方佳韻, 鐘 敏
(上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司,上海 200063)
在國際上,無人駕駛近海巡查裝置目前已成為研究熱點(diǎn),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(yīng)用。
本文介紹的高性能水上無人巡查裝置與國內(nèi)研發(fā)的水域探測器不同,其采用先進(jìn)的無線通信技術(shù),覆蓋范圍廣,工作區(qū)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(diǎn),可與控制中心交互聯(lián)動形成完整的監(jiān)控系統(tǒng),在現(xiàn)代近岸的偵查、監(jiān)視等應(yīng)用中具有越來越廣泛的用途,對于提高水域技防手段,應(yīng)對突發(fā)事件有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。
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(yuǎn)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(tài),通過駕駛員操縱(緊急機(jī)械控制)和就地操縱(維護(hù)人員電動控制)實(shí)現(xiàn);遠(yuǎn)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(yùn)行狀態(tài)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(dǎo)航設(shè)備,控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定軌跡自動駕駛,實(shí)現(xiàn)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(jìn)設(shè)備,采用48 V蓄電池供電,帶動永磁無刷直流電動機(jī),采用雙線絕緣系統(tǒng),電源采用免維護(hù)鉛酸蓄電池。
設(shè)計階段分為系統(tǒng)整體設(shè)計、硬件設(shè)計、通信設(shè)計和軟件設(shè)計四個部分。系統(tǒng)整體設(shè)計提供對系統(tǒng)的整體設(shè)計描述;硬件設(shè)計實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能所需要的硬件;通信設(shè)計規(guī)定系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)通信方式;軟件功能設(shè)計包含人機(jī)交互系統(tǒng)、仿真模擬系統(tǒng)和虛擬儀表設(shè)計等。
預(yù)期達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下:
(1)自航移動速度(4節(jié))>2 m/s(最好是大于3 m/s);
(2)最小轉(zhuǎn)彎半徑為10 m;
(3)續(xù)航時間>8 h(定點(diǎn)狀態(tài):24 h);
(4)最遠(yuǎn)距離>40 km(作業(yè)半徑),最大距離為100 km;
(5)定位方式為全球定位系統(tǒng)(GPS)+慣性導(dǎo)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(tài)控制為自動,遙控;
(9)定位精度為10%航程(GPS+慣導(dǎo));
(10)重量為1 200 kg;
(11)觀察與聯(lián)絡(luò)平臺高度(觀察和遙控模式)>2.5 m;
(12)穩(wěn)性滿足內(nèi)河船穩(wěn)性規(guī)范對B級類航區(qū)的要求。
整個系統(tǒng)包括水上控制系統(tǒng)和監(jiān)控中心系統(tǒng)兩部分。
水上監(jiān)控系統(tǒng)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(jī)界面、AIS和M-PORT通信;軟件上PLC采用SIMATIC Step7 MicroWin SP3 V4.0編程序??刂颇K包括:舵機(jī)控制單元,左右推進(jìn)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(tǒng)的電壓和電流進(jìn)行檢測;AIS通信單元采用自動通信協(xié)議對AIS和雷達(dá)信號進(jìn)行采集;監(jiān)控中心通信單元采用MODBUS RTU通信協(xié)議;船上監(jiān)控單元集中顯示各系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議PPI協(xié)議。
集控中心系統(tǒng)組成如下:硬件由模擬駕駛盤和計算機(jī)組成,模擬駕駛盤通過方向盤控制船的運(yùn)行方向,左右油門控制前進(jìn)、后退及運(yùn)行速度;軟件中模擬駕駛盤通過USB口與計算機(jī)相連,通過VC++6.0軟件編寫觸摸通信軟件,并將數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控軟件。
計算機(jī)監(jiān)控軟件通過MPORT串口與船上PLC進(jìn)行串口通信,實(shí)現(xiàn)人際交互功能,畫面設(shè)計分為航行畫面和模擬現(xiàn)場駕駛畫面。
本船屬于吊艙式電力推進(jìn)船舶,推進(jìn)裝置采用直流電動機(jī)直接連接定距螺旋槳。主機(jī)為永磁無刷直流吊艙電動機(jī),額定功率為2 kW,額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。吊艙帶動螺旋槳可以左右轉(zhuǎn)動,改變推力方向,促使船舶改變航向。因此,本船不設(shè)舵系統(tǒng)。吊艙電動機(jī)整體密封,控制可靠,防堵轉(zhuǎn)需采用雙重限位報警開關(guān)。
本船采用的電動掛機(jī)是動力和推進(jìn)合一的系統(tǒng),兩臺掛機(jī)懸掛在甲板后端中軸線兩側(cè)位置,電動掛機(jī)水深不超過基線。電動掛機(jī)由以下部件組成:(1)水下電機(jī),將電機(jī)置于水下,能降低電機(jī)工作溫度;(2)螺旋槳推進(jìn)器,與電機(jī)直接相連提高效率;(3)電機(jī)控制器,用于改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向;(4)掛機(jī)外殼,作為電機(jī)的殼體和導(dǎo)線通道;(5)懸掛組件,將掛機(jī)與船舶支架固定;(6)液壓推拉系統(tǒng),在掛機(jī)的推進(jìn)方向?qū)崿F(xiàn)左右各30°旋轉(zhuǎn),使船舶及時改變航向;(7)蓄電池,為掛機(jī)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(jī)為永磁無刷直流電機(jī),具有體積小、效率高的優(yōu)點(diǎn),置于掛機(jī)下端,浸在水中,散熱效果好。電機(jī)與螺旋槳直接連接以提高效率。掛機(jī)外殼主軸處為水密結(jié)構(gòu),防止水進(jìn)入電機(jī)影響正常工作。掛機(jī)外殼為流線型,側(cè)面積較大,船舶停機(jī)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(cè),舵效比較明顯。根據(jù)需要電動掛機(jī)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(shè)計為大于8 h供電,配置免維護(hù)鉛酸蓄電池2組,型號為D-250/6 V,8只一組串聯(lián)再2組并聯(lián)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(jī)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(jī)為硅整流可調(diào)充電機(jī),型號為GCA-40 A/0~48 V,充電電流為0~40 A,可任意調(diào)節(jié)。
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。
本文介紹的控制系統(tǒng)是一套自動操控的接收執(zhí)行系統(tǒng)。首先操控電動掛機(jī)的調(diào)速控制器(改變螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度和方向)實(shí)現(xiàn)?!铀佟獪p速—?!崔D(zhuǎn)加速—反轉(zhuǎn)減速—停的功能;其次是舵機(jī)操控液壓推拉系統(tǒng)改變推進(jìn)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(shí)時了解運(yùn)行狀態(tài);操舵左滿舵35°至右滿舵35°最大持續(xù)操縱時間小于20 s,可往返連續(xù)操作;控制可靠,防堵轉(zhuǎn)需采用雙重限位報警開關(guān)。
本船電機(jī)控制器采用數(shù)字信號處理器(DSP)調(diào)節(jié)輸出功率,應(yīng)用了較多新技術(shù),具有極高的工作效率、完善的保護(hù)功能,工作可靠穩(wěn)定,操縱簡單,使用方便。其主要技術(shù)參數(shù)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(hù)為60 A時自動限流。
控制系統(tǒng)還包括對以下子系統(tǒng)的監(jiān)控。
(1)配電系統(tǒng):分48 V配電盤和24 V/12 V配電盤對全船的用電設(shè)備進(jìn)行管理,通過電壓、電流傳感器檢測蓄電池的運(yùn)行狀態(tài),并將信號上傳到控制中心。
(2)推進(jìn)系統(tǒng):通過2臺2 kW的無刷電機(jī)控制器控制推進(jìn)系統(tǒng)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停和調(diào)速,實(shí)現(xiàn)速度的無級調(diào)節(jié),內(nèi)置過流、欠壓和堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能。
(3)舵機(jī)控制:通過電機(jī)控制舵的轉(zhuǎn)向、左右擺動動作和擺動速度,并把舵角數(shù)據(jù)上傳,具有過流、欠壓保護(hù)功能。
(4)PLC控制柜:通過PLC采集各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),對推進(jìn)系統(tǒng)和舵角系統(tǒng)控制,并完成與岸基控制室計算機(jī)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(tǒng)的信息,并接收用戶的操作進(jìn)行遙控駕駛??煞奖銛U(kuò)展至無人自動駕駛,配置自動駕駛設(shè)備監(jiān)控接口,實(shí)現(xiàn)水上裝置就地手動駕駛和遠(yuǎn)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(hù)和維護(hù):檢測蓄電池電壓、電流,實(shí)現(xiàn)過流、過熱保護(hù)。
(8)底艙液位檢測:檢測艙底液位,當(dāng)船漏水時自動打開排水泵。
(9)雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng):讀取導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù),并上傳到岸控室。
(10)通信播音設(shè)備:對外擴(kuò)音裝置,電笛。
(11)遠(yuǎn)程遙控設(shè)計:通過PLC通信接受控制中心的控制信號,控制輸出開關(guān),實(shí)現(xiàn)無線遙控;推進(jìn)系統(tǒng)和舵角系統(tǒng)的控制,實(shí)現(xiàn)手動和遠(yuǎn)程無線遙控推進(jìn)系統(tǒng)和舵角的動作;船體總體動力系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)及導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計選型、指導(dǎo)裝配并調(diào)試,實(shí)現(xiàn)有人和無線遙控控制,并下水測試各分系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和遠(yuǎn)程及手動控制,完善系統(tǒng)的硬件和軟件;讀取導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù),控制船舶自動航行,實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)巡邏,防碰撞。
(12)遙控與通信:通過水面無線通道實(shí)現(xiàn)遙控與通信。
組合導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS+AIS+RADER),GPS不斷修正,以提高系統(tǒng)的精度和可靠性,實(shí)現(xiàn)對移動目標(biāo)的自動跟蹤與避障;同時,集成檢測電羅經(jīng)、GPS、測深、測速設(shè)備數(shù)據(jù),并進(jìn)行配套組合,集成應(yīng)用,開發(fā)總監(jiān)控界面。
本文介紹的系統(tǒng)預(yù)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(yù)留水下通信和監(jiān)測設(shè)備安裝位置,以后可實(shí)現(xiàn)水下通道遙控與通信,能將水下監(jiān)視系統(tǒng)與水聲傳輸合一,實(shí)現(xiàn)遙控與監(jiān)視同步。
在駕駛室操縱臺上設(shè)有電壓表、電流表各一只,以便監(jiān)視蓄電池用電情況。操縱器用直流電機(jī)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(jìn)、后退和調(diào)節(jié)速度。
AIS智能導(dǎo)航儀及避碰雷達(dá)具有自動標(biāo)繪功能,并進(jìn)行配套組合,集成應(yīng)用,開發(fā)總控制界面,提高水上裝置視頻巡查監(jiān)控系統(tǒng)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(yùn)行狀態(tài)和信息。在動力操作畫面上設(shè)舵機(jī)和推進(jìn)器的操作,用戶通過點(diǎn)擊相應(yīng)的方向鍵控制船只的開停、轉(zhuǎn)向和速度,畫面上顯示船只推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速和舵角方向,并能控制船上的電氣設(shè)備。狀態(tài)反映通信是否正常,系統(tǒng)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。
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(jié)省人力、可適應(yīng)不同任務(wù)需求,可以有效增大信息獲取半徑、適宜水上布防、中心監(jiān)控等特點(diǎn),將在世博期間的水上安全保衛(wèi)工作方面發(fā)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(wèi)工作的實(shí)際需要,并可擴(kuò)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(zhì)量體系 設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)、安裝和服務(wù)的質(zhì)量保證模式[S].1994.
[2]GB/T 7358—1998,船舶電氣設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計[S].1998.