哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 高淑芬 張 影 丁聰聰

特種船作業(yè)時(shí)需要操船人員既能觀察目標(biāo)，又能操船，兩者協(xié)調(diào)配合達(dá)到最佳作業(yè)效果；手操盒系統(tǒng)作為一套特殊的船控操作系統(tǒng)，使操縱人員攜帶手操盒，到船旁觀察目標(biāo)，根據(jù)目標(biāo)離船的距離操縱船舶運(yùn)動(dòng)，滿足上述作業(yè)要求。手操盒通過網(wǎng)絡(luò)接收來自于傳感器系統(tǒng)DGPS、羅經(jīng)和風(fēng)傳感器的信號(hào)，同時(shí)，手操盒與推力器系統(tǒng)有接口，可單獨(dú)的對(duì)船舶推力器系統(tǒng)進(jìn)行控制。手操盒系統(tǒng)包括操作終端、主操縱終端等。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。手操盒可根據(jù)需要通過接線端子，連接到任何一個(gè)操作終端，行使對(duì)船的操縱控制。

手操盒系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的操作模式有：手動(dòng)控制模式、自動(dòng)艏向控制模式、自動(dòng)定位模式等，甚至可以將自動(dòng)舵模式加入其中。手動(dòng)控制模式即人工模式，在該方式下：操縱人員通過手柄操縱船舶前進(jìn)、后退、左移、右移、左旋、右旋等運(yùn)動(dòng)；考慮到作業(yè)區(qū)域外部環(huán)境非常復(fù)雜，極有可能超出手動(dòng)控制系統(tǒng)的控制范圍，為了保證船舶的工作，需要操縱人員進(jìn)入手操盒自動(dòng)艏向控制模式和自動(dòng)定位模式操作，主要是根據(jù)水動(dòng)力和船舶的運(yùn)動(dòng)特性同時(shí)考慮風(fēng)、流等因素的綜合影響制訂控制方法，如定向、定位等控制功能。

系統(tǒng)的控制處理器，接收來自于傳感器系統(tǒng)的信號(hào)，經(jīng)過處理后作為控制器的控制依據(jù)，生成控制命令，一方面把信號(hào)傳遞給推進(jìn)器系統(tǒng)，另一方面通過以太網(wǎng)把信息傳遞給主操作終端在主控制室顯示相關(guān)信息；如果操作人員按下操作終端請(qǐng)求信號(hào)，首先通過CAN網(wǎng)絡(luò)向主操縱桿操作終端發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，主控制室將允許信號(hào)返回操作終端，這時(shí)候手操盒便可進(jìn)入工作模式，選擇手動(dòng)控制模式、自動(dòng)艏向控制模式、自動(dòng)定位模式。

1.手操盒的設(shè)計(jì)

手操盒是一個(gè)包括界面顯示、按鍵、指示燈、操縱桿和艏向輪的人機(jī)交互設(shè)備終端，專門為在駕駛艙外實(shí)時(shí)控制的工作人員而設(shè)計(jì)的一個(gè)控制終端設(shè)備。相對(duì)于主操縱終端系統(tǒng)，其功能相對(duì)簡潔，主要包括操縱桿控制以及自動(dòng)艏向輪的控制這兩個(gè)功能，除了與主操縱桿配合應(yīng)用，另一方面通過CAN總線與其他的操作終端形成CAN總線網(wǎng)絡(luò)，并作為一個(gè)單獨(dú)的操作終端。

手操盒設(shè)備包括：操縱按鍵、按鍵指示燈、控制偏差報(bào)警器、船舶運(yùn)動(dòng)信息液晶顯示器、船舶運(yùn)動(dòng)操縱三軸操縱桿、方位操縱手輪/ID接口、信息通訊CAN總線接口。其硬件框如圖2。

手操盒在操縱桿系統(tǒng)中通過CAN總線與其他設(shè)備進(jìn)行通信，考慮到硬件設(shè)計(jì)簡便性與穩(wěn)定性等方面因素，采用ATMEL公司的AT90CAN128系列單片機(jī)。由于船用電源為24V，一方面通過整流電源模塊把24V轉(zhuǎn)化為5V，為操作終端提供電源。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)時(shí)刻接收來自于按鍵、三軸操縱桿的信號(hào)，進(jìn)行及時(shí)處理。

面板的按鍵為矩陣鍵盤，通過單片機(jī)對(duì)鍵值進(jìn)行定時(shí)掃描，從而確定操作員輸入的命令；三軸操縱桿的縱向位移、橫向位移、轉(zhuǎn)動(dòng)角度所對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)通過單片機(jī)集成的10位AD轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，得到相應(yīng)的位置和角度信息。指示燈可由單片機(jī)I/O直接驅(qū)動(dòng)，報(bào)警器電路則采用三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器來完成；界面采用TFT液晶進(jìn)行顯示，顯示內(nèi)容為船舶的當(dāng)前艏向和操作員設(shè)置的艏向，初始化信息，報(bào)警信息，工作模式等相關(guān)信息。

2.手操盒操作終端與主操作終端

手操盒操作終端和主操操作終端通過CAN總線連接在起來。需要采用手操盒控制模式時(shí)，操作人員將手操盒連接到操作終端接線盒上，按下手操盒上的請(qǐng)求按鍵，通過CAN總線向主操操作終端主機(jī)發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)，得到主操作終端的允許后，進(jìn)入手操盒控制方式。手操盒操作終端進(jìn)行處理，最終操作終端把所有信息顯示在手操盒液晶屏上。其控制流程如圖3所示。

3.手操盒液晶顯示原理

本手操盒采用TFT6448BS-5.7液晶顯示器，采用5.7英寸、分辨率為640*480的真彩TFT屏，提供一個(gè)簡單的高速8位總線與單片機(jī)連接，支持256色，可直接與AVR相連，并且直接輸入X、Y坐標(biāo)，無須計(jì)算地址。

該液晶采用并行總線方式，數(shù)據(jù)總線D[7:0]、地址總線A[1:0]、片選/CS、讀/RD、寫/WR，顯示屏中每個(gè)點(diǎn)影射顯示存儲(chǔ)器中的一個(gè)字節(jié)，顯示屏上的X、Y坐標(biāo)與顯示存儲(chǔ)器的地址一一對(duì)應(yīng)。因此，只需輸入X、Y坐標(biāo)便可直接讀寫相應(yīng)點(diǎn)數(shù)據(jù)，不用計(jì)算像素點(diǎn)在顯示存儲(chǔ)器中的地址，寫入數(shù)據(jù)后X坐標(biāo)自動(dòng)加1，寫滿一行后自動(dòng)換行，用戶也可實(shí)現(xiàn)Y坐標(biāo)自動(dòng)加1。顯示存儲(chǔ)器的一個(gè)字節(jié)由8位構(gòu)成，顯示器屏幕上的一個(gè)“像素”點(diǎn)由R、G、B三個(gè)“點(diǎn)”來組成。一個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)一個(gè)像素，位分配原則是是R3-G3-B2，也就是紅色占高三位，綠色占中間三位，藍(lán)色為低2位。因此，共可顯示8種紅色，8種綠色，4種藍(lán)色。通過紅、綠、藍(lán)的混合，總共可以得到256種顏色。其基本原理如圖，DC/DC電壓變換器產(chǎn)生液晶顯示所需要的各種驅(qū)動(dòng)電壓，背光驅(qū)動(dòng)電路則產(chǎn)生LED背光燈所需要的供電電源。邏輯控制電路采用CPLD器件，自主研制的優(yōu)化邏輯，利用獨(dú)有的緩沖技術(shù)，讓顯示與寫入數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行，完全杜絕雪花現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了畫面的高速更新，且互不干擾。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的單片機(jī)是AVR系列單片機(jī)中功能最強(qiáng)的AT90CAN128。該單片機(jī)具有豐富的片內(nèi)資源如128k的Flash，4kB的內(nèi)部SRAM，51個(gè)I/O端口，可尋址64KB的地址，支持ISP下載和JTAG仿真等。由于液晶的顯示緩沖區(qū)里的內(nèi)容是不能讀出的，為了保存寫入的數(shù)據(jù)，在外面還外擴(kuò)了一片AT24C04，由于本單片機(jī)的資源有限，須借助外擴(kuò)存儲(chǔ)器。AT90CAN128采用IIC總線對(duì)EEPROM進(jìn)行讀寫操作，上電后首先發(fā)送保存在片內(nèi)的數(shù)據(jù)，然后接受PC發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并保存起來，再次讀取數(shù)據(jù)返回給PC，斷電后數(shù)據(jù)不丟失。IIC總線對(duì)EEPROM進(jìn)行讀寫操作，其過程如下：

1)發(fā)送START信號(hào)，通過對(duì)TWCR寫入特定值，指示TWI硬件發(fā)送START信號(hào)。

2)START信號(hào)被發(fā)送之后，TWCR寄存器的TWINT標(biāo)志位置位，TWCR更新為新的狀態(tài)碼，表示START信號(hào)成功發(fā)送。

圖1 手操盒系統(tǒng)組成

圖2 手操盒設(shè)備組成

圖3 控制流程圖

3)應(yīng)用程序應(yīng)檢驗(yàn)TWSR，確定START信號(hào)已成功發(fā)送，TWINT清零，啟動(dòng)地址包的傳送。

4)地址包發(fā)送后，TWCR寄存器的TWINT標(biāo)志位置位，TWDR更新為新的狀態(tài)碼，表示地址包成功發(fā)送。

5)應(yīng)用程序應(yīng)檢驗(yàn)TWSR，確認(rèn)地址包已成功發(fā)送、ACK為期望值。

6)一旦TWINT清零，TWI啟動(dòng)數(shù)據(jù)包發(fā)送，發(fā)送后TWCR的TWINT置位，TWSR更新為新的狀態(tài)碼，表示數(shù)據(jù)包已成功發(fā)送。

7)應(yīng)用程序檢驗(yàn)TWSR，確認(rèn)地址包已發(fā)送，ACK為期望值。

圖4、圖5為AVR單片機(jī)對(duì)EEPROM的讀寫流程圖。

3.2 液晶顯示設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

TFT的接口方式采用總線方式，外部引線包括數(shù)據(jù)總線(DB0-DB7)、片選信號(hào)(/CS)、讀寫輸入(/RD、/WR)，可以直接接到單片機(jī)的總線上。

圖4 讀數(shù)據(jù)流程圖

圖5 寫數(shù)據(jù)流程圖

圖6 無環(huán)境干擾時(shí)采用模糊PID控制仿真結(jié)果

由于TFT顯示數(shù)據(jù)讀寫方式是首先必須指定行地址Y，以及列地址X。然后就可以將該行從地址X開始的數(shù)據(jù)連續(xù)進(jìn)行讀寫操作，無須重新設(shè)置X和Y。在顯示數(shù)據(jù)的每次讀寫操作后，列地址X將自動(dòng)加1，當(dāng)?shù)刂芳拥叫形矔r(shí)，地址將跳到下一行的行首。當(dāng)要讀寫一個(gè)新的行時(shí)，必須重新設(shè)置X、Y。

CMD為液晶控制寄存器，DAT為液晶數(shù)據(jù)寄存器，顯示數(shù)據(jù)通過該寄存器寫入和讀出，每次讀寫操作后地址自動(dòng)沿X方向加一，一次讀寫一個(gè)像素。對(duì)液晶顯示器進(jìn)行控制。

TFT的控制寄存器CMD如下：

76543210 Model1Model0EN

EN為使能位，該位為1使能8點(diǎn)寫模式，為0則是的單點(diǎn)寫的基本功能。

Mode=00：數(shù)據(jù)寄存器DAT是像素?cái)?shù)據(jù)寫入寄存器。

Mode=01：數(shù)據(jù)寄存器DAT是前景色顏色寫入寄存器。

Mode=10：數(shù)據(jù)寄存器DAT是背景色顏色寫入寄存器。

圖7 有環(huán)境干擾時(shí)采用模糊PID控制仿真結(jié)果

Mode=11：數(shù)據(jù)寄存器DAT是亮度值寫入寄存器。

顯示函數(shù)：

TFT屏的顯示是直接把數(shù)據(jù)賦給數(shù)據(jù)寄存器，然后就能顯示出來，所有我們要做的就是確定顯示的首尾地址。

3.3 顯示漢字和其他功能

在屏幕上顯示16*16點(diǎn)陣漢字的基本步驟是首先取得該漢字的32個(gè)字節(jié)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，再確定屏幕上顯示的位置，利用顯示函數(shù)即可顯示該漢字。由于本液晶不帶字庫，而且單片機(jī)本身的資源有有限，所以從外擴(kuò)的EEPROM中讀取數(shù)組，然后再液晶上顯示。

其函數(shù)如下：

4.手操盒系統(tǒng)軟件仿真

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的手操盒系統(tǒng)的性能，需要將其應(yīng)用于船舶控制。由于條件有限無法將控制器應(yīng)用于實(shí)船上驗(yàn)證，因此需要搭建動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺(tái)，并在該平臺(tái)上采用模糊PID控制算法對(duì)船舶艏向進(jìn)行控制，以此來驗(yàn)證控制器效果。

本文驗(yàn)證方案為在PC機(jī)上建立一個(gè)三自由度的船舶模型，在手操盒控制板與PC機(jī)通過RS232相連，通過操縱手操桿，實(shí)現(xiàn)船舶控制量與船舶狀態(tài)量之間的關(guān)系。

仿真系統(tǒng)流程如下：首先先給系統(tǒng)上電，等待系統(tǒng)產(chǎn)生的船舶當(dāng)前艏向，然后與原來模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果相等，則程序結(jié)束。

在仿真試驗(yàn)中，運(yùn)行有船舶模型的PC機(jī)上時(shí)刻記錄著水面船舶的艏向信息，并將該信息保存到記事本中，待仿真結(jié)束利用MATLAB繪制出艏向控制曲線，主要驗(yàn)證了在有環(huán)境干擾和無環(huán)境干擾下，模糊PID對(duì)船舶的艏向控制情況如下：

PID的控制算法為：

其中，u( t)為控制器輸出量，e( t)為誤差信號(hào)，ec( t)為誤差變化率，Kp，Ki，Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。這種PID存在參數(shù)修改不方便不能進(jìn)行自整定等特點(diǎn)，如果能實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)在線自整定，那么就能進(jìn)一步改善PID控制器性能，以適應(yīng)控制系統(tǒng)參數(shù)變化和工作條件的變化。

(1)無環(huán)境干擾時(shí)的艏向、北向控制仿真

試驗(yàn)過程中，未加入風(fēng)、浪和海流環(huán)境干擾力，比較了采用模糊PID算法將船舶艏向控制到10°時(shí)的變化情況，分別如圖6所示。

(2)有環(huán)境干擾時(shí)的艏向、北向控制仿真

試驗(yàn)過程中，風(fēng)速以17m/s從120°的方向吹向船舶，流速為0.3m/s，方向?yàn)?0°，比較了采用模糊PID控制艏向角為10°時(shí)的控制曲線，如圖7。

5.結(jié)語

手操盒作為一種特殊的船控終端操作系統(tǒng)，在需要人為操作時(shí)才進(jìn)行工作，擁有良好的人機(jī)交互界面。液晶顯示界面程序均在ICCAVR編譯器里調(diào)試通過，實(shí)現(xiàn)了在液晶屏幕上正常顯示各種顏色的漢字、英文、數(shù)字及簡單的圖形功能，采用本液晶模塊，達(dá)到了顯示穩(wěn)定，顯示色彩豐富，人機(jī)界面友好的較理想的顯示效果。

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