電子穩(wěn)定平臺在無人船干擾設(shè)備上的應(yīng)用

姚 力沈佳琪戴 歡

(中國船舶集團有限公司第八研究院,江蘇 揚州 225101)

0 引言

無人艇出現(xiàn)較晚但發(fā)展迅速,相比其他移動式觀測平臺,無人值守的特性決定了其具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和經(jīng)濟性。它行動靈活快速,在危險海域、惡劣環(huán)境下具有無可比擬的巨大優(yōu)勢。無人船也存在一定劣勢,體積小,靈活的同時受海情水況影響更劇烈,對船載設(shè)備的體積、質(zhì)量、精度以及靈活性、反應(yīng)速度要求更高。電子穩(wěn)定平臺省去了機械結(jié)構(gòu),通過姿態(tài)傳感器實時測量船體縱、橫搖等姿態(tài)信息,并進(jìn)行坐標(biāo)變換,直接補償給方位及俯仰控制器,實現(xiàn)精確跟蹤。

1 干擾指向設(shè)備伺服控制基本原理

偵察設(shè)備發(fā)現(xiàn)目標(biāo),并將目標(biāo)信息(方位、俯仰)送給干擾設(shè)備;干擾設(shè)備根據(jù)偵察設(shè)備的位置信息對目標(biāo)信息進(jìn)行解算,得到目標(biāo)點相對于自身的方位、俯仰信息,并結(jié)合船身的縱橫搖進(jìn)行補償;最后控制執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行動作,實現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤及干擾。如圖1所示,、分別為偵察設(shè)備、干擾設(shè)備位置,為目標(biāo)點,以、為原點分別建立、坐標(biāo)系,、分別為(目標(biāo)點)在2個坐標(biāo)系上的投影,、、、分別為目標(biāo)點對應(yīng)2個坐標(biāo)系的俯仰、方位角。

圖1 偵察設(shè)備目標(biāo)解算

為大地直角坐標(biāo)系,指向直角坐標(biāo)系,沿鉛垂線向上,按右手定則確定。

2 縱橫搖補償坐標(biāo)變換[5-6]

2.1 極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

如圖2 所示,將點的直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo):

圖2 直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)

式中:為目標(biāo)點距坐標(biāo)原點的距離;為俯仰角;為方位角。

2.2 縱橫搖補償[7]

(1) 橫搖角影響

僅橫搖角影響時,認(rèn)為是繞軸旋轉(zhuǎn),軸方向分量不變,和軸轉(zhuǎn)角度。設(shè)變化前直角坐標(biāo)為(,,),變化后為(,,),可得:

(2) 縱搖角影響

僅縱搖角變化時,可看做繞軸旋轉(zhuǎn),軸方向分量不變,和軸轉(zhuǎn)角度。設(shè)變化前直角坐標(biāo)為(,,),變化后為(,,),可得:

(3) 航向角影響

僅航向角變化時,可看做繞軸旋轉(zhuǎn),軸方向分量不變,和軸轉(zhuǎn)角度。設(shè)變化前直角坐標(biāo)為(,,),變化后為(,,),可得:

(4) 縱橫搖以及航向的影響為:

式中:(,,)為極坐標(biāo)系下的目標(biāo)位置。

將式(1)、(2)、(3)、(4)代入式(5)可得:

為計算方便,進(jìn)行歸一化處理,將距離參數(shù)舍去。

(5) 航向及縱橫搖補償后的俯仰、方位計算:

3 MATLAB仿真驗證與DSP實現(xiàn)

3.1 仿真與驗證

基于MATLAB/Simulink編寫m 語言程序?qū)ψ鴺?biāo)變換公式進(jìn)行仿真驗證。圖3和圖4分別為仿真模型和縱橫搖角度變化對方位俯仰角度變化影響的仿真結(jié)果。

圖3 電子穩(wěn)定平臺MATLAB/Simulink仿真

圖4 方位、俯仰的縱橫搖補償

利用MATLAB/Embeded Coder Toolbox,將MATLAB文件進(jìn)行編譯,直接下載到DSP28335進(jìn)行測試。方位角、俯仰角、航向角保持不變,改變縱橫搖角度,對方位、俯仰角度進(jìn)行補償計算,部分結(jié)果如表1所示。

表1 縱橫搖補償運算結(jié)果

表1對計算結(jié)果采用小數(shù)點后3位,方位、俯仰補償?shù)臄?shù)字信號處理(DSP)計算誤差均小于0.001,可以滿足后續(xù)伺服控制系統(tǒng)的精度要求。

3.2 試驗結(jié)果及分析

無人船載設(shè)備拋錨在一固定點位,給定一連續(xù)的虛擬目標(biāo)航跡,干擾設(shè)備伺服機構(gòu)動作,指向目標(biāo)位置,實現(xiàn)干擾設(shè)備對目標(biāo)的跟蹤和實時干擾,部分實驗數(shù)據(jù)見表2～表5。由實驗及計算結(jié)果可知,跟蹤誤差小于2°,滿足設(shè)計精度要求。圖5、圖6分別為設(shè)備指向的方位俯仰實際角度以及與目標(biāo)角度的誤差。

表2 設(shè)備位置GPS信息

表3 目標(biāo)位置GPS信息

表4 無人船載設(shè)備姿態(tài)數(shù)據(jù)

表5 方位數(shù)據(jù)及誤差

表6 俯仰數(shù)據(jù)及誤差

圖5 方位角度及誤差

圖6 俯仰角度及誤差

4 結(jié)束語

本論文論述了一種基于無人船干擾設(shè)備的電子穩(wěn)定平臺的實現(xiàn)方法,仿真測試及試驗結(jié)果顯示,該方法可以有效地實現(xiàn)船體縱橫搖及航向變化對干擾設(shè)備方位俯仰的干擾補償,在實際應(yīng)用中效果良好,有效補償了船體縱橫搖對無人船載設(shè)備的影響。