一个转轴、两个铜套、一个推力轴承 等部件组成。转动臂通过转轴与固定臂上镶的两个铜套形成转动副，固定臂 与转动臂上臂连接处装有推力轴承，用于承托舷外机及转动臂的重量，并在 支撑面处形成滚动磨擦。舷外机挂在转动臂上，用4 个螺栓与转动臂连接， 固定臂安装在与浮体两浮筒间横梁上的钢板滑槽内，并用螺栓固定其上下位 置。转向机构如图2 4 和图2 5 所示。 驱动装置主要由直流电机、齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器组成。直流电 机转动，通过两级减速器传给转轴，转轴通过键与转动臂连接，从而带动转 动臂及其上的舷外机一起转动。蜗轮蜗杆减速器具有自锁功能，当舷外机转 l3 哈尔滨丁稗大学硕十学何论文 到某一位置