小型玻璃鋼漁船自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王樂(lè) 張亞 白世陽(yáng) 龐洪禎

摘 要：結(jié)合現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了小型玻璃鋼漁船的自主作業(yè)。本文詳細(xì)介紹漁船控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和具體實(shí)施的手段。通過(guò)將漁船的控制系統(tǒng)分為船舶定位、推進(jìn)、自動(dòng)舵控制以及載荷收集系統(tǒng)，使各個(gè)分系統(tǒng)相互配合，從而達(dá)到漁船自動(dòng)控制的目的。通過(guò)采用無(wú)線設(shè)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(yè)的效率。最后通過(guò)實(shí)船測(cè)試，論證了其漁船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：玻璃鋼漁船;自動(dòng)控制;運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：U661.73? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）11-0055-03

為了能夠更好地利用玻璃鋼漁船進(jìn)行相應(yīng)的作業(yè)，提高漁船的工作效率，本文設(shè)計(jì)了一套漁船自動(dòng)控制系統(tǒng)[2-5]，通過(guò)一艘母船上的設(shè)備能夠無(wú)線控制多艘小型漁船進(jìn)行相應(yīng)的工作。

1 漁船自動(dòng)控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)小型漁船的自動(dòng)控制，對(duì)現(xiàn)有的小型玻璃鋼漁船進(jìn)行改裝，在其艏、舯和艉處分別安裝天線，使用無(wú)線設(shè)備進(jìn)行傳輸，并通過(guò)不同系統(tǒng)之間的配合實(shí)現(xiàn)漁船自動(dòng)控制。漁船的自動(dòng)控制系統(tǒng)分為：定位系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、自動(dòng)舵控制系統(tǒng)以及載荷收集系統(tǒng)。當(dāng)各分系統(tǒng)相互配合共同工作時(shí)，可通過(guò)位于母船上的管理人員有效控制，能夠?qū)崿F(xiàn)漁船的自動(dòng)作業(yè)。

漁船的定位系統(tǒng)采用GPS/INS慣性定位系統(tǒng)測(cè)量其運(yùn)動(dòng)軌跡、航速、航向和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。GPS/INS的作用是用來(lái)進(jìn)行船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量，而GPS則用于進(jìn)行船舶航行定位。GPS/INS模塊安裝在漁船的重量中心位置來(lái)測(cè)量漁船的搖蕩姿態(tài)，其縱搖和橫搖的測(cè)量精度分別為0.02°和0.05°[1]，X、Y、Z三個(gè)方向的速度測(cè)量精度為0.02m/s;兩個(gè)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(guò)無(wú)線電傳輸信號(hào)，GPS/INS實(shí)時(shí)采集的信息可直接在母船上的控制電腦上查看。經(jīng)實(shí)船測(cè)試驗(yàn)證得到：信號(hào)最大傳輸距離可達(dá)10km;而采樣信號(hào)的頻率不宜設(shè)置過(guò)高，一般為10Hz左右。

受控漁船的航速和航向由自動(dòng)舵和推進(jìn)系統(tǒng)共同控制，而母船上的管理人員則可根據(jù)對(duì)受控漁船航行狀態(tài)需求發(fā)射遠(yuǎn)程控制指令，其操控系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。在此過(guò)程中，管理人員可通過(guò)母船上的控制計(jì)算機(jī)輸入指令，然后由無(wú)線電臺(tái)將航速和航向調(diào)節(jié)指令傳輸給受控漁船上的接收器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其航行狀態(tài)的遠(yuǎn)程遙控。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，共涉及到4對(duì)無(wú)線電臺(tái)，全部安裝在母船作業(yè)甲板上的相應(yīng)位置：一對(duì)用來(lái)傳輸GPS/INS反饋的漁船航行狀態(tài)信息;一對(duì)用來(lái)傳輸控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)備的脈沖電壓;其余兩對(duì)用來(lái)傳輸舵的狀態(tài)信息。

推進(jìn)系統(tǒng)主要是采用無(wú)線電站來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控設(shè)備的電壓從而達(dá)到控制漁船螺旋槳轉(zhuǎn)速的目的。通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度從而控制漁船的航行速度。

在控制漁船中安裝自動(dòng)舵，從而可實(shí)現(xiàn)沿固定方向直線行駛自動(dòng)，舵系統(tǒng)用戶操作界面如圖3（a）所示。該系統(tǒng)包含航向陀螺單元（CCU）、電力控制單元（ECU）以及驅(qū)動(dòng)液壓桿三個(gè)部分。其中，航向陀螺單元（CCU）是自動(dòng)舵系統(tǒng)的核心，判斷被控制漁船的實(shí)時(shí)航向;電力控制單元（ECU）基于PID 邏輯算法，根據(jù)航向陀螺單元所提供的信息對(duì)驅(qū)動(dòng)液壓桿進(jìn)行舵角調(diào)節(jié)，從而保證漁船保持期望的航行方向;驅(qū)動(dòng)液壓桿通過(guò)一套雙曲柄傳動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制雙舵舵角，傳動(dòng)裝置如圖3（b）所示。母船上的試驗(yàn)人員通過(guò)操作界面對(duì)漁船的航向角進(jìn)行控制，通過(guò)無(wú)線信號(hào)將操控信息傳輸給漁船，最終實(shí)現(xiàn)控制漁船航行。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采用DH5902動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀對(duì)作用在漁船上的載荷情況進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。該儀器可同時(shí)對(duì)不同類型的載荷信號(hào)頻率進(jìn)行采樣，并將數(shù)據(jù)結(jié)果臨時(shí)存儲(chǔ)至其內(nèi)置硬盤(pán)上。將動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀安裝于漁船上，通過(guò)信號(hào)線方式對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行傳輸與記錄。同時(shí)，該采集儀的啟停通過(guò)控制母船上的計(jì)算機(jī)發(fā)射無(wú)線脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集內(nèi)容包括：

（1）應(yīng)力：將全橋應(yīng)變計(jì)安裝于漁船底部龍骨用以測(cè)量垂向和水平彎曲正應(yīng)力。對(duì)所測(cè)得應(yīng)力信號(hào)結(jié)合船體的結(jié)構(gòu)參數(shù)可轉(zhuǎn)化為船體所受的實(shí)時(shí)彎矩。

（2）壓力：分別在漁船艏、舯以及艉部布置共計(jì)13個(gè)抨擊壓力測(cè)量點(diǎn)用以測(cè)量艏部外飄抨擊壓力。各測(cè)量點(diǎn)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(cè)量船體所受的波浪垂向加速度。

通過(guò)固定在漁船重心位置的GPS/INS 模塊可測(cè)量得到船舶的縱向、水平以及垂向速度，航行經(jīng)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(gè)攝像機(jī)對(duì)其航行畫(huà)面進(jìn)行記錄。測(cè)量設(shè)備及信號(hào)的基本參數(shù)情況如表1所示。

為了進(jìn)一步確保漁船的航行安全，在漁船的航行海域進(jìn)行海浪監(jiān)測(cè)。其具體的做法為：采用浮標(biāo)式浪高儀對(duì)漁船所作業(yè)的海域海浪信息進(jìn)行測(cè)量，如圖4中所示。該儀器外形為球形，工作狀態(tài)時(shí)其下半部分浸入水中;底端通過(guò)懸掛鐵鏈來(lái)降低重心，從而保證浪高儀在波浪起伏運(yùn)動(dòng)中保持直立狀態(tài);其水線面處安裝有壓浪板，從而避免產(chǎn)生儀器的水平方向搖擺。浪高儀與波面的起伏運(yùn)動(dòng)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(jìn)行測(cè)量，設(shè)定采樣頻率為50Hz。

2 玻璃鋼漁船的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

對(duì)于自動(dòng)控制下的玻璃鋼漁船和母船的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(gè)抨擊壓力監(jiān)測(cè)位置，其中艏部有7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其監(jiān)測(cè)位置分布在三個(gè)橫剖面上。船舯處有兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分布在設(shè)計(jì)水線的附近。而艉部有4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其分布在艉部推進(jìn)器周圍。在船底部有一個(gè)貫穿全船的龍骨梁，通過(guò)在龍骨梁上安裝壓力若干個(gè)應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)船體的整體形變。同時(shí)，4對(duì)無(wú)線電臺(tái)的具體位置也在圖中標(biāo)明。圖6給出了控制母船的設(shè)計(jì)。其與一般的漁船類似，監(jiān)測(cè)控制計(jì)算機(jī)安放在此船上。管理人員通過(guò)在此處上可以監(jiān)測(cè)并控制多艘小型漁船的作業(yè)。

在黃海海域進(jìn)行了此項(xiàng)控制漁船自動(dòng)作業(yè)的試驗(yàn)并取得成功，試驗(yàn)論證了玻璃鋼漁船控制設(shè)計(jì)的可行性，具體的航行軌跡如圖7所示。

3 結(jié)論

本文通過(guò)結(jié)合現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了小型玻璃鋼漁船的自主作業(yè)。并詳細(xì)介紹了漁船控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和具體實(shí)施的手段，從而使?jié)O船在母船的控制下實(shí)現(xiàn)自主作業(yè)成為可能。最后通過(guò)實(shí)船測(cè)試，論證了漁船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 焦甲龍. 實(shí)際海浪環(huán)境中艦船大尺度模型運(yùn)動(dòng)與載荷響應(yīng)試驗(yàn)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2016.

[2] 張維英，紀(jì)明月，侯垚森，董震鵬.我國(guó)船舶制造數(shù)字化及信息化淺談[J].中國(guó)設(shè)備工程，2017（12）：177-178.

[3] 鄭立大.環(huán)保清淤船自動(dòng)控制及精確定位系統(tǒng)[J].電氣時(shí)代，2013（08）：90-92.

[4] 陳源華，郭曉浩，王辰辰.鋪排船自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].船海工程，2009，38（06）：157-159.

[5] 丁福光，王宏健，施小成，邊信黔.潛器母船動(dòng)力定位自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].船舶工程，2001（03）：39-41+3.