船用激光测距仪稳定平台伺服控制系统设计与实现
船用激光测距仪稳定平台伺服控制系统设计与实现
作者:王中石;李峰;王宏健;马海龙;宋志远
海上救助是海运业和其他海上活动的派生需要。由于海上环境的复杂、恶劣,导致船舶事故时有发生,因此,海上救助变得尤为重要。利用激光测距仪实时检测海上失事船舶的方位和距离是有效实施海上救助作业的重要手段之一,但是恶劣海况条件所造成的救助船舶的剧烈摇摆使得测距传感器难以有效地捕捉目标,而长时间目标丢失必然造成救助船舶跟踪失事目标或保持与目标相对定位的失败。国内针对车载摄像机稳定平台、火炮目标跟踪稳定平台、雷达天线稳定平台、海底声呐稳定平台等的设计可见文献介绍,但是用于水面船用测距传感器的稳定平台的设计尚未见报道。本课题根据激光测距仪在救助船舶上的安装位置(两舷侧安装和船艉中心线处安装),并考虑到舷侧安装时船舶横摇运动对激光测距效果干扰最大;船艉围栏中心线处安装时船舶纵摇运动对激光测距效果干扰最大。因此,确定采用单自由度稳定平台方案设计该稳定平台的机械结构及其伺服控制系统。采用经典控制理论和方法,实现稳定平台运动控制,以达到减少船体摇摆对测距效果影响的目的,从而确保激光测距仪实时、有效地测量失事船舶目标。最后,通过四自由度转台模拟船舶运动,完成稳定平台控制性能试验,对稳定平台控制系统加以验证。
1 稳定平台结构与伺服控制系统设计
1.1 机械结构设计
DIEMTIX两种型号激光测距仪的安装需求,本文采用 U 型、内外式框架结构设计稳定平台,可满足DIEMTIX背部安装和DIEMTIX底座安装等方式的要求。平台机械结构由外支架、内支架、电机支架、小轴、轴承座等部分组成。
1.2 伺服控制系统设计
伺服系统是自动控制系统的一种,它是用来控制被控对象的某种状态,使其能自动、连续、精确地复现输入信号的变化规律。一个伺服系统通常包含被控对象、执行器、控制器、测量元件等部分。
1.2.1 输入测量元件
选用北京七维航测科技发展公司的 MTI-G 微型航姿系统作为控制系统的测量元件,用于测量船体姿态。采用 RS-232 串口实时采集航行姿态数据,串口通信波特率为 9 600bps,采样频率 50Hz。
1.2.2 控制驱动元件
选用 DS3810 多输入接口数字式直流伺服驱动器控制器作为控制驱动元件,该控制器具有多种控制模式,可以通过 RS232 实现 PC 控制、参数调整、在线监测、驱动器内部温度实时读取等功能,以及完成驱动控制器过流、过载、过压、欠压、温度、超调、失调等保护。
本文采用基于 RS232 串口通信的位置控制模式,完成驱动器初始化、控制器参数设置与指令输入等工作。初始化包括控制模式选择、电机正转方向、串口波特率设置等。控制器参数设置内容包括加速度参数、PID 参数、电机电流和电压参数等;指令输入内容包括控制角度的输入、执行位控指令等。实现电机控制,补偿船体运动所带来的外界干扰。
控制器采用经典 PID 控制,输入指令来自航姿仪读取的船舶摇摆角度,利用驱动控制器通过另一RS232 串口对电机进行位置控制。输出的控制量是稳定平台控制的期望值。
1.2.3 执行元件
对控制对象的要求是选择执行电机的重要依据。执行电机的作用是用来驱动稳定平台,根据平台自身的性质及质量,选择直流力矩电动机为执行电机。本文选用的执行元件为 110LYX-04 直流力矩电动机。力矩电机具有转速低、力矩大、力矩波动小、机械特性硬度大、线性度好等优点,可以在很低转速,甚至堵转下长期工作。
1.2.4 被控对象
本文的控制对象是激光测距仪单自由度稳定平台,其输出量(即稳定平台的转动位置量)是系统的被控制量,作为反馈量又返回伺服控制系统。
1.2.5 反馈元件
采用 1 000 线增量式光电编码器进行实时信号采集,实现对稳定平台伺服控制系统的实时位置闭环控制。其优点为构造简单、易于实现;机械平均寿命长,可达几万小时以上;分辨率高;抗干扰能力较强,信号传输距离较长,可靠性较高。缺点是无法直接读出转动轴的绝对位置。
2 PID 控制器设计与实现
2.1 PID 原理
PID 控制是控制工程中技术成熟、应用广泛的一种控制策略。PID 控制规律是一种对偏差信号进行比例、积分和微分变换的控制规律。PID 控制除可使系统的型别提高一级外,还将提供两个负实零点。与 PI 控制器相比,PID 控制器除了同样具有提高系统的稳态性能的优点外,还多提供一个负实零点,从而在提高系统动态性能方面,具有更大的优越性。因此,在工业过程控制系统中,广泛使用 PID 控制器。PID 控制器各部分参数的选择,在系统现场调试的最后阶段确定。通常,应使 I 部分发生在系统频率特性的低频段,以提高系统的稳态性能;而使 D 部分发生在系统频率特性的中频段,以改善系统的动态性能。
2.2 PID 控制器设计
建立系统的数学模型是整个系统设计工作的基础,对于电机来说,当干扰力矩为零时,将角速度作为输出量,根据本文设计的稳定平台的需要,决定采用 PID 控制器对系统进行校正。PID 控制器采用MTI-G 航姿仪提供控制输入信号,采用 1 000 线光电编码器作为反馈元件,用于实现伺服控制系统位置闭环控制。
2.3 PID 参数调节
针对激光测距仪安装于救助船两舷侧的安装方式,完成 PID 参数调试试验。模拟船舶横摇运动,其运动周期 6s,幅值分别为 5°和8°。
3 稳定平台模拟验证试验
3.1 试验方案
针对激光测距仪在船上的安装位置:直升机甲板层舷侧中心位置处和船艉围栏中心处试验分为两组,根据船舶不同的纵、横摇运动情况分别开展验证性测试。未安装稳定平台时,将激光测距仪固定在四自由度转台上,模拟激光测距仪安装于救助船直升机甲板层舷侧中心位置处,在不同横摇情况下转台运动模拟救助船搭载激光测距仪进行目标采集。通过模拟数据分析可得出结论:当单自由度模拟船舶的横摇运动幅值大于等于 8°时,激光测距仪开始丢失目标,且当存在船舶纵摇叠加运动时,目标丢失情况更为严重。在此情况下救助船舶无法实现对失事船舶的跟踪控制。
基于上述分析,本文设计了两组激光测距仪稳定平台伺服控制系统验证试验,每组都根据船舶不同的纵、横摇运动情况分别开展激光测距仪目标跟踪的验证性测试:
在舷侧安装时,稳定平台用于补偿救助船横摇运动带来的干扰。利用四自由度转台的纵摇运动模拟船的横摇运动;需要时,加入转台的横摇运动模拟船的纵摇运动叠加。
在直升机甲板层船艉围栏中部安装时,稳定平台用于补偿救助船纵摇运动带来的干扰。利用四自由度转台的纵摇运动模拟船的纵摇运动;需要时,加入转台的横摇运动模拟船舶叠加的横摇运动。试验时,转台模拟的横摇周期分别为 6s 和10s、模拟的纵摇周期为 12s。
3.2 试验系统组成
本试验系统组成白色圆弧形背景幕前布置一艘船舶模型,用于激光测距仪对海上失事船舶的实时测量。中间的转台可实现俯仰、横倾、升沉、旋转等四自由度运动,用于模拟救助船的海上运动;激光测距仪及其稳定平台安装于转台中心处,通过其伺服控制实现对船舶运动扰动的补偿。激光测距仪工作模式为开角 180°、角度间隔 0.5°,测量通信速率 9 600bps,每秒测量一次,要求测距仪接口计算机进行数据记录与实时显示;转台控制计算机实时记录转台纵、横摇运动姿态数据。
本试验的测试目标是:通过稳定平台伺服控制试验,验证稳定平台是否具有对救助船纵、横摇运动干扰的补偿能力,激光测距仪能否实现实时、有效的目标测量。
3.3 试验结果与分析
3.3.1 船舷侧安装时伺服控制模拟验证试验
激光测距仪安装于舷侧,不考虑升沉运动影响,转台以船舶中心为旋转中心的纵摇运动模拟船舶横摇运动。
3.3.2 船艉围栏中心处安装时伺服控制模拟验证试验
激光测距仪安装于直升机甲板层船艉围栏中部,只需要考虑船舶纵摇运动对激光测距的影响,转台模拟船舶纵摇幅值 5°,周期 12s 。
3.3.3 稳定平台伺服控制系统模拟试验分析
针对不同的安装位置、救助船纵、横摇运动情况,分别开展了救助船单自由度摇摆运动和纵横摇叠加运动等多组试验验证工作,全部试验结果分析可见,课题所设计并实现的激光测距仪稳定平台伺服控制系统可以根据航姿仪实时采集的救助船测量姿态控制伺服系统实现稳定的位置控制,成功地补偿了由海浪所引起的船舶纵横摇运动对激光测距仪的干扰,这种单自由度补偿方案可以保证激光测距仪实时、稳定地跟踪海上被测目标,不会出现目标丢失的现象,控制效果良好,达到了预期的设计目标。
4 结 语
随着我国海洋开发与海上运输等领域的大力发展,恶劣气候条件下的海上救助工作已成为关系民生与经济发展的重要问题。实施有效的海上救援离不开有效的测量手段,仅仅依靠目测与手工驾驶操控船舶已难以实现安全、有效的救援。海上自动测量失事目标并实现自动的目标跟踪与相对定位,是未来海上救助技术的发展方向。
本文针对激光测距仪在恶劣海况条件下的有效作业与测量需求,设计并实现了单自由度的稳定平台。构建了由测量元件、控制器、执行元件及反馈元件等构成的位置闭环伺服控制系统;通过四自由度转台模拟验证试验,全面验证了在不同安装位置、不同船舶纵横摇运动条件下,该稳定平台均能实现船舶运动补偿,确保激光测距仪平稳工作,减少船体摇摆对测距的影响,有利于对失事目标的有效测量,从而实现船舶相对定位并自动跟踪目标。
在今后的研究工作中,可以将模糊控制和 PID 控制相结合起来,使控制系统既具有模糊控制灵活且适应性强的优点,又具有 PID 控制精度高的特点。另外,本文采用反馈校正,也可以加入顺馈校正,即在系统可测扰动作用点与误差测量点之间,对扰动信号进行直接或间接测量,并经变换后接入系统,形成一条附加的对扰动影响进行补偿的通道,可以较好地抑制扰动的影响。
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