一種氣墊船自航模遠程控制方法

2021-04-28 03:28:16唐建華韋曉富

船舶 2021年2期

唐建華徐堯韋曉富

（中國船舶及海洋工程設計研究院上海200011）

引言

自航模屬于無人船的一種，無人船是一種集智能化、網絡化、集成化、機動化和無人化于一體的新型小型水面自主航行交通工具，具有機動靈活、易操控、攜帶使用方便、易于開展實驗、成本低、效率高以及對監控環境要求低等特點，已被廣泛應用于湖泊和內河水質監測、濕地環境監測、海洋環境監測、水產養殖環境監控以及水下環境測量等各種水域環境下民用和軍用的諸多領域，具有廣泛的應用前景。

本文的論述對象是以氣墊船為母型等比縮尺設計制造的自航模。對于氣墊船自航試驗的研究，其意義在于氣墊船運動規律的強非線性和強耦合特性，數學模型預測精度低，需自航模優化；同時，安全邊界試驗的不確定性和突發性，數學模型無法預測，以實船進行試驗的可行性低。因此，按相似性原理來設計制作的氣墊船自航模，以其進行研究的試驗需對自航模型航行的運動規律及安全邊界進行測試，從而獲得自航模型在多種航行狀態下，無約束情況下的六自由度運動狀態和運動特性，驗證拖曳水池模型試驗的有關數據，是總體研究、分析實船運動特性的一種技術手段。

本文重點介紹的是自航模試驗技術中的遠程控制技術，由于自航模自由航行時控制與采集時所需通道多、數據量大，且各項參數同步測試難度大，系統時統性難以把控。所以解決好大數據量控制要素的傳輸與系統的同步性問題，是研究自遠程控制系統的關鍵技術。

本文從國內外對于自航模遠程控制方法研究現狀入手，對研制的自航模進行介紹，同時對自控系統與遠程控制系統中的關鍵技術進行介紹，對氣墊船自航模試驗技術中的遠程控制技術進行探究。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

在國際上，諸如美英法等國家，對于新型且尚不熟悉的船舶會以自航模的形式進行許多仿真試驗，從其縮尺比模型真實航行的數據而展開對母型船的研究。此類自航模的試驗方法，由于自航模不受約束、自由航行，因而更能準確地預報船舶的運動響應。比如美國的LCAC就是通過自航模型進行大量試驗，從而推導出母船的運動和控制模型。再如法國研制的“戴高樂”號航空母艦在其開發的前期階段就已經進行了長達25 m船模在海洋中的整體運動性能分析及相關用于艦艇的高新技術海試的試驗驗證，這些分析及試驗在船舶研制開發等方面起到了重要作用。其不受約束、自由航行的狀態對遠程控制提出了較高要求，相應的遠離岸基的控制技術也隨之發展。

1.2 國內研究現狀

我國的自航模研究技術較發達國家起步較晚，技術相對薄弱，主要體現在自航模的自航模的設計水平和仿真試驗環境等因素。對于仿真試驗環境，國內對于自航模的研究大多基于有限室內水池，有限的運動范圍對于其控制的距離并沒有過高的要求。

然而，隨著自航模試驗技術的發展，擺脫有約束的室內或室外水池進行仿真試驗是發展的趨勢，其遠程控制方法顯得尤為重要。國內無人船與岸基的通信可滿足長距離傳輸的方式還是以第2代移動通信技術——GPRS技術為主。雖然此種傳輸可遠距離傳輸，但傳輸信息相對簡單，無法滿足復雜應用場景。本文所涉及的自航模具備在開闊水域自由航行的能力，同時其遠程控制方法運用4G通信，滿足傳輸復雜數據指令實時傳輸的需求。

2 自航模試驗簡介

本文介紹的氣墊船自航模總長小于5 m，總重小于200 kg，其試驗中控制流程見下頁圖1。它不同于常規水線面船艇，具有總重輕、航速高的特征，還包含水線面船艇所沒有的圍裙、空氣螺旋槳、墊升風機、空氣舵等特種設備。同時，所進行的試驗需在無障礙物的開闊水域進行，水域面積不小于1.5 km×1.5 km，數據傳輸距離長和數據傳輸同時性也需要保障。

自航模運動進行非線性仿真試驗時，選擇在開闊水域以獲得相對真實的試驗數據，因此，開闊水域對自航模遠離岸基的遠程操作控制提出了較高的要求。此外，還需對研制的氣墊船自航模位置、航速、姿態、氣墊壓力和運動等參數進行測試。對墊升風機、推進電機、舵機和風門電機等重要設備需進行遠程控制（控制要素見表1）。

圖1 試驗流程框圖

表1 自航模試驗重要控制要素

遠離岸基后，在保證數據長距離傳輸穩定性同時，大量的控制指令互換，對遠程控制系統通信傳輸要求較高。同時，運動參數、操縱面參數和環境參數同步測試難度大。因此，大數據量控制要素的傳輸與系統的同步性問題需要重點解決。

3 遠程控制系統介紹

為實現氣墊船自航模遠程控制的穩定與高效，其關鍵技術在于解決需大數據量控制要素的傳輸與系統的同步性問題。本節對遠程控制系統進行介紹，控制系統分為自控系統與遠程控制系統兩個部分。自控系統以SIMATIC S7-1200系列為基礎，以ZP3000的4G傳輸通道實施大數據量無線遠程控制，通過調用采集系統中的GPS授時功能來實現參數采集的同步性。

對于控制系統的整體搭建，通過陸上操作系統與艇上系統的連接，實現遠距離控制（其簡圖見下頁圖2）。

3.1 自航模自控系統簡介

該自航模自控系統的控制方案是以SIMATIC S7-1200系列為基礎設計的控制系統。

該型號的PLC具有強大的集成工藝功能和靈活、豐富的可擴展性等特點，并有多種標準化模塊可供選擇，便于后續的功能擴展需求。在研發過程中充分考慮了系統、控制器、人機界面和軟件的無縫整合和高效協調的需求，以滿足本次試驗中的自動化需求。

西門子S7-1200 PLC的用戶存儲器125 kB 工作存儲器 /4 MB 負載。存儲器，可用專用 SD 卡擴展 /10KB保持性存儲器。

S7-1200 PLC的技術參數如下頁表2所示。

（1）模擬量輸入模塊SM 1231 AI 8·13位

● 輸入路數：8路

● 輸入類型：±10 V，±5 V，±2.5或者 0～20 mA

● 精度：11 位 + 符號位，滿量程的 ±0.3%/

圖2 控制系統

圖3 SIMATIC S7-1200

（2）模擬量輸出模塊SM 1232 AQ 4×14位4×14 位

● 輸出路數：4路

● 輸出類型：±10 V 或者 0～20 mA

● 精度：電壓：14 位；電流：13 位，滿量程的±0.3%/

（3）4 G通信模塊：CM 1241 RS232

通信模塊 CM1241 可直接使用以下標準協議：

ASCII用于單工傳輸協議的第3方接口，例如帶起始碼和結束碼的協議或帶塊檢驗符的協議。通過用戶程序，可以調用和控制接口的握手信號。

● 數字電位器AS28-50-5

● 非接觸式，磁感應測量技術，使用壽命長

表2 S7-1200 PLC的技術參數

● 工作量程 0～360°遞增（無限位）

● 模擬電壓信號 0～5 V 輸出，5 V 供電

● 模擬電流信號 0～20 mA 輸出，24 V 供電

● 選定量程范圍內連續信號輸出，分辨率 16位，獨立線性高達±0.03%

● 插按式齒合或聯軸器連接

● 防護等級 IP54 或 IP67

3.2 大數據量控制要素的傳輸

該自航模無線遠程控制選用的是ZP3000 系列，遠程控制網關是一種物聯網無線通信網關，支持國際通用標準的FDD-LTE、TDD-LTE、WCDMA（HSPA+）、CDMA2000（EVDO）、TD-Scdma等3 G/4 G移動寬帶網絡制式，提供方便快速的高速網絡傳輸功能。該系列產品采用高性能的32位專業網絡通信處理器，以嵌入式實時操作系統為軟件支撐平臺，為用戶提供安全，高速，穩定可靠的3G/4G無線路由網絡，并支持2個以太網RJ45接口和通信串口。

圖4 無線遠程控制網關ZP3000系列

該系列產品可廣泛應用于工業現場各類 PLC和觸摸屏的遠程控制，程序上下載及狀態監控等。各類網絡設備、232/485 串口設備點對點通信、視頻監控和串口數據采集等。

ZP3000支持 4 G LTE 網絡、WiFi、IEEE802.11 b/g/n ，向下兼容 3 G 和 2 G ，支持有線和 4 G 備份，可自動切換。可提供標準 RS-232/485 串口，支持串口 DTU（數據傳輸終端）功能。同時Superlink軟件遠程組網，可實現點對點、點對多點傳輸。其遠程RS232/485 數據傳輸，支持無線透傳 /Modbus協議。

ZP3000接口有WAN/LAN：1·WAN+1·LAN或配置 2·LAN 兩個以太網接口（RJ45 插座），自適應MDI/MDIX。其工業串口有1個通信RS485/RS232 接口，適用于本身帶有 RS485/232 接口的采集設備。接口示意圖參見圖5。

圖5 ZP3000接口示意圖

因此，對于表1中所涉及的關于風機控制、舵機控制、風門關閉裝置控制、驅動器故障處置、失聯控制和緊急處置等大量控制要素的數據傳輸，以及航速、姿態、氣墊壓力和運動等參數測試時需實時發出的采集控制指令的數據傳輸，均可按圖6的傳輸方式通過ZP3000的4 G網絡高速有效地進行。

圖6 遠程連接示意圖

3.3 系統的同步性

為保證遠程控制系統實施控制時對各參數實現同步控制，可采用調用采集系統中的GPS授時功能來實現。

該自航模使用的數據系統關鍵參數如表3所示。

表3 自航模使用的數據系統關鍵參數

由于通道很多，故采用兩塊數據采集模塊，系統連接方案見圖7。

圖7 系統連接方案

圖中，可以采用網絡或遠程桌面形式實現岸上工控機或船上工控機的數據通訊和遠程控制。

使用采集系統的GPS授時功能，可以實現模擬量通道和北斗信號的同步采集。只需在每次試驗前對模擬量和DGPS信號進行同步控制，界面見圖8。

圖8 同步控制界面

4 航模試驗

在某大型氣墊船模型試驗中，為更全面地對運動狀態下的自航模型進行研究，自航模試驗選擇在蘇州某湖泊開闊水域進行無約束自航試驗。試驗主要目的是測試加速、制動、回轉和航向穩定等運動性能，試驗內容主要包括直航和慣性試驗、回轉試驗等。

進行自航模試驗時，將所需操作各項指令集成于駕控臺，從岸基駕控臺進行遠程控制，駕控臺的操作界面見圖9。

圖9 操作界面

自航模慣性試驗中，自航模加速到要求航速穩定一定時間后，通過岸基駕控臺遠程控制來降低推進風機轉速。控制指令發出時，參數采集儀器能明顯記錄其速度變化（見下頁圖10）。

圖10 慣性試驗遠程控制速度

自航模回轉試驗中，自航模直航加速到要求航速后，通過岸基遠程控制操縱空氣舵角度。從岸基駕控臺控制指令發出，同一時間舵角角度調整和舵角變化情況見圖11。

圖11 回轉試驗遠程控制舵角

在自航模各系試驗中，通過操作岸基控制界面向自航模船載控制系統發出控制命令，船載控制系統依據不同的控制命令進行相應的運動，可實現岸基系統對船載系統的遠程控制功能。同時，岸基系統能夠實時獲得船載系統的各項參數信息，可完成船載系統與岸基系統的遠程通信功能。通過各系統協調配合，可完成諸如圖12回轉航行等復雜運動，以滿足研究母型船試驗所需的航行要求。