專利名稱：船舶自控系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，船用新型可控系統(tǒng)裝置，旨在通過(guò)該可控系統(tǒng)安
裝在不同高性能船型上以便獲得自控自航效果，從而完成預(yù)期的方案或應(yīng)用于民用及軍事打擊等任務(wù)。
背景技術(shù)：
自控自航船舶在當(dāng)今世界上扮演著越來(lái)越重要的角色。從小的方面說(shuō)可以完成預(yù)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，從而得出船舶的各種性能。從大的方面說(shuō)如現(xiàn)在各國(guó)都在積極研制的水面無(wú)人艇，被視為未來(lái)海上決定成敗的重要工具，是彰顯一個(gè)國(guó)家強(qiáng)盛的重要標(biāo)志。在民用領(lǐng)域的功能也有很多，如清理海上垃圾；清理水面藍(lán)藻；監(jiān)測(cè)天氣等。而自控自航運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵主要取決于其內(nèi)部的可控系統(tǒng)裝置，這些系統(tǒng)的構(gòu)成就是整個(gè)船模運(yùn)動(dòng)的"大腦"。而提供船模自控自航的這個(gè)"大腦"是由各種既相互獨(dú)立但又互相依賴，緊密聯(lián)系的動(dòng)力裝置及其各類傳感器組成的一個(gè)總的自控自航可控系統(tǒng)裝置。國(guó)內(nèi)關(guān)于無(wú)人艇裝置的專利多是用單片機(jī)控制，人們通過(guò)反饋信號(hào)控制船舶運(yùn)動(dòng)，屬于半人工半自動(dòng)狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種船舶自控系統(tǒng)及其控制方法。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案 本發(fā)明船舶自控系統(tǒng)，其特征在于包括工業(yè)控制器、傳感器和顯示器，其中，傳感器包括GPS接收機(jī)、三維電子羅盤和MTI慣性測(cè)量系統(tǒng)；GPS接收機(jī)輸出端接工業(yè)控制器的標(biāo)準(zhǔn)RS485接口 ，三維電子羅盤輸出端接工業(yè)控制器的標(biāo)準(zhǔn)RS232接口 ，MTI慣性測(cè)量系統(tǒng)輸出端與工業(yè)控制器的USB接口相連；顯示器的輸入端與工業(yè)控制器的輸出端相連。
所述的船舶自控系統(tǒng)，其特征在于所述工業(yè)控制器采用可編程工業(yè)控制器PAC。
所述的船舶自控系統(tǒng)的控制方法，其特征在于包括如下步驟
(1)工業(yè)控制器系統(tǒng)設(shè)置 a.系統(tǒng)的初始化，對(duì)采樣通道進(jìn)行參數(shù)設(shè)置并對(duì)采樣通道進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)清零，所述參數(shù)包括采樣通道數(shù)、通道的輸入量程、設(shè)置采樣時(shí)間、頻率；
b.設(shè)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存路徑； (2)將GPS接收機(jī)、三維電子羅盤采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大到可檢測(cè)范圍內(nèi)，然后輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)編譯和轉(zhuǎn)換保存在工業(yè)控制器的CF卡中；MTI慣性測(cè)量系統(tǒng)采集的信號(hào)直接保存在工業(yè)控制器的CF卡中； (3)結(jié)束程序，包括常規(guī)結(jié)束和緊急結(jié)束常規(guī)結(jié)束即按照試驗(yàn)方案設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之后自動(dòng)關(guān)閉船舶自控系統(tǒng)；緊急結(jié)束是為了防止試驗(yàn)中發(fā)生的意外對(duì)系統(tǒng)造成破壞而采取的緊急中斷，在工業(yè)控制器的模擬量輸入模塊配置若干端口 ，所述端口接報(bào)警器輸出端或者遙控器接收機(jī)輸出端，當(dāng)試驗(yàn)中發(fā)生的意外對(duì)系統(tǒng)造成破壞時(shí)，通過(guò)報(bào)警器或者遙控器接收機(jī)報(bào)警和關(guān)閉船舶自控系統(tǒng)。
所述的船舶自控系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述傳感器與工業(yè)控制器之間的控 制方法如下 1)開(kāi)啟GPS，根據(jù)GPS實(shí)時(shí)反映出的當(dāng)前坐標(biāo)傳送到工業(yè)控制器中，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 得出當(dāng)前實(shí)時(shí)坐標(biāo)和規(guī)劃航跡坐標(biāo)之間的距離差，通過(guò)事先自己制定的模糊控制查表法來(lái) 確定當(dāng)前船舶主機(jī)的轉(zhuǎn)速；工業(yè)控制器把當(dāng)前對(duì)應(yīng)主機(jī)轉(zhuǎn)速的命令的程序傳送到主機(jī)控制 器中，從而控制船舶主機(jī)當(dāng)前的速度； 2)根據(jù)三維電子羅盤測(cè)得的船舶航行方向與規(guī)劃航跡之間的夾角，通過(guò)事先自己 制定的模糊控制查表法來(lái)確定當(dāng)前舵機(jī)打舵的方向和度數(shù)；工業(yè)控制器把當(dāng)前對(duì)舵機(jī)命令 的程序傳送到舵機(jī)控制器中，從而控制舵機(jī)打舵的方向和度數(shù)； 3)MTI慣性測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)得船舶航行的狀態(tài)，并記錄船舶航行過(guò)程中的三個(gè)軸 的角速度和加速度；通過(guò)積分可以求出航行的角度，通過(guò)船舶自控系統(tǒng)辨識(shí)辨識(shí)出結(jié)果。
本發(fā)明以PAC為主導(dǎo)，串連其他傳感器裝置，通過(guò)數(shù)據(jù)采集并反饋出的信號(hào)在PAC 中自主識(shí)別并運(yùn)行，不需人工操作，屬于完全自航狀態(tài)。本系統(tǒng)的發(fā)明相當(dāng)于一個(gè)中間試驗(yàn) 的可控裝置平臺(tái)，可以應(yīng)用于任何高性能船舶上，有著靈活性強(qiáng)，實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。
PAC具有以下特點(diǎn)(l)多功能性，在一個(gè)平臺(tái)上有邏輯、運(yùn)動(dòng)、PID控制、驅(qū)動(dòng)和 處理中的至少兩種以上功能。(2)單一的多規(guī)程開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用通用標(biāo)簽和單一的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái) 訪問(wèn)所有的參數(shù)和功能。(3)通過(guò)結(jié)合IEC61131-3，用戶向?qū)Ш蛿?shù)據(jù)管理，軟件工具能設(shè) 計(jì)出在跨越多個(gè)機(jī)器和處理單元的處理流程。(4)開(kāi)放的模塊化構(gòu)架能解決的工業(yè)應(yīng)用可 從控制分布于工廠機(jī)器到加工車間的操作單元。(5)采用已有的網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn)，語(yǔ)言等，如 TCPIP，0PC&XML和SQL查詢語(yǔ)言。基于以上特點(diǎn)，PAC比一般的控制器更易控制和操作。PAC 有著多樣的接口連接方式更容易各種傳感設(shè)備的連接，多樣性的編程語(yǔ)言能更準(zhǔn)確的控制 整套系統(tǒng)的精確運(yùn)轉(zhuǎn)。而且其所需岸基設(shè)備少，方案設(shè)計(jì)靈活，適合各種高性能船的要求。 結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，方案設(shè)定方便，結(jié)果令人滿意。 本文采用了系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)來(lái)解決數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，進(jìn)行系 統(tǒng)辨識(shí)所用的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行選擇當(dāng)今比較熱門的遺傳算法(Genetic Algorithms,簡(jiǎn)稱GA) 作為本系統(tǒng)辨識(shí)程序的優(yōu)化方法，以VB6. 0作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言編制出了快速性辯識(shí)程序。


圖l為系統(tǒng)構(gòu)成圖。 圖2為自控系統(tǒng)控制流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明 本系統(tǒng)的硬件構(gòu)成由工業(yè)控制器PAC、GPS接收機(jī)、三維電子羅盤、MTI慣性測(cè)量系 統(tǒng)和顯示器構(gòu)成。以PAC為中心，GPS接收機(jī)、三維電子羅盤、MTI慣性測(cè)量系統(tǒng)圍繞PAC 建立連接。GPS自身帶有數(shù)據(jù)線標(biāo)準(zhǔn)RS485接口，與PAC中標(biāo)準(zhǔn)RS485接口連接；三維電子 羅盤接一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口 ，與PAC中標(biāo)準(zhǔn)RS232接口相連；MTI慣性測(cè)量系統(tǒng)本身自帶 USB接口 ，與PAC中USB接口相連；顯示器15針接口與PAC相連；系統(tǒng)得到的原始數(shù)據(jù)保存 在PAC的CF卡里，試驗(yàn)結(jié)束后將CF卡中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存在計(jì)算機(jī)中，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析軟件，可以獲得所需要的后期數(shù)據(jù)并繪出相應(yīng)的曲線。本系統(tǒng)可以直接采集的信號(hào)包括模擬量信 號(hào)和數(shù)字量信號(hào)(包括RS232和RS485)，輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)編譯和轉(zhuǎn)換被保存在PAC的CF卡 中。作為自控船舶動(dòng)力和操縱組成的電機(jī)和舵機(jī)及其他設(shè)備，可以通過(guò)事先設(shè)定好的程序 控制變量的值進(jìn)行轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)和舵角的自動(dòng)調(diào)節(jié)等，也可以通過(guò)遙控設(shè)備根據(jù)試驗(yàn)人 員的需求進(jìn)行控制。這樣就避免了傳統(tǒng)試驗(yàn)中人工調(diào)節(jié)試驗(yàn)點(diǎn)的煩瑣過(guò)程，真正實(shí)現(xiàn)自控 船舶的自動(dòng)化。得到的原始數(shù)據(jù)用系統(tǒng)辨識(shí)的方法，采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化工具，在數(shù)據(jù)分 析系統(tǒng)中進(jìn)行處理，最終得到結(jié)果。 —種基于上述船舶自控控制系統(tǒng)的控制方法，主要包括如下步驟
(l)PAC系統(tǒng)設(shè)置 a.打開(kāi)PAC主程序后首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，對(duì)采樣通道進(jìn)行參數(shù)設(shè)置并對(duì)采 樣通道進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)清零。這里參數(shù)主要包括采樣通道數(shù)、通道的輸入量程、設(shè)置采樣時(shí) 間、頻率等，使系統(tǒng)達(dá)到準(zhǔn)備狀態(tài)。 b.設(shè)定數(shù)據(jù)保存路徑。即開(kāi)機(jī)啟動(dòng)的程序，保證開(kāi)啟PAC時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)完成該程序 的內(nèi)容。 (2)將PAC不可直接采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大到可檢測(cè)范圍 內(nèi)，本系統(tǒng)可以直接采集的信號(hào)包括模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)(包括RS232和RS485)，然 后輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)編譯和轉(zhuǎn)換被保存在PAC的CF卡中。傳感器與PAC之間的控制方法如 下 1)開(kāi)啟GPS，根據(jù)GPS實(shí)時(shí)反映出的當(dāng)前坐標(biāo)傳送到PAC中，得出當(dāng)前實(shí)時(shí)坐標(biāo)和 規(guī)劃航跡坐標(biāo)之間的距離差(通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換)，通過(guò)事先自己制定的模糊控制查表法來(lái)確 定當(dāng)前主機(jī)的轉(zhuǎn)速。PAC把當(dāng)前對(duì)應(yīng)主機(jī)轉(zhuǎn)速的命令的程序傳送到主機(jī)控制器中，從而控制 主機(jī)當(dāng)前的速度。 2)根據(jù)三維電子羅盤測(cè)得的船舶航行方向與規(guī)劃航跡之間的夾角，通過(guò)事先自己 制定的模糊控制查表法來(lái)確定當(dāng)前舵機(jī)打舵的方向和度數(shù)。PAC把當(dāng)前對(duì)舵機(jī)命令的程序 傳送到舵機(jī)控制器中，從而可以控制舵機(jī)打舵的方向和度數(shù)。 3)MTI慣性測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)得船舶航行的狀態(tài)，并記錄船舶航行過(guò)程中的三個(gè)軸 的角速度和加速度。通過(guò)積分可以求出航行的角度，通過(guò)船舶自控系統(tǒng)辨識(shí)辨識(shí)出結(jié)果。 (3)結(jié)束程序，包括常規(guī)結(jié)束和緊急結(jié)束。常規(guī)結(jié)束就是按照設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 之后自動(dòng)關(guān)閉程序。緊急結(jié)束是為了防止試驗(yàn)中發(fā)生的意外對(duì)系統(tǒng)造成破壞而采取的緊急 中斷，本系統(tǒng)在模擬量輸入模塊配置好若干端口 ，可以接報(bào)警器輸出端或者遙控器接收機(jī) 輸出端等。自控船舶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理才能成為體現(xiàn)船舶性 能的最后結(jié)果。
權(quán)利要求
一種船舶自控系統(tǒng)，其特征在于包括工業(yè)控制器、傳感器和顯示器，其中，傳感器包括GPS接收機(jī)、三維電子羅盤和MTI慣性測(cè)量系統(tǒng)；GPS接收機(jī)輸出端接工業(yè)控制器的標(biāo)準(zhǔn)RS485接口，三維電子羅盤輸出端接工業(yè)控制器的標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，MTI慣性測(cè)量系統(tǒng)輸出端與工業(yè)控制器的USB接口相連；顯示器的輸入端與工業(yè)控制器的輸出端相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶自控系統(tǒng)，其特征在于所述工業(yè)控制器采用可編程工業(yè)控制器PAC。
3. —種基于權(quán)利要求1所述的船舶自控系統(tǒng)的控制方法，其特征在于包括如下步驟(1) 工業(yè)控制器系統(tǒng)設(shè)置a. 系統(tǒng)的初始化，對(duì)采樣通道進(jìn)行參數(shù)設(shè)置并對(duì)采樣通道進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)清零，所述參數(shù)包括采樣通道數(shù)、通道的輸入量程、設(shè)置采樣時(shí)間、頻率；b. 設(shè)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存路徑；(2) 將GPS接收機(jī)、三維電子羅盤采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大到可檢測(cè)范圍內(nèi)，然后輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)編譯和轉(zhuǎn)換保存在工業(yè)控制器的CF卡中；MTI慣性測(cè)量系統(tǒng)采集的信號(hào)直接保存在工業(yè)控制器的CF卡中；(3) 結(jié)束程序，包括常規(guī)結(jié)束和緊急結(jié)束常規(guī)結(jié)束即按照試驗(yàn)方案設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之后自動(dòng)關(guān)閉船舶自控系統(tǒng)；緊急結(jié)束是為了防止試驗(yàn)中發(fā)生的意外對(duì)系統(tǒng)造成破壞而采取的緊急中斷，在工業(yè)控制器的模擬量輸入模塊配置若干端口 ，所述端口接報(bào)警器輸出端或者遙控器接收機(jī)輸出端，當(dāng)試驗(yàn)中發(fā)生的意外對(duì)系統(tǒng)造成破壞時(shí)，通過(guò)報(bào)警器或者遙控器接收機(jī)報(bào)警和關(guān)閉船舶自控系統(tǒng)。
4. 一種基于權(quán)利要求1所述的船舶自控系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述傳感器與工業(yè)控制器之間的控制方法如下1) 開(kāi)啟GPS，根據(jù)GPS實(shí)時(shí)反映出的當(dāng)前坐標(biāo)傳送到工業(yè)控制器中，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得出當(dāng)前實(shí)時(shí)坐標(biāo)和規(guī)劃航跡坐標(biāo)之間的距離差，通過(guò)事先自己制定的模糊控制查表法來(lái)確定當(dāng)前船舶主機(jī)的轉(zhuǎn)速；工業(yè)控制器把當(dāng)前對(duì)應(yīng)主機(jī)轉(zhuǎn)速的命令的程序傳送到主機(jī)控制器中，從而控制船舶主機(jī)當(dāng)前的速度；2) 根據(jù)三維電子羅盤測(cè)得的船舶航行方向與規(guī)劃航跡之間的夾角，通過(guò)事先自己制定的模糊控制查表法來(lái)確定當(dāng)前舵機(jī)打舵的方向和度數(shù)；工業(yè)控制器把當(dāng)前對(duì)舵機(jī)命令的程序傳送到舵機(jī)控制器中，從而控制舵機(jī)打舵的方向和度數(shù)；3) MTI慣性測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)得船舶航行的狀態(tài)，并記錄船舶航行過(guò)程中的三個(gè)軸的角速度和加速度；通過(guò)積分可以求出航行的角度，通過(guò)船舶自控系統(tǒng)辨識(shí)辨識(shí)出結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種船舶自控系統(tǒng)及其控制方法，本發(fā)明系統(tǒng)包括工業(yè)控制器、傳感器和顯示器，其中，傳感器包括GPS接收機(jī)、三維電子羅盤和MTI慣性測(cè)量系統(tǒng)。本發(fā)明方法包括如下步驟(1)工業(yè)控制器系統(tǒng)設(shè)置，(2)將GPS接收機(jī)、三維電子羅盤采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大到可檢測(cè)范圍內(nèi)，然后輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)編譯和轉(zhuǎn)換保存在工業(yè)控制器的CF卡中；MTI慣性測(cè)量系統(tǒng)采集的信號(hào)直接保存在工業(yè)控制器的CF卡中；(3)結(jié)束程序。本發(fā)明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，方案設(shè)定方便。
文檔編號(hào)G05D1/02GK101739029SQ20091023261
公開(kāi)日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月3日
發(fā)明者崔健, 楊松林, 王勇, 程海邊, 范凱, 馬連祥 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)