DOI:10.3963/j.issn.1671 ̄7953.2019.06.028
第48卷 第6期船海工程Vol.48 No.6
2019年12月SHIP&OCEANENGINEERINGDec.2019
船舶回转运动硬件在环模拟测量系统设计
宰德广ꎬ周岗ꎬ陈永冰ꎬ李文魁
(海军工程大学导航工程系ꎬ武汉430033)
摘 要:针对实验室条件下无法获得实际的船舶回转运动ꎬMEMS陀螺仪无法测得实际的船舶回转率问题ꎬ设计并构建硬件在环模拟测量系统ꎬ系统接收来自船舶运动模拟器的数字航向信息ꎬ驱动物理转台旋转以模拟船舶回转运动ꎬMEMS陀螺仪通过测量转台的旋转角速率来实现对船舶回转率的测量ꎬ测量结果能够较好地吻合模拟器输出的数字航向信息ꎬ证明系统能够模拟船舶回转运动并且可以测得回转率ꎮ
关键词:船舶回转运动ꎻ硬件在环ꎻ物理转台ꎻMEMS陀螺仪ꎻ回转率
中图分类号:U675.7 文献标志码:A 文章编号:1671 ̄7953(2019)06 ̄0117 ̄04
船舶回转率(rateofturningꎬROT)的大小是影响回转运动的关键因素ꎬ也是进行船舶操纵控制时的重要参数[1]ꎮ一般获得船舶回转率的方法是通过罗经测得航向并计算出变化率ꎬ但是船上装备的罗经设备存在一定的不足ꎬ比如ꎬ电罗经价格偏高ꎬ磁罗经容易受到地磁的干扰ꎬ且通过磁罗经得到船舶回转率具有一定滞后性ꎬ不能实时显示回转率数据[2]ꎻGPS罗经容易受到卫星信号相比之下ꎬ直接利用船上装备的MEMS陀螺仪获得船舶回转率就比较方便快速ꎬ同时陀螺仪的动MEMS陀螺仪是通过直接敏感船体的回转运动来获得回转率的ꎬ对于教学研究工作来说ꎬ有必要在实验室内构建实物系统来模拟真实的船舶回转运动ꎬ实现MEMS陀螺仪对实际船舶回转率的测量ꎮ为此ꎬ基于实验室条件设计并构建硬件在环模拟测量系统ꎬ利用船舶运动模拟器输出的数字航向信号驱动物理转台转动ꎬ将数字量转化为具体物理运动过程ꎬ期望以此模拟实际的船舶回转运动ꎬ使得MEMS陀螺仪可以通过测量转台的转动角速率来实现对实际船舶回转率的测量ꎮ的影响ꎬ定位位置不稳定ꎬ影响回转率的计算[3]ꎮ态敏感性较好ꎬ有利于船舶的操纵控制[4]ꎮ
图1ꎮ
图1 硬件在环模拟测量系统结构
其中船舶自动操舵仪向船舶运动模拟器发出控制指令ꎬ模拟器模拟出实际的船舶运动航向信息ꎬ通过串口传输到物理转台系统ꎬ驱动马达旋转ꎬ以模拟真实的船舶回转运动ꎻ同时MEMS角速率测量系统通过陀螺仪敏感转台转动得到其角速率ꎬ即为实验室条件下模拟得到的船体回转角速率ꎬ将陀螺仪测得的角速率和模拟器输出的数字航向信息送回自动操舵仪ꎬ构成硬件在环回路ꎬ以实现船舶操纵控制ꎮ
实验重点是构建出切实可行的模拟测量系统ꎬ未涉及船舶操纵的相关问题ꎬ故将测得的实际角速率和接收到的数字航向信息在Matlab中仿1.1 物理转台系统组成真分析ꎬ以验证系统实验效果ꎮ
物理转台系统构成见图2ꎮ
1 系统结构和原理
收稿日期:2019-06-25修回日期:2019-07-11
船舶回转运动硬件在环模拟测量系统结构见
基金项目:国家自然科学基金(41474061)第一作者:宰德广(1995—)ꎬ男ꎬ硕士生研究方向:组合导航与智能化测控技术
图2 物理转台系统构成
其中NSK ̄PS ̄DD马达为超大扭力伺服马达ꎬ
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宰德广ꎬ等:船舶回转运动硬件在环模拟测量系统设计
船海工程第48卷
工作原理是通过脉冲驱动马达转动ꎮ控制板通过串口接收船舶运动模拟器ROT数据ꎬ并通过串口向马达驱动器发送旋转控制指令驱动马达旋转ꎮ电源模块采用220V转24V及24V转12Vꎬ分别给驱动器和控制板供电ꎮ1.2 MEMS角速率测量系统
MEMS角速率测量系统选用的角速率陀螺仪
表1 转速 ̄步长 ̄定时频率匹配表(部分值)速度/[(°)min-1]
91.44
91.3291.2091.086.246.126.00⋮
步长222277332387192673⋮
定时频率/Hz
50.0040.0033.3328.5740.0028.5710.00⋮
型号为ADXRS623ꎬ该陀螺仪为单轴角速率测量器件ꎬ具有尺寸小、功耗低、抗冲击和振动性好等优点ꎬ易于安装到电路板ꎬ便于敏感转台回转角速率ꎮADXRS系列陀螺仪利用科里奥利加速度来测量角速度ꎬ所以陀螺仪可以任何角度安装在旋转物体的任何地方ꎬ只要使陀螺仪旋转轴和所要测量的轴平行即可
[5]
中将DD马达之上MEMS角速率测量系统通过支架水平固定于
ꎮ如图2所示ꎬ在实验系统
2 DD马达转速设定
ꎬ跟随马达旋转以测得回转角速率ꎮ
为了更好地模拟船舶回转运动ꎬ需要对DD
马达的转速重新设定ꎬ使得转速稳定均匀地变化ꎮ由上节可知DD马达是通过改变输入脉冲量控制转动角度ꎬ则可以在固定的定时时间内改变步长以改变马达转动速度ꎬ或者改变单片机定时时间也可调节转速ꎮ
在实验之前需要测试马达转速误差ꎬ其理论转速值Va为
Va=2621Q
440
×360f
(1)
实际转速Ve为
Ve=
360T
(2)
1式中圈所用时间:Q为步长通过不断改变步长和定时ꎬsꎮ
ꎻf为定时频率ꎬHzꎻT为马达旋转
003(°)/sꎮ
ꎬ测得实际的转速ꎬ得到转速误差V经反复测试决定采取改变步长的同时也改变
d≈0.定时的方法ꎬ尽可能多地获得马达转速值ꎬ使速率值的变化更加均匀精密ꎮ在修正转速误差后得到转速和步长以及定时频率的匹配(部分值)ꎬ见表1ꎮ
由表1可见ꎬ在单片机中共设定829组速度91.值(44由于篇幅限制原因在此选取部分数值(°)/min开始ꎬ以0.12(°)/)ꎬ从
118
min的间隔递减5.5.94885413.28.330.⋮25⋮⋮570.24310.0.18125.000.12061113.0010.3300变化ꎬ在6.00(°)/min开始变为以0.06(°)/min间隔递减ꎬ直至趋近于零ꎮ若接收到的速度值大于91.44(°)/minꎬ则取最大值91.44(°)/minꎮ
由于控制工程实际应用中注重系统在保持稳定性方面的性能ꎬ船舶在转弯之后航向逐渐趋向稳定ꎬ回转率在很小范围波动ꎬ故本系统在零值附近设定了较多速度值ꎬ使速度变化更紧密ꎬ从而使得模拟过程更加真实可靠ꎮ而对于回转率变化较快的转弯过程ꎬ则不需要过度精确模拟ꎮ
马达模拟船舶回转运动的转速设计好后ꎬ系统可通过串口接收来自模拟器的ROT数据解算出马达转速ꎬ并通过遍历表1中的数组得到步长和定时频率ꎬ控制马达按照相应的转速旋转ꎮ
3 MEMSMEMS陀螺仪在零角速度下需要进行初始零
陀螺仪的校零和标定
位校正ꎬ在SUMJ引脚处外接一个合适电阻Rx到地或电源正极即可调整零位ꎬ采集系统中参考电压为2.5Vꎬ按式(3)计算Rx5V电源ꎬ为负值则接地[6 ̄7]ꎬ若求得Rx为正值时接R.5ꎮ
x=
2U×180000式中:U为未校正时零角速率的输出电压0-U1
(3)
0ꎻU校正后所需达到的参考电压ꎮ
1为在陀螺仪校正零位后ꎬ还需要对角速率测量系统采集输出的信号进行标定ꎬ以便解算出相应的角速率值ꎮ由于是对船舶回转运动的模拟ꎬ角速率值较小ꎬ需对输出电压信号进行放大ꎬ即得到
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的输出结果是放大后的电压值ꎮ
ADXRS623的输出电压信号进行标定ꎬ分别为软件Matlab对每个典型值分别采集100s数据ꎬ采样时间为0.5sꎬ并由100s采集数据求得平均电压值kꎬ从而求得平均灵敏度kꎬ见表2ꎮ
均匀选取马达6个典型的转速值对陀螺仪
90ꎬ60ꎬ30ꎬ-30ꎬ-60ꎬ-90(°)/minꎮ通过仿真
表2 不同转速下的平均灵敏度
平均灵敏度k=
U
/[(°)min马达转速ω-1
平均电压值
U/mV/mV[(°)min-ω1
90]
60974.10.10.832]-1
-30
657.879326.55010.959-30 -688
10.890-60 90 -328.446-661.981.00059811.948017 10.907
1 ∑6
由表2数据可得总的平均灵敏度为k=6i=1
ki=10.926mV/[(°)min-1]ꎬ由此可得
到MEMS陀螺仪的角速率和电压输出值的比例关系式为
ω=0.0915U
(4)
据 ꎬ得到实际的角速率测量值依照式(4)可解算出串口接收到的陀螺仪数ꎮ现设定马达转速从90(°)/min匀速减小到-90(°)/minꎬ通过仿真得到MEMS陀螺仪测得的角速率变化见图3ꎮ
图3 匀速下测得的回转角速率
可以看出通过关系式(4)解算获得的陀螺仪角速率测量值基本能够与实际回转角速率相吻合ꎬ说明此MEMS角速率测量系统可以测得马达转速ꎬ并且能够跟随转速变化而变化ꎮ
4 实验及分析
模拟器输出的航向信息和MEMS测量数据可通过Matlab的simulink系统模型实现半实物仿真ꎮ图4为硬件在环模拟测量系统的实验场景ꎮ
图4 硬件在环系统实验场景
实验发现ꎬMEMS陀螺仪测得的角速率存在很多噪声ꎬ数据波动较大ꎬ前期在系统标定与测试时将采样数据进行简单的低通滤波处理ꎬ可以滤除大部分噪声ꎬ而通过调整滤波系数ꎬ则可以改变测量值的动态性和滤波效果ꎮ现改变滤波系数ꎬ并通过操舵仪分别给出相同的舵角变化ꎬ与实际回转率的变化对比见图5ꎮ
图5 不同滤波系数下的测量角速率变化
由图5可见ꎬ随着滤波系数的减小ꎬ滤波效果变好ꎬ而动态性能则变差ꎮ本文所设计的系统正是利用了MEMS陀螺仪的动态响应较好、敏感运动变化较快的特点ꎬ可以快速感知船舶回转运动ꎬ
获得船舶运动状态ꎬ故在具体实现过程中期望保0.证系统测量数据的实时性ꎬ故选定滤波系数为
1向左打舵20001进行船舶回转运动模拟实验s的时刻分别向右打舵14°ꎬ同时在simulink12°、中进行同步仿真向左打舵ꎮ在330ꎬ700ꎬ6°、再ꎬ结果见图6、7ꎮ
可以看出ꎬ模拟测量系统能够在航向发生变化时及时响应MEMSꎬ并且按照相应的转速旋转ꎬ同时应情况较好陀螺仪可以实时敏感马达角速率变化ꎬ说明系统基本实现模拟船舶回转运
ꎬ响119
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通过MEMS陀螺仪测得实时的回转率ꎬ实验结果表明所设计的系统是有效可行的ꎮ对于测量数据仍存在的波动ꎬ下一步应在保证系统动态性能的同时ꎬ增强测量数据的稳定性ꎬ以更好地实现船舶操纵控制ꎮ
参考文献
图6 航向变化
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图7 模拟测量系统回转运动响应
动过程ꎮ但是ꎬ由于温度变化、系统噪声等影响ꎬ陀螺仪测量得到的角速率在达到稳态后存在一定波动ꎬ所以下一步工作重点是如何在保证动态性能的基础上提高滤波效果ꎬ获得稳定的测量数据ꎮ
[5]程秀芹ꎬ翁志能ꎬ张建飞ꎬ等.MEMS陀螺主要性能指[6]王甫ꎬ高玉霞ꎬ鞠莉娜ꎬ等.MEMS陀螺仪综合测试系[7]毕盛ꎬ闵华清ꎬ李淳ꎬ等.姿态传感器采集测试系统的
1562 ̄1564.
统设计与实现[J].集成电路通讯ꎬ2015(2):1 ̄5.标研究[J].电脑开发与应用ꎬ2014(11):61 ̄63.
5 结论
设计的硬件在环模拟测量系统能够在实验室
设计与实现[J].计算机测量与控制ꎬ2011ꎬ19(7):
条件下较好地模拟船舶实际回转运动ꎬ并且能够
DesignofShipRotaryMotionHardware ̄in ̄loopAnalogMeasurementSystem
MEMSgyroscopecannotmeasuretheactualship’sturningrateꎬahardware ̄in ̄loopanalogmeasurementsystemwasdesignedandtatesoastosimulatetheship’sturningmotionꎬtheMEMSgyroscopemeasurestherotaryangularrateoftherotarytabletoa ̄effectively.
constructed.Thesystemreceivesdigitalcourseinformationfromtheshipmotionsimulatoranddrivesthephysicalturntabletoro ̄chievethemeasurementofship’sturningrate.Themeasuredresultswereingoodagreementwiththedigitalcourseinformationoutputbythesimulatorꎬprovingthatthedesignedsystemcansimulatetheship’sturningmotionandmeasuretherateofturning
Keywords:ship’sturningmotionꎻhardware ̄in ̄loopꎻphysicalturntableꎻMEMSgyroscopeꎻrateofturning
Abstract:Fortheproblemthattheactualship’sturningmotioncannotbeobtainedunderlaboratoryconditionsꎬandthe
(Dept.ofNavigationEngineeringꎬNavalUniversityofEngineeringꎬWuhan430033ꎬChina)
ZAIDe ̄guangꎬZHOUGangꎬCHENYong ̄bingꎬLIWen ̄kui
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