高性能水域無人巡查裝置電機控制系統的應用設計

方佳韻， 鐘 敏

(上海電器科學研究所(集團)有限公司，上海 200063)

0 引言

在國際上，無人駕駛近海巡查裝置目前已成為研究熱點，該裝置體積小、靈活性好，無論在民用還是軍事方面都有廣泛應用。

本文介紹的高性能水上無人巡查裝置與國內研發的水域探測器不同，其采用先進的無線通信技術，覆蓋范圍廣，工作區域大，具有靈活性好、智能化程度高、可以有效增大信息獲取半徑、適宜水域行動等特點，可與控制中心交互聯動形成完整的監控系統，在現代近岸的偵查、監視等應用中具有越來越廣泛的用途，對于提高水域技防手段，應對突發事件有著重大的現實意義。

1 設計目標

本文介紹的高性能水上無人巡查裝置需要具有三種不同的操作模式:有人駕駛、遠程遙控和無人自動駕駛。有人駕駛是指人工控制巡查裝置，該模式只用于緊急狀態，通過駕駛員操縱(緊急機械控制)和就地操縱(維護人員電動控制)實現;遠程遙控是指通過無線的方式接收控制中心信號來控制船的動作，并將船舶運行狀態傳到控制中心;無人自動駕駛是最為智能化的操作模式，在無人裝置上安裝自動導航設備，控制系統根據設定軌跡自動駕駛，實現自動巡邏、自動避碰功能。本文介紹的巡查裝置為直流電動推進設備，采用48 V蓄電池供電，帶動永磁無刷直流電動機，采用雙線絕緣系統，電源采用免維護鉛酸蓄電池。

設計階段分為系統整體設計、硬件設計、通信設計和軟件設計四個部分。系統整體設計提供對系統的整體設計描述;硬件設計實現系統功能所需要的硬件;通信設計規定系統內數據通信方式;軟件功能設計包含人機交互系統、仿真模擬系統和虛擬儀表設計等。

預期達到的技術指標如下:

(1)自航移動速度(4節)＞2 m/s(最好是大于3 m/s);

(2)最小轉彎半徑為10 m;

(3)續航時間＞8 h(定點狀態:24 h);

(4)最遠距離＞40 km(作業半徑)，最大距離為100 km;

(5)定位方式為全球定位系統(GPS)+慣性導航(可淺航定位);

(6)噪聲(工作情況下)為40 dB;

(7)有失蹤自浮;

(8)姿態控制為自動，遙控;

(9)定位精度為10%航程(GPS+慣導);

(10)重量為1 200 kg;

(11)觀察與聯絡平臺高度(觀察和遙控模式)＞2.5 m;

(12)穩性滿足內河船穩性規范對B級類航區的要求。

2 基本設計概念和處理流程

整個系統包括水上控制系統和監控中心系統兩部分。

水上監控系統組成如下:硬件由可編程邏輯控制器(PLC)和采集模塊組成，PLC有三個通信口，分別與船上人機界面、AIS和M-PORT通信;軟件上PLC采用SIMATIC Step7 MicroWin SP3 V4.0編程序。控制模塊包括:舵機控制單元，左右推進器控制單元，信號燈控制單元，探照燈控制單元，喇叭控制單元，船艙溫度控制單元;電量采集單元，包括對48 V和24 V供電系統的電壓和電流進行檢測;AIS通信單元采用自動通信協議對AIS和雷達信號進行采集;監控中心通信單元采用MODBUS RTU通信協議;船上監控單元集中顯示各系統數據通信協議PPI協議。

集控中心系統組成如下:硬件由模擬駕駛盤和計算機組成，模擬駕駛盤通過方向盤控制船的運行方向，左右油門控制前進、后退及運行速度;軟件中模擬駕駛盤通過USB口與計算機相連，通過VC++6.0軟件編寫觸摸通信軟件，并將數據傳給監控軟件。

計算機監控軟件通過MPORT串口與船上PLC進行串口通信，實現人際交互功能，畫面設計分為航行畫面和模擬現場駕駛畫面。

3 推進器特性

本船屬于吊艙式電力推進船舶，推進裝置采用直流電動機直接連接定距螺旋槳。主機為永磁無刷直流吊艙電動機，額定功率為2 kW，額定轉速為1 000 r/min。吊艙帶動螺旋槳可以左右轉動，改變推力方向，促使船舶改變航向。因此，本船不設舵系統。吊艙電動機整體密封，控制可靠，防堵轉需采用雙重限位報警開關。

本船采用的電動掛機是動力和推進合一的系統，兩臺掛機懸掛在甲板后端中軸線兩側位置，電動掛機水深不超過基線。電動掛機由以下部件組成:(1)水下電機，將電機置于水下，能降低電機工作溫度;(2)螺旋槳推進器，與電機直接相連提高效率;(3)電機控制器，用于改變電機的轉速和旋轉方向;(4)掛機外殼，作為電機的殼體和導線通道;(5)懸掛組件，將掛機與船舶支架固定;(6)液壓推拉系統，在掛機的推進方向實現左右各30°旋轉，使船舶及時改變航向;(7)蓄電池，為掛機提供直流電力;(8)充電器，交流220 V向蓄電池充電。

采用的電動機為永磁無刷直流電機，具有體積小、效率高的優點，置于掛機下端，浸在水中，散熱效果好。電機與螺旋槳直接連接以提高效率。掛機外殼主軸處為水密結構，防止水進入電機影響正常工作。掛機外殼為流線型，側面積較大，船舶停機滑行時能起到舵的作用。由于雙體船中間水流速度大于船兩側，舵效比較明顯。根據需要電動掛機可以向上翹起，便于清除螺旋槳上的雜物和更換螺旋槳。

本船電源設計為大于8 h供電，配置免維護鉛酸蓄電池2組，型號為D-250/6 V，8只一組串聯再2組并聯為1套，容量為450 Ah/48 V，共2套(32只)，蓄電池置于玻璃鋼制成的防水箱中。電動機每臺功率為2 kW/48 V，共2臺。

停航時有岸電對蓄電池充電。充電機為硅整流可調充電機，型號為GCA-40 A/0～48 V，充電電流為0～40 A，可任意調節。

雙體船滿載和空載情況下:橫搖角 θi=9.53°;橫搖自搖周期Tθ=4.08 s。

4 控制系統設計

本文介紹的控制系統是一套自動操控的接收執行系統。首先操控電動掛機的調速控制器(改變螺旋槳的旋轉速度和方向)實現停—加速—減速—停—反轉加速—反轉減速—停的功能;其次是舵機操控液壓推拉系統改變推進器方向:中間—向左—回中—向右—回中。同時，具有信息反饋裝置，岸站主控室能實時了解運行狀態;操舵左滿舵35°至右滿舵35°最大持續操縱時間小于20 s，可往返連續操作;控制可靠，防堵轉需采用雙重限位報警開關。

本船電機控制器采用數字信號處理器(DSP)調節輸出功率，應用了較多新技術，具有極高的工作效率、完善的保護功能，工作可靠穩定，操縱簡單，使用方便。其主要技術參數如下:輸入電壓為直流48 V±15%;輸出電壓為直流0～45 V;額定輸出電流為40 A DC;保護為60 A時自動限流。

控制系統還包括對以下子系統的監控。

(1)配電系統:分48 V配電盤和24 V/12 V配電盤對全船的用電設備進行管理，通過電壓、電流傳感器檢測蓄電池的運行狀態，并將信號上傳到控制中心。

(2)推進系統:通過2臺2 kW的無刷電機控制器控制推進系統正轉、反轉、停和調速，實現速度的無級調節，內置過流、欠壓和堵轉保護功能。

(3)舵機控制:通過電機控制舵的轉向、左右擺動動作和擺動速度，并把舵角數據上傳，具有過流、欠壓保護功能。

(4)PLC控制柜:通過PLC采集各設備的運行狀態，對推進系統和舵角系統控制，并完成與岸基控制室計算機的通信。

(5)水上裝置駕駛臺和岸基控制室觸摸屏集中顯示船上各系統的信息，并接收用戶的操作進行遙控駕駛。可方便擴展至無人自動駕駛，配置自動駕駛設備監控接口，實現水上裝置就地手動駕駛和遠程遙控駕駛及自動駕駛切換功能。

(6)航行信號燈:信號燈的電壓為24 V DC。

(7)蓄電池檢測、保護和維護:檢測蓄電池電壓、電流，實現過流、過熱保護。

(8)底艙液位檢測:檢測艙底液位，當船漏水時自動打開排水泵。

(9)雷達導航系統:讀取導航系統的數據，并上傳到岸控室。

(10)通信播音設備:對外擴音裝置，電笛。

(11)遠程遙控設計:通過PLC通信接受控制中心的控制信號，控制輸出開關，實現無線遙控;推進系統和舵角系統的控制，實現手動和遠程無線遙控推進系統和舵角的動作;船體總體動力系統和保護系統及導航系統的設計選型、指導裝配并調試，實現有人和無線遙控控制，并下水測試各分系統，實現數據上傳和遠程及手動控制，完善系統的硬件和軟件;讀取導航系統數據，控制船舶自動航行，實現定點巡邏，防碰撞。

(12)遙控與通信:通過水面無線通道實現遙控與通信。

組合導航系統(GPS+AIS+RADER)，GPS不斷修正，以提高系統的精度和可靠性，實現對移動目標的自動跟蹤與避障;同時，集成檢測電羅經、GPS、測深、測速設備數據，并進行配套組合，集成應用，開發總監控界面。

本文介紹的系統預留太陽能電源安裝位置，以后可作為裝置的工作電源，也可作為蓄電池的充電電源，延長蓄電池的工作時間。預留水下通信和監測設備安裝位置，以后可實現水下通道遙控與通信，能將水下監視系統與水聲傳輸合一，實現遙控與監視同步。

5 操控界面

在駕駛室操縱臺上設有電壓表、電流表各一只，以便監視蓄電池用電情況。操縱器用直流電機無級變速操縱器，可以人工操作也可自動控制操作，人工操作時由方向盤改變航向，由手柄操作改變前進、后退和調節速度。

AIS智能導航儀及避碰雷達具有自動標繪功能，并進行配套組合，集成應用，開發總控制界面，提高水上裝置視頻巡查監控系統的抗沖擊性和可靠性。船用觸摸屏選用彩屏，通過圖表和文字的形式顯示船的運行狀態和信息。在動力操作畫面上設舵機和推進器的操作，用戶通過點擊相應的方向鍵控制船只的開停、轉向和速度，畫面上顯示船只推進器的轉速和舵角方向，并能控制船上的電氣設備。狀態反映通信是否正常，系統是否有報警信息;手動按鈕用于自動、手動、遙控功能切換;信息為提示報警列表。

6 結語

本文介紹的高性能水上無人巡查裝置具有體積小、靈活性好、自動化程度高、節省人力、可適應不同任務需求，可以有效增大信息獲取半徑、適宜水上布防、中心監控等特點，將在世博期間的水上安全保衛工作方面發揮重要的作用。同時，高性能水上無人巡查裝置作為一種新的信息偵查、獲取模式和手段，符合近海安全保衛工作的實際需要，并可擴展成為我國近海的綜合信息獲取平臺。在未來的海事行動中，高性能水上無人巡查裝置將大顯身手。

［1］GB/T 19001—1994，質量體系 設計、開發、生產、安裝和服務的質量保證模式［S］.1994.

［2］GB/T 7358—1998，船舶電氣設備系統設計［S］.1998.