馮燕爾，張玉蓮

(浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316021)

任何船體水線以下的船殼及螺旋槳都會生長海生物，海生物的附著將會嚴(yán)重降低航速、增加燃料成本，如何在船不進(jìn)船塢時(shí)將附在船體外殼上的海生物清洗掉已經(jīng)成為一個(gè)熱門的話題［1］。目前開發(fā)出較為先進(jìn)的智能船舶清洗裝置，叫水下清洗機(jī)器人，設(shè)備成本大，適用于大型船舶的清洗，一般只適應(yīng)于收益較大的船舶企業(yè)使用［2］，小型船舶難以承受巨大的清洗費(fèi)用。清洗裝置難以實(shí)現(xiàn)大眾化、全面化、產(chǎn)業(yè)化。為了使清洗設(shè)備既簡單，自動化程度又較高，可以設(shè)計(jì)簡易的清洗設(shè)備。本文設(shè)計(jì)了簡易清洗裝置的電氣控制系統(tǒng)，主要采用單片機(jī)控制液壓馬達(dá)驅(qū)動爬行機(jī)構(gòu)及紅外對射自動調(diào)整葉片高度，使裝置吸附在船殼上清洗時(shí)的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、清刷頭的自動提升和下降等動作在人 (在岸上)的控制下自動完成，清洗設(shè)備既能洗掉附在船殼上的海生物，又能不刮傷船殼表面的油漆。電路系統(tǒng)通過軟件的仿真，使設(shè)備能實(shí)現(xiàn)體積小、調(diào)節(jié)方便運(yùn)作可靠等特點(diǎn)，一定程度上彌補(bǔ)了現(xiàn)有水下清洗設(shè)備復(fù)雜昂貴的缺點(diǎn)。

1 工作原理

船舶水下液壓驅(qū)動清洗設(shè)備是一種半自動化、操作簡易的設(shè)備?？筛鶕?jù)需要隨時(shí)隨地進(jìn)行水下船體表面的清洗，清洗設(shè)備爬行機(jī)構(gòu)控制部分的設(shè)計(jì)思路主要從硬件與軟件著手，硬件方面從基本的電源部分入手，第一部分設(shè)計(jì)出整個(gè)爬行運(yùn)動機(jī)構(gòu)所需的各種電源電壓等級，第二部分加入了對電機(jī)選型的研究，其中包括直流減速電機(jī)的選型，液壓馬達(dá)型號選擇，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)狀態(tài)等，用繼電器、放大電路來實(shí)現(xiàn)。軟件控制方面，加入對程序控制過程的設(shè)計(jì)，考慮外部信號的輸入，達(dá)到準(zhǔn)確信號的檢測，輸出控制信號。清洗頭部分位置的自動調(diào)整，采用2路紅外檢測，監(jiān)控和調(diào)整清洗頭位置，清洗頭始終與船體表面保持一定距離，使清洗設(shè)備既能洗掉船殼上附著物，又能不刮傷船殼表面的油漆。對整個(gè)電路的調(diào)試，采用Proteus軟件進(jìn)行模擬運(yùn)行，來提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確率。清洗設(shè)備爬行機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)和電氣控制設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 爬行機(jī)構(gòu)電氣控制方案整體設(shè)計(jì)流程圖

2 主要結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 開關(guān)電源

開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件，通過周期性間斷工作控制開關(guān)器件的占空比來調(diào)整輸出電壓［3］。開關(guān)電源中，DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換［4］，是開關(guān)電源的重要部分，此外，還具有啟動、過流與過壓保護(hù)、噪聲濾波等功能。輸出采樣電路檢測輸出電壓變化與基準(zhǔn)電壓比較，將誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調(diào)制電路后，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制功率器件的占空比，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的。

開關(guān)電源以低壓穩(wěn)壓芯片L4907A為核心，把輸出電壓經(jīng)過取樣電路提供反饋電壓和5.1 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生差模信號;再將反饋電壓與輸入電壓比較，獲得PWM信號，該信號經(jīng)降壓輸出電路，得到穩(wěn)定輸出電壓。本設(shè)計(jì)將輸入信號加到鋸齒波發(fā)生器上，目的是提供1個(gè)前饋信號，使器件在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)壓性能。

2.2 程序控制部分設(shè)計(jì)

為了能實(shí)現(xiàn)爬行機(jī)構(gòu)在船體表面爬行到任意位置，應(yīng)對其運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行控制，由任務(wù)可知，其運(yùn)動狀態(tài)包括前進(jìn)、后退、前左轉(zhuǎn)、前右轉(zhuǎn)、后左轉(zhuǎn)、后右轉(zhuǎn)?？刂七\(yùn)動規(guī)律的實(shí)現(xiàn)方法較多，比如通過遙控器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。但因?yàn)楸狙b置要在水下運(yùn)行，且海水的鹽度較大，無線電波控制需要足夠的功率，否則使之難以接收到，故其可實(shí)現(xiàn)性不大?？紤]加入直接通過線路進(jìn)行控制的方法，單片機(jī)控制處理技術(shù)，能對不同的輸入端口進(jìn)行不停的掃描［5］，確定不同的輸入信號，從而輸出不同的控制信號，給驅(qū)動部分施加信號，通過驅(qū)動部分對電機(jī)間接進(jìn)行控制，以達(dá)到理想的控制效果，一般的控制方法不加入反饋容易造成控制滯后，從而導(dǎo)致誤操作，在這里加入了水下視頻結(jié)構(gòu)，作為主觀的反饋，如同在視野明亮的路上控制1輛車的各種運(yùn)動狀態(tài)。整個(gè)控制過程較為容易實(shí)現(xiàn)。

2.3 狀態(tài)分析控制

該設(shè)備應(yīng)處理的狀態(tài)包括:前行、后退、前左轉(zhuǎn)、前右轉(zhuǎn)、后左轉(zhuǎn)、后右轉(zhuǎn)、照明手電筒的開啟、旋轉(zhuǎn)電機(jī)的開啟、視頻設(shè)備的開啟和清洗攪拌機(jī)的開啟?？紤]到船體的線型，在清洗過程可能導(dǎo)致清洗攪拌機(jī)與船體表面發(fā)生刮擦而使船體表面受損，這部分將專門進(jìn)行分析考慮，先討論前面10種狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)。

圖2是整個(gè)控制過程的簡略圖，所有的運(yùn)動狀態(tài)的開始均是由外界信號的輸入來發(fā)起，此處信號的輸入是由按鈕進(jìn)行輸入，經(jīng)單片機(jī)處理后在相應(yīng)端口輸出一系列的高低電平。一般單片機(jī)的功率有限，不能直接驅(qū)動繼電器使其閉合，故在驅(qū)動繼電器線圈前應(yīng)經(jīng)過放大處理，驅(qū)動繼電器線圈閉合，并控制開關(guān)的通閉，開關(guān)的通閉也間接相當(dāng)于控制電機(jī)的各種狀態(tài)，從而來控制整個(gè)狀態(tài)。

圖2 控制過程圖

采用上述方案的出發(fā)點(diǎn)是為了爬行裝置最終適應(yīng)在海上運(yùn)行，其附帶阻力是越小越好，無線電控制雖有節(jié)省卻導(dǎo)線的優(yōu)勢，但考慮到可靠性，還是采用有線控制的方式。為減少相對較長的控制線路對單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，開關(guān)信號輸入采用光耦隔離?？刂崎_關(guān)端采用24 V電源工作，可提高控制的可靠性。圖3是信號線部分的簡要示意圖，其他部分均已經(jīng)省去，只加入了單片機(jī)晶振部分。信號輸入采用P1口，在程序編寫過程中，在初始化階段讓程序把P1端口全部寫入1，此時(shí)P1端口即被內(nèi)部拉電阻所拉高，從而可以作為輸入口使用，當(dāng)外部感受到低電平中時(shí)，即讀入該信號。

圖3 信號線部分示意圖

2.4 單片機(jī)端口輸出［6］

單片機(jī)P0口可以當(dāng)成一般的I/O口進(jìn)行使用，單片機(jī)在驅(qū)動外部設(shè)備時(shí)，一般的驅(qū)動電流在毫安級別，難以直接驅(qū)動繼電器線圈，在其輸出口加入放大部分，采用最常見的三極管放大，此時(shí)用到PNP型三極管，其原理圖如圖4所示。

圖4 三極管放大電路原理圖

在單片機(jī)未輸出狀態(tài)下，即P0口為高電平，此時(shí)PNP基極為高電平，PNP管處于截止?fàn)顟B(tài)，PNP管不導(dǎo)通，繼電器線圈兩端電壓為零，繼電器不動作，當(dāng)P2口輸出低電平時(shí)，PNP管導(dǎo)通，此時(shí)靠近地端的電阻將分到部分電壓，即VCC將分壓給2個(gè)電阻，適當(dāng)設(shè)置2個(gè)電阻值的大小即可以適當(dāng)?shù)姆峙浣o線圈一定電壓，從而使繼電器動作。由數(shù)據(jù)手冊查得，P0口的一位可以同時(shí)驅(qū)動4個(gè)TTL管，而需要的狀態(tài)輸出用到的獨(dú)立P0位為8位，也即1位只需驅(qū)動1個(gè)繼電器，最多2個(gè)繼電器，故其可以滿足帶多繼電器的要求，從而不需要考慮端口帶不動繼電器的問題。當(dāng)然，當(dāng)多個(gè)繼電器吸合的時(shí)候，需要一定的電源功率來保證繼電器有效穩(wěn)定的吸合，需要更好的方法為了保證繼電器在吸合過程不受電源質(zhì)量的太大影響。為解決可能發(fā)生的因繼電器吸合不牢而出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，有2個(gè)設(shè)計(jì)保持線圈兩端的電壓穩(wěn)定:加大電源功率，或在繼電線圈加入電容。

2.5 狀態(tài)真值表

圖5是爬行機(jī)構(gòu)清掃端紅外裝置的安裝位置，假設(shè)在爬行機(jī)構(gòu)剛出發(fā)時(shí)，AB紅外反射管圴在同一水平位置。適當(dāng)設(shè)置紅外對管的位置讓接收管均能接收到發(fā)射管發(fā)出的紅外線，此時(shí)定義以下狀態(tài):A管能接收到時(shí)單片機(jī)輸入端為低電平，未能接收到為高電平，B管同理。

狀態(tài)一:AB對外輸出端均為低電平，表示AB管離船體表面的距離都較近，此時(shí)開動清洗頭極容易損傷船體表面，定義為危險(xiǎn)狀態(tài)，需立刻作出調(diào)整，抬升清洗頭。

狀態(tài)二:A輸出為高電平，B輸出為低電平，表示A管離船體有一定的距離，此時(shí)清洗頭開啟后不會對船體表面造成損傷，而B管離船體表面仍較近，定義為正常運(yùn)行狀態(tài)，不用對清洗頭位置做任何調(diào)整。

圖5 紅外管安裝位置示意圖

狀態(tài)三:A管輸出高電平，B管也輸出高電平。此時(shí)由于船體表面的弧度已經(jīng)造成爬行機(jī)構(gòu)的前端離開船體較大距離，清洗頭與船體表面的距離也即更遠(yuǎn)，此時(shí)情況雖然不會損傷船體，但是卻帶來另一個(gè)問題，當(dāng)船體表面的貝殼等附著物的高度小于此距離時(shí)，清洗頭無法接觸到附著物而無法清洗，此時(shí)應(yīng)將清洗頭位置降至可以檢測到低電平信號位置。

狀態(tài)四:A管輸出低電平，B管輸出高電平。此時(shí)經(jīng)過狀態(tài)三調(diào)整抬升電機(jī)后使清洗頭處于合理位置時(shí)，能正常進(jìn)行清洗，故定義為正常狀態(tài)，不需要進(jìn)行任何調(diào)整。

表1定義了單片機(jī) (P1.4～P1.5)接收紅外信號的處理情況，輸入端開關(guān)閉合的時(shí)候 (接通低電平)狀態(tài)表示為0，當(dāng)斷開時(shí)定義狀態(tài)為1;在輸出端定義輸出高電平時(shí)為1，輸出低電平狀態(tài)為0，低電平時(shí)代表繼電器動作，繼電器的動作將直接代表著各種狀態(tài)的改變 (繼電器的動作來控制線路的通斷)。

表1 狀態(tài)真值表

用類似的方式定義了單片機(jī) (P1.2～P1.0)，結(jié)合圖3，開關(guān)S1、S2的輸入控制了后輪電機(jī)的前進(jìn)、后退等動作，111表示視頻與照明均停止;000表示視頻設(shè)備開啟且電機(jī)開啟，準(zhǔn)備;其他6個(gè)狀態(tài)表示視頻照明燈開啟時(shí)動作:110前進(jìn)、001后退、100前左轉(zhuǎn)、010前右轉(zhuǎn)、101后左轉(zhuǎn)、001后右轉(zhuǎn);單片機(jī) (P1.4和P1.3)分別控制照明燈與清洗攪拌機(jī)的開啟與停止。

信號的輸入均是以按鈕的形式來實(shí)現(xiàn)的，這就使得在操作過程中有一定的延時(shí)，最大的問題是各種狀態(tài)之間的切換，以上面敘述中所屬的前進(jìn)狀態(tài)，切換為左前進(jìn)狀態(tài)，此時(shí)開關(guān)應(yīng)動作，如果不合理定義動作按鈕，將出現(xiàn)中間的其他狀態(tài)，由110變成100時(shí)，此時(shí)只需將P1.1口的按鈕按下，實(shí)現(xiàn)起來較為方便。但是如當(dāng)狀態(tài)由后左轉(zhuǎn)直接變成后轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)的端口變化為101－011也即發(fā)生了2個(gè)按鈕的操作，也就產(chǎn)生了可能的中間狀態(tài):如可能為111、001，對應(yīng)為停止與后退狀態(tài)，此時(shí)的問題不是很大，但畢竟存在中間狀態(tài)，故在對于爬行結(jié)構(gòu)前進(jìn)時(shí)，可以同時(shí)進(jìn)行左右轉(zhuǎn)操作，后退也同理。所以在將前進(jìn)狀態(tài)變化為后退狀態(tài)時(shí)，經(jīng)過一中間過程，即前進(jìn)－停止－后退，防止中間狀態(tài)的產(chǎn)生。

2.6 仿真調(diào)試

整個(gè)仿真圖模擬爬行機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行的情況，處理芯片為89C51，單片機(jī)電源已經(jīng)省去，加入了12 M的晶振，4路外部按鈕輸入由SW輸入單片機(jī)P1口進(jìn)行輸入，因考慮到紅外檢測部分同理可以用開關(guān)簡略代表，故采用SW5－SW6來代替。

外部各種設(shè)備電源24 V、12 V、5 V等電源電路已經(jīng)直接用元件庫里的電源模塊代替，單片機(jī)口輸出時(shí)通過加入三極管進(jìn)行放大，電路中各繼電器均采用RL系列元件表示，輸出表示前進(jìn)與后退等一系列狀態(tài)均采用直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來表示。經(jīng)Proteus軟件對幾個(gè)狀態(tài)進(jìn)行模擬，并觀察輸出情況，電機(jī)下方框中數(shù)字正負(fù)可以顯示電機(jī)的正反轉(zhuǎn)情況及其轉(zhuǎn)速，燈泡顯示視頻開啟情況，仿真結(jié)果顯示，符合設(shè)計(jì)邏輯要求。并且模擬了爬行結(jié)構(gòu)運(yùn)動的4種狀態(tài)，4電機(jī)按不同方式運(yùn)行，分別可以實(shí)現(xiàn):①電機(jī)反轉(zhuǎn);②電機(jī)正轉(zhuǎn);③電機(jī)正轉(zhuǎn);④電機(jī)正轉(zhuǎn)。電機(jī)狀態(tài)與理論中一致，其余狀態(tài)模擬基本都類似，達(dá)到了較好的模擬效果。并且在樣機(jī)試驗(yàn)中同樣得到了很好的效果。比如前左轉(zhuǎn)狀態(tài)模擬:前左轉(zhuǎn)狀態(tài)下，①②模擬電機(jī)均正轉(zhuǎn)，速度達(dá)到+207 r/min，如圖6所示。

3 結(jié)束語

本論文設(shè)計(jì)了水下清洗設(shè)備的控制部分，主要采用單片機(jī)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等，利用紅外對射原理保證葉片在清洗過程中始終

圖6 前左轉(zhuǎn)狀態(tài)模擬示意圖

不會碰到鋼板表面并且保持最佳距離。利用軟件對控制部分的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行模擬仿真，仿真狀態(tài)與理論和實(shí)驗(yàn)一致。

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