阅读说明：本技术 一种数字化舵角反馈指示系统及控制方法 (Digital rudder angle feedback indicating system and control method ) 是由 吕旭 雷娜 赵阳 陆芳芳 高雪冬 金宏 陈蕾 于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：一种数字化舵角反馈指示系统及控制方法。针对现有舵角反馈指示受周围环境影响精度低的问题,提出一种数字化舵角反馈指示系统及控制方法。包括舵角发送器、接线箱、舵角接收器、独立调光器以及由接收器组成的指示器。发送器通过采集高精度编码器信号,同时将罗经反馈信号作为发送器的观测数据,采用卡方检验方法进行鲁棒控制,通过数据处理,将数据信息传送至现场总线,自动操舵仪及其它由接收器接组成的舵角指示器完成相应控制及舵角指示。本发明最终实现操作简单、精度高、鲁棒性强的舵角反馈指示,有效降低了设计成本。(A digital rudder angle feedback indicating system and a control method. Aiming at the problem that the existing rudder angle feedback indication is affected by the surrounding environment and has low precision, a digital rudder angle feedback indication system and a control method are provided. The device comprises a rudder angle transmitter, a junction box, a rudder angle receiver, an independent dimmer and an indicator consisting of the receiver. The transmitter collects signals of the high-precision encoder, simultaneously takes compass feedback signals as observation data of the transmitter, adopts a chi-square test method to carry out robust control, transmits data information to a field bus through data processing, and an automatic steering device and other steering angle indicators formed by connecting the receivers complete corresponding control and steering angle indication. The invention finally realizes rudder angle feedback indication with simple operation, high precision and strong robustness, and effectively reduces the design cost.)

一种数字化舵角反馈指示系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种船用舵角反馈指示系统，具体涉及一种数字化舵角反馈指示系统及控制方法。

背景技术

随着我国对海洋开发的需要，海洋工程装备整体的产品设计与制造正朝着数字化、网络 化、智能化的方向发展。其中舵角反馈指示系统是现代舰船上不可缺少的导航设备，其主要 的功能是自动地、高精度输出当前船舶的舵角方位，将数据信息传送至自动操舵仪以及其它 舵角指示设备，以保证船舶的平时安全航渡和恶劣环境时精准航行。因此，舵角反馈指示系 统性能优劣将直接关系到船舶航行的安全，并直接影响船舶的生命力。

传统的舵角反馈指示系统主要分为自整角机式同步跟踪系统和电位计式舵角指示，其灵活性、操控性、稳定性等相对欠缺。自整角机同步指示系统接线较为复杂，其主要由单相激磁绕组的小型异步电机、连接线缆、仪表等组成；自整角机的定子和转子线圈是采取微行滑环，容易造成接触不良问题，指示仪表使用电磁装置，易受到外界环境干扰，经常需要调零；考虑产品的经济性，其设计成本较高。

目前的舵角反馈指示系统在控制精度，可靠性，维护性上都难以满足自动化船舶实际需要。现有的舵角反馈只是系统应用到船舶自动操舵仪中，或是输出稳定性不够，长期使用自动操舵仪会产生漂移，导致船舶航行轨迹偏差。或传输速度不够，船舶自动驾驶可能失控，导致无法航行。或是舵角反馈系统受环境干扰，传输信息出现野值，导致自动操舵仪误操作。系统的功能扩展较难，不能满足各型船舶的控制需要。

发明内容

本发明为了解决现有舵角反馈指示系统存在的问题，本发明提出一种制精度高，鲁棒性强、可靠性和扩展性好的一种舵角反馈指示系统及控制方法的技术方案。

为了实现上述目的，本发明创造采用的技术方案为：

一种数字化舵角反馈指示控制方法，其特征在于，其步骤为：

1)校验：校验舵角发送器(105)，打开开关，将舵机依次打到左设定度、零度、右设定度，并在相应角度按下校验按键，完成校验，使高精度编码器步长与舵机转动位置线性对应；

2)信号采集：舵角发送器(105)通过编码器数据采集模块采集舵机的舵叶角度数据和罗经反馈数据；

3)信号处理：对舵叶角度数据进行加权平均处理，同时通过采集罗经反馈数据进行观测，归一化量测信息，通过卡方检测方法进行鲁棒控制；如果此时噪声服从高斯分布，则默认噪声为0均值，方差R为1；如果检测角度信息出现突变野值，默认此时状态为上一时刻状态；

4)信号输出：将处理后的数字信号通过串口输出至方向盘控制器和指示器中的舵角接收器中。

所述的3)中，采用卡方检验方法，利用卡方分布对突变野值进行检测，具体包括如下步骤：

3.1)初始化：将舵叶角度数据作为系统数据X_k，将罗经反馈数据作为观测数据Y_k；通过

计算得到k时刻的状态量

其中M为100ms采样率，通过

Y_i∈(-π,π)得到此时的观测量

3.2)容错控制：计算得到残差和方差，并以残差和方差为作为卡方分布的检测量；残差为

其中，ρ为调节因子；方差C_k＝HP_k-1H^T+R，其中，H为系统状态系数，P_k-1为上一时刻方差，T为转置；

3.3)构造基于残差r_k的卡方检测量为

3.4)通过比较λ_k和设定的门限值T_D，判断是否含有野值：若λ_k＞T_D，则含野值：若λ_k≤T_D，则不含野值；

所述的突变野值是由干扰所引起的，检测数据特性在±99.74％以外的异常点。

所述的步骤3.4)中，λ_k需要满足

其中为卡方的积累概率密度。

所述的T_D为9；当λ_k≤9时，检测量中没有突变野值，进行数据传递，以标准的RS485信号发送到现场总线上；当λ_k＞9时，观测量中含有突变野值，停止本时刻k的数据更新，将k-1时刻的数据作为输出。

所述的控制方法中使用的控制系统，平行四边形连杆(104)一端与舵机(102)连接，另一端与舵角发送器(105)连接，控制系统包括发送器(105)、接线箱(106)、指示器、独立调光器(111)；

所述的发送器(105)包括发送器控制模块(202)；所述的发送器控制模块(202)信号输入端通过编码器接口(210)连接编码器数据采集模块，通过罗经接口(211)连接电罗经，采集的舵叶角度数据和罗经反馈数据；所述的发送器控制模块(202)信号输出端通过串行通讯模块(205，206，207)将处理后的数据传输至现场总线，通过发送器接口(209) 将处理后的数据传输至指示器中；

所述的指示器中设有舵角接收器，舵角接收器中包括接收器控制模块(302)，所述的接收器控制模块(302)信号输入端通过接收器接口(308)接收发送器(105)发出的数字信号；所述的接收器控制模块(302)信号输出端通过步进电机接口(309)输出步进电机的脉冲信号。

所述的独立调光器(111)包括独立调光器控制模块(402)，独立调光器控制模块(402)通过独立调光器接口(406)与系统中显示模块连接，独立调光器控制模块(402) 上设有调光按键(402)，所述的调光按键(402)中包括升光按钮和降光按钮。

本发明创造的有益效果为：

1、舵角发送器通过数据采集模块以标准modbus RTU协议采集具有64圈绝对值高精度编码器的角度信号，进行舵角信息采集，可以有效的提升系统的实时性和精确性。

2、舵角发送器分别对0度、左满舵、右满舵进行标定，通过软件解决现场由于安装导致的舵角误差，同时方便现场调试。

3、舵角发送器在长时间使用以后仍然能够精确的校准舵叶位置的精度，解决设备因长时间使用而导致的漂移。

4、发送器控制程序采用罗经反馈信息作为观测量，构造新息序列的方法，直观可信，便于修正舵角反馈数据。

5、发送器控制程序采用新息序列的卡方故障检测方法，舵角数据进行鲁棒控制，可以有效防止环境干扰，滤除野值，保证了自动操舵仪接收信息的准确性。

6、系统通过RS485并行的现场总线方式，当某一路指示装置出现故障时不影响其它指示装置的信息显示，保护本套系统的正常运行。

7、系统通过RS485并行的现场总线方式，可以扩展任意数量本文涉及的有接收器组成的舵角指示单元，且符合IEC61162国际标准接口，提高了系统的扩展性。

8、舵角接收器通过将接收数据转换成脉冲信号，通过步进电机驱动模块驱动电机旋转，步进电机32细分的行走方式，使指针旋转更加平稳,可观测性强。

9、接收器控制程序采用信息校验的方法，保证了接收数据的有效性。

10、系统采用具有通讯功能的独立调光器进行指示单元的亮暗调节，安装方便，可根据用户需求或实际操作情况安装不同位置。

11、本系统噪声小，设计成本低。

附图说明

图1为本发明的系统硬件结构框图。

图2为本发明的发送器接口连接图。

图3为本发明的接收器接口连接图。

图4为本发明的独立调光器接口连接图。

图5为本发明的发送器控制程序流程图。

图6为本发明的容错机制控制程序流程图。

图7为本发明的接收器控制程序流程图。

图8为本发明的独立调光器控制程序流程图。

图9为本发明的船舶航行轨迹图。

图10为本发明的舵角对比示意图。

具体实施方式

一种数字化舵角反馈指示控制方法，其特征在于，其步骤为：

1)校验：校验舵角发送器(105)，打开开关，将舵机依次打到左设定度、零度、右设定度，并在相应角度按下校验按键，完成校验，使高精度编码器步长与舵机转动位置线性对应。

2)信号采集：舵角发送器(105)通过编码器数据采集模块采集舵机的舵叶角度数据和罗经反馈数据。

3)信号处理：对舵叶角度数据进行加权平均处理，同时通过采集罗经反馈数据进行观测，归一化量测信息，通过卡方检测方法进行鲁棒控制；如果此时噪声服从高斯分布，则默认噪声为0均值，方差R为1；如果检测角度信息出现突变野值，默认此时状态为上一时刻状态；

采用卡方检验方法，利用卡方分布对突变野值进行检测，具体包括如下步骤：

3.1)初始化：将舵叶角度数据作为系统数据X_k，将罗经反馈数据作为观测数据Yk；通过计算得到k时刻的状态量其中M为100ms采样率，通过 Y_i∈(-π,π)得到此时的观测量

3.2)容错控制：计算得到残差和方差，并以残差和方差为作为卡方分布的检测量；残差为

其中，ρ为调节因子；方差C_k＝HP_k-1H^T+R，其中，H为系统状态系数，P_k-1为上一时刻方差，T为转置；

3.3)构造基于残差r_k的卡方检测量为

3.4)通过比较λ_k和设定的门限值T_D，判断是否含有野值：若λ_k＞T_D，则含野值：若λ_k≤T_D，则不含野值；

所述的突变野值是由干扰所引起的，检测数据特性在±99.74％以外的异常点；

所述的λ_k需要满足其中

为卡方的积累概率密度；所述的T_D为9；当λ_k≤9时，检测量中没有突变野值，进行数据传递，以标准的RS485信号发送到现场总线上；当λ_k＞9时，观测量中含有突变野值，停止本时刻k的数据更新，将k-1时刻的数据作为输出。

4)信号输出：将处理后的数字信号通过串口输出至方向盘控制器和指示器中的舵角接收器中。

数字化舵角反馈指示系统，如图1所示。

硬件结构方框图中主要包括舵机油缸101、103；舵机102；平行四边形连杆104；舵角发送器105；接线箱106；现场总线107；由接收器组成的三面舵角指示器108、嵌入式舵角指示器109、壁挂式舵角指示器110；独立调光器111；多个扩展指示单元112。本仪器为交流电动，舵角发送器105安装在舵机舱，通过平行四边形连杆104与舵机102连接，操作方便、灵活可靠。舵角发送器105是通过STC系列单片机为发送器控制器202，通过编码器接口210以标准modbus RTU协议采集具有64圈绝对值高精度编码器角度信息，并且通过罗经接口211接收罗经反馈信息作为系统的观测量，采用卡方检验方法进行鲁棒控制，将角度信号通过自身容错机制等程序处理以数字信号形式传送给接线箱106，通过现场总线将舵叶位置信发送给三面舵角指示器108、嵌入式舵角指示器109、壁挂式舵角指示器110以及多个扩展显示单元112。为了使上传的数据都能及时有效的传递给每个舵角接收器，在接线箱 106位置采取信息并行发送方式，即便某条通讯链路出现问题也不会影响其他舵角接收器的信息通信，大大提高了系统的可靠性，降低了系统风险。需要操舵时，操舵人员可以观察由接收器组成的三面舵角指示器108、嵌入式舵角指示器109、壁挂式舵角指示器110的数据信息，来获知当前舵机102所在的刻度位置。由舵角接收器组成的三面舵角指示器108、嵌入式舵角指示器109、壁挂式舵角指示器110是将舵机的位置数据信息还原成指示信息的设备单元，是系统中数量最多的单元，也是人机交互界面，本文采用步进电机带动指针方式完成角度指示。为了更符合用户的使用***稳，便于读数。三面舵角指示器108、嵌入式舵角指示器109、壁挂式舵角指示器110带内部照明，独立调光器111可安装在指示器上，也可独立布置。刻度盘照明在全黑情况下距离刻度盘1.5米处可清楚地读出指示值。

发送器如图2所示。舵角发送器105主要由单片机控制模块202、按键模块203、指示灯模块201、发送器1号串行口通讯模块205、发送器2号串行口通讯模块206、发送器3号串行口通讯模块207、数据存储模块204。外部接口主要包括发送器电源接口208、发送器接口209、编码器接口210和罗经接口211。舵角发送器105的位置信息来源于绝对编码器接口210信号，绝对编码器可以将机械角度位置信号转换为数字信号，再通过串行口传送给舵角发送器105，当舵角发送器105正确接收到该信息时，发送器指示灯模块201中编码器指示灯点亮。舵角发送器105具有校准功能，在发送器按键模块203中设有拨码开关、左舵设置、右舵设置、零位设置4个按键。需要设置时，将设置开关拨至开的位置，将舵机分别打到左40度、零度、右 40度位置，按下相应的按键完成校准。如欲设置零位，首先令舵机102行走到机械标尺的零位，将发送器按键模块203中设置开关拨至打开的位置，此时发送器指示灯模块201中设置指示灯点亮，零位指示灯闪烁，按下零位设置按键，零位指示灯平光，代表设置成功。CPU会将设置的参数存入数据存储模块204中，将数据信息通过容错机制和数据处理后发出。

接线箱控制电路包括：电源模块、串口扩展模块、外部接口模块，

接收器如图3所示。舵角接收器主要由接收器控制模块302、接收器按键模块303、指示灯模块301、接收器串行口通讯模块304、步进电机驱动模块305和调光控制模块306组成。外部接口主要包括接收器电源接口307、接收器接口308、步进电机接口309、独立调光器接口 310。由接收器组成的三面舵角指示器108、嵌入式舵角指示器109、壁挂式舵角指示器110采用步进电机带指针完成角度指示。三面舵角指示器108、嵌入式舵角指示器109、壁挂式舵角指示器110主要由控制板，步进电机、齿轮、齿带组成。控制板将接收到的角度信号转换成步进电机的脉冲信号，经步进电机驱动器放大后驱动步进电动机转动，步进电动机带动指针或通过齿轮、齿带带动指针完成角度指示的任务。为了更符合用户的使用***稳，不能有卡顿的现象，要实现舵机转速和步进电机指针转速的智能匹配，因此自适应速度匹配设计是该指示器设计的关键技术。为了解决此问题，该舵角指示器采用步进电机32细分的行走方式，使指针平稳旋转。此外还考虑到舵机转速和步进电机指针转速匹配的因素，采用舵角指针转速智能匹配技术使指针的转动更加平稳，便于读数。

独立调光器如图4所示。独立调光器111主要由独立调光器控制模块402、独立调光器按键模块403、独立调光器指示灯模块401、独立调光器串行口通讯模块404组成。外部接口主要包括独立调光器电源接口405、独立调光器接口406。独立调光器111，通过独立调光器按键模块403中升光、降光按键控制三面舵角指示器108、嵌入式舵角指示器109、壁挂式舵角指示器110指示灯亮暗，并且在独立调光器111中指示灯模块401对应升光、降光指示灯闪烁。独立调光器111可根据用户操作需求独立布置在驾控台任意地方，方便使用。

舵角反馈指示系统软件部分主要由舵角发送器软件、舵角接收器软件和独立调光器软件组成。舵角发送器软件、舵角接收器软件、独立调光器软件均通过RS-485现场总线通讯方式进行数据交换完成本系统功能。

一种数字化舵角反馈指示系统及控制方法，如图5所示，发送器控制流程流程图。系统通上电后，会通过判断拨码开关的实际位置，用以设置系统的实际模式。系统为设置模式时，对应设置指示灯常亮。系统开始采集编码器信息，若发生故障，编码器灯闪烁，则发出故障报警。机械舵或舵角发送器调整到零位后，对应下按下零位按键，设置后零位指示灯由闪烁转为常亮。机械舵或舵角发送器调整到左/右满舵后，对下按下左/右满舵按键，设置后对应指示灯由闪烁转为常亮。若不满足系统需求，可从新复位开关设置信息。当系统处于正常工作模式时，主要进行数据采集，通过容错机制进行数据处理，将数据信息发送至RS-485现场总线上。

具体使用时：

舵角接收器从RS-485总线上读取舵角的数值，依据接收到的数据及时驱动电机运转，跟随指示船舶航行时舵叶位置。舵角发送器控制流程图如图5所示。接收器上电时，首先要进行零位检测，如果检测不到零位，接收器将停止工作。当接收器检测零位时，步进电机旋转，零位检测传感器工作，同时带动指针指示到“0”刻度位置，零位指示灯平光。如果检测不到零位，零位指示灯闪烁。当接收器检测到零位后，就会按照发送器发送过来的角度信息旋转，指示舵叶的位置。如果接收不到发送器的正确信息，接收器就会停在零位，同时通信指示灯闪烁，如果接收到了正确信息，通信指示灯平光。当需要将机械指针对零时，按一下“调零”按键，步进电机就会回到零位，此时零位指示灯平光，通信指示灯熄灭，当再次按下此按键时，恢复通信，通信指示灯点亮，若此刻发送器在零位，零位指示灯点亮，否则零位指示灯熄灭。

独立调光器控制程序流程图。本发明共分设5挡进行升降光控制，当系统检测到升光按键时，面板升光指示灯闪烁，并通讯数据中标志升光位，发送至各个接收器。当系统检测到降光按键时，面板降光指示灯闪烁，并通讯数据中标志降光位，发送至各个接收器。

半实物模拟仿真平台由一个舵机运动模拟装置和一个检测机柜组成。舵机运动模拟装置通过步进电机、齿轮、连杆带动舵角驱动轴，并与反馈驱动机构输入轴固连，使操舵仪反馈机构获得反馈舵角。以一套高精度舵角反馈装置为参考，比较分析舵角反馈指示器的计算效果。该实验要求主要包括：船舶类型为中；回转系数0.11秒；应舵系数15秒；转舵时间 20秒；舵机延迟0秒；初始舵角0度；船速为15节，航行1840秒。为了验证本发明舵角反馈指示系统及控制方法的有效性，采用半实物模拟仿真平台模拟舰船航行实验，如图9 所示，船舶航行轨迹。为了模拟实船操作环境，系统分别在船舶航行500s、1000s、1500s 的时刻加入不同的干扰，通过舵角对比示意图可知，本发明舵角反馈指示系统及控制方法有效抑制了突变野值的干扰。满足中国船船级社规范所要求的误差范围之内，说明该系统能够很好的跟踪实时舵叶信息，验证了该系统的有效性。