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)明屬于自動控制技術(shù)領(lǐng)域，船用新型可控系統(tǒng)裝置，旨在通過該可控系統(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)：
自控自航船舶在當今世界上扮演著越來越重要的角色。從小的方面說可以完成預(yù)計的實驗，從而得出船舶的各種性能。從大的方面說如現(xiàn)在各國都在積極研制的水面無人艇，被視為未來海上決定成敗的重要工具，是彰顯一個國家強盛的重要標志。在民用領(lǐng)域的功能也有很多，如清理海上垃圾；清理水面藍藻；監(jiān)測天氣等。而自控自航運動的關(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)成就是整個船模運動的"大腦"。而提供船模自控自航的這個"大腦"是由各種既相互獨立但又互相依賴，緊密聯(lián)系的動力裝置及其各類傳感器組成的一個總的自控自航可控系統(tǒng)裝置。國內(nèi)關(guān)于無人艇裝置的專利多是用單片機控制，人們通過反饋信號控制船舶運動，屬于半人工半自動狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(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、三維電子羅盤和MTI慣性測量系統(tǒng)；GPS接收機輸出端接工業(yè)控制器的標準RS485接口 ，三維電子羅盤輸出端接工業(yè)控制器的標準RS232接口 ，MTI慣性測量系統(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，對采樣通道進行參數(shù)設(shè)置并對采樣通道進行計算機自動清零，所述參數(shù)包括采樣通道數(shù)、通道的輸入量程、設(shè)置采樣時間、頻率；
b.設(shè)定試驗數(shù)據(jù)保存路徑； (2)將GPS接收機、三維電子羅盤采集的信號經(jīng)過信號放大器進行轉(zhuǎn)換和放大到可檢測范圍內(nèi)，然后輸入的信號經(jīng)過編譯和轉(zhuǎn)換保存在工業(yè)控制器的CF卡中；MTI慣性測量系統(tǒng)采集的信號直接保存在工業(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)束即按照試驗方案設(shè)定的時間自動進行數(shù)據(jù)采集之后自動關(guān)閉船舶自控系統(tǒng)；緊急結(jié)束是為了防止試驗中發(fā)生的意外對系統(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 ，所述端口接報警器輸出端或者遙控器接收機輸出端，當試驗中發(fā)生的意外對系統(tǒng)造成破壞時，通過報警器或者遙控器接收機報警和關(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)開啟GPS，根據(jù)GPS實時反映出的當前坐標傳送到工業(yè)控制器中，通過坐標轉(zhuǎn)換 得出當前實時坐標和規(guī)劃航跡坐標之間的距離差，通過事先自己制定的模糊控制查表法來 確定當前船舶主機的轉(zhuǎn)速；工業(yè)控制器把當前對應(yīng)主機轉(zhuǎn)速的命令的程序傳送到主機控制 器中，從而控制船舶主機當前的速度； 2)根據(jù)三維電子羅盤測得的船舶航行方向與規(guī)劃航跡之間的夾角，通過事先自己 制定的模糊控制查表法來確定當前舵機打舵的方向和度數(shù)；工業(yè)控制器把當前對舵機命令 的程序傳送到舵機控制器中，從而控制舵機打舵的方向和度數(shù)； 3)MTI慣性測量系統(tǒng)實時測得船舶航行的狀態(tài)，并記錄船舶航行過程中的三個軸 的角速度和加速度；通過積分可以求出航行的角度，通過船舶自控系統(tǒng)辨識辨識出結(jié)果。
本發(fā)明以PAC為主導，串連其他傳感器裝置，通過數(shù)據(jù)采集并反饋出的信號在PAC 中自主識別并運行，不需人工操作，屬于完全自航狀態(tài)。本系統(tǒng)的發(fā)明相當于一個中間試驗 的可控裝置平臺，可以應(yīng)用于任何高性能船舶上，有著靈活性強，實用性強等特點。
PAC具有以下特點(l)多功能性，在一個平臺上有邏輯、運動、PID控制、驅(qū)動和 處理中的至少兩種以上功能。(2)單一的多規(guī)程開發(fā)平臺使用通用標簽和單一的數(shù)據(jù)庫來 訪問所有的參數(shù)和功能。(3)通過結(jié)合IEC61131-3，用戶向?qū)Ш蛿?shù)據(jù)管理，軟件工具能設(shè) 計出在跨越多個機器和處理單元的處理流程。(4)開放的模塊化構(gòu)架能解決的工業(yè)應(yīng)用可 從控制分布于工廠機器到加工車間的操作單元。(5)采用已有的網(wǎng)絡(luò)接口標準，語言等，如 TCPIP，0PC&XML和SQL查詢語言?；谝陨咸攸c，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，多樣性的編程語言能更準確的控制 整套系統(tǒng)的精確運轉(zhuǎn)。而且其所需岸基設(shè)備少，方案設(shè)計靈活，適合各種高性能船的要求。 結(jié)果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，方案設(shè)定方便，結(jié)果令人滿意。 本文采用了系統(tǒng)辨識技術(shù)來解決數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)處理問題，進行系 統(tǒng)辨識所用的數(shù)學方法進行選擇當今比較熱門的遺傳算法(Genetic Algorithms,簡稱GA) 作為本系統(tǒng)辨識程序的優(yōu)化方法，以VB6. 0作為開發(fā)語言編制出了快速性辯識程序。


圖l為系統(tǒng)構(gòu)成圖。 圖2為自控系統(tǒng)控制流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明 本系統(tǒng)的硬件構(gòu)成由工業(yè)控制器PAC、GPS接收機、三維電子羅盤、MTI慣性測量系 統(tǒng)和顯示器構(gòu)成。以PAC為中心，GPS接收機、三維電子羅盤、MTI慣性測量系統(tǒng)圍繞PAC 建立連接。GPS自身帶有數(shù)據(jù)線標準RS485接口，與PAC中標準RS485接口連接；三維電子 羅盤接一個標準的RS232接口 ，與PAC中標準RS232接口相連；MTI慣性測量系統(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，試驗結(jié)束后將CF卡中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存在計算機中，利用試驗數(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包括模擬量信 號和數(shù)字量信號(包括RS232和RS485)，輸入的信號經(jīng)過編譯和轉(zhuǎn)換被保存在PAC的CF卡 中。作為自控船舶動力和操縱組成的電機和舵機及其他設(shè)備，可以通過事先設(shè)定好的程序 控制變量的值進行轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)和舵角的自動調(diào)節(jié)等，也可以通過遙控設(shè)備根據(jù)試驗人 員的需求進行控制。這樣就避免了傳統(tǒng)試驗中人工調(diào)節(jié)試驗點的煩瑣過程，真正實現(xiàn)自控 船舶的自動化。得到的原始數(shù)據(jù)用系統(tǒng)辨識的方法，采用遺傳算法進行優(yōu)化工具，在數(shù)據(jù)分 析系統(tǒng)中進行處理，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PAC主程序后首先進行系統(tǒng)的初始化，對采樣通道進行參數(shù)設(shè)置并對采 樣通道進行計算機自動清零。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 間、頻率等，使系統(tǒng)達到準備狀態(tài)。 b.設(shè)定數(shù)據(jù)保存路徑。即開機啟動的程序，保證開啟PAC時系統(tǒng)自動完成該程序 的內(nèi)容。 (2)將PAC不可直接采集的信號經(jīng)過信號放大器進行轉(zhuǎn)換和放大到可檢測范圍 內(nèi)，本系統(tǒng)可以直接采集的信號包括模擬量信號和數(shù)字量信號(包括RS232和RS485)，然 后輸入的信號經(jīng)過編譯和轉(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)開啟GPS，根據(jù)GPS實時反映出的當前坐標傳送到PAC中，得出當前實時坐標和 規(guī)劃航跡坐標之間的距離差(通過坐標轉(zhuǎn)換)，通過事先自己制定的模糊控制查表法來確 定當前主機的轉(zhuǎn)速。PAC把當前對應(yīng)主機轉(zhuǎn)速的命令的程序傳送到主機控制器中，從而控制 主機當前的速度。 2)根據(jù)三維電子羅盤測得的船舶航行方向與規(guī)劃航跡之間的夾角，通過事先自己 制定的模糊控制查表法來確定當前舵機打舵的方向和度數(shù)。PAC把當前對舵機命令的程序 傳送到舵機控制器中，從而可以控制舵機打舵的方向和度數(shù)。 3)MTI慣性測量系統(tǒng)實時測得船舶航行的狀態(tài)，并記錄船舶航行過程中的三個軸 的角速度和加速度。通過積分可以求出航行的角度，通過船舶自控系統(tǒng)辨識辨識出結(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)定的時間自動進行數(shù)據(jù)采集 之后自動關(guān)閉程序。緊急結(jié)束是為了防止試驗中發(fā)生的意外對系統(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 ，可以接報警器輸出端或者遙控器接收機 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、三維電子羅盤和MTI慣性測量系統(tǒng)；GPS接收機輸出端接工業(yè)控制器的標準RS485接口，三維電子羅盤輸出端接工業(yè)控制器的標準RS232接口，MTI慣性測量系統(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，對采樣通道進行參數(shù)設(shè)置并對采樣通道進行計算機自動清零，所述參數(shù)包括采樣通道數(shù)、通道的輸入量程、設(shè)置采樣時間、頻率；b. 設(shè)定試驗數(shù)據(jù)保存路徑；(2) 將GPS接收機、三維電子羅盤采集的信號經(jīng)過信號放大器進行轉(zhuǎn)換和放大到可檢測范圍內(nèi)，然后輸入的信號經(jīng)過編譯和轉(zhuǎn)換保存在工業(yè)控制器的CF卡中；MTI慣性測量系統(tǒng)采集的信號直接保存在工業(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)束即按照試驗方案設(shè)定的時間自動進行數(shù)據(jù)采集之后自動關(guān)閉船舶自控系統(tǒng)；緊急結(jié)束是為了防止試驗中發(fā)生的意外對系統(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 ，所述端口接報警器輸出端或者遙控器接收機輸出端，當試驗中發(fā)生的意外對系統(tǒng)造成破壞時，通過報警器或者遙控器接收機報警和關(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) 開啟GPS，根據(jù)GPS實時反映出的當前坐標傳送到工業(yè)控制器中，通過坐標轉(zhuǎn)換得出當前實時坐標和規(guī)劃航跡坐標之間的距離差，通過事先自己制定的模糊控制查表法來確定當前船舶主機的轉(zhuǎn)速；工業(yè)控制器把當前對應(yīng)主機轉(zhuǎn)速的命令的程序傳送到主機控制器中，從而控制船舶主機當前的速度；2) 根據(jù)三維電子羅盤測得的船舶航行方向與規(guī)劃航跡之間的夾角，通過事先自己制定的模糊控制查表法來確定當前舵機打舵的方向和度數(shù)；工業(yè)控制器把當前對舵機命令的程序傳送到舵機控制器中，從而控制舵機打舵的方向和度數(shù)；3) MTI慣性測量系統(tǒng)實時測得船舶航行的狀態(tài)，并記錄船舶航行過程中的三個軸的角速度和加速度；通過積分可以求出航行的角度，通過船舶自控系統(tǒng)辨識辨識出結(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、三維電子羅盤和MTI慣性測量系統(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、三維電子羅盤采集的信號經(jīng)過信號放大器進行轉(zhuǎn)換和放大到可檢測范圍內(nèi)，然后輸入的信號經(jīng)過編譯和轉(zhuǎn)換保存在工業(yè)控制器的CF卡中；MTI慣性測量系統(tǒng)采集的信號直接保存在工業(yè)控制器的CF卡中；(3)結(jié)束程序。本發(fā)明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，方案設(shè)定方便。
文檔編號G05D1/02GK101739029SQ20091023261
公開日2010年6月16日 申請日期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 申請人:江蘇科技大學