王樂 張亞 白世陽 龐洪禎

摘 要：結(jié)合現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)了小型玻璃鋼漁船的自主作業(yè)。本文詳細介紹漁船控制系統(tǒng)的設(shè)計和具體實施的手段。通過將漁船的控制系統(tǒng)分為船舶定位、推進、自動舵控制以及載荷收集系統(tǒng)，使各個分系統(tǒng)相互配合，從而達到漁船自動控制的目的。通過采用無線設(shè)備使管理人員能夠在母船上控制多艘小型漁船，從而提高了漁船作業(yè)的效率。最后通過實船測試，論證了其漁船控制系統(tǒng)設(shè)計的可行性。

關(guān)鍵詞：玻璃鋼漁船;自動控制;運動監(jiān)測

中圖分類號：U661.73? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）11-0055-03

為了能夠更好地利用玻璃鋼漁船進行相應(yīng)的作業(yè)，提高漁船的工作效率，本文設(shè)計了一套漁船自動控制系統(tǒng)[2-5]，通過一艘母船上的設(shè)備能夠無線控制多艘小型漁船進行相應(yīng)的工作。

1 漁船自動控制系統(tǒng)

為了實現(xiàn)小型漁船的自動控制，對現(xiàn)有的小型玻璃鋼漁船進行改裝，在其艏、舯和艉處分別安裝天線，使用無線設(shè)備進行傳輸，并通過不同系統(tǒng)之間的配合實現(xiàn)漁船自動控制。漁船的自動控制系統(tǒng)分為：定位系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、自動舵控制系統(tǒng)以及載荷收集系統(tǒng)。當(dāng)各分系統(tǒng)相互配合共同工作時，可通過位于母船上的管理人員有效控制，能夠?qū)崿F(xiàn)漁船的自動作業(yè)。

漁船的定位系統(tǒng)采用GPS/INS慣性定位系統(tǒng)測量其運動軌跡、航速、航向和運動姿態(tài)。GPS/INS的作用是用來進行船舶運動參數(shù)的測量，而GPS則用于進行船舶航行定位。GPS/INS模塊安裝在漁船的重量中心位置來測量漁船的搖蕩姿態(tài)，其縱搖和橫搖的測量精度分別為0.02°和0.05°[1]，X、Y、Z三個方向的速度測量精度為0.02m/s;兩個GPS接收天線則分別安裝在艏艉甲板中線處。受控漁船和母船之間通過無線電傳輸信號，GPS/INS實時采集的信息可直接在母船上的控制電腦上查看。經(jīng)實船測試驗證得到：信號最大傳輸距離可達10km;而采樣信號的頻率不宜設(shè)置過高，一般為10Hz左右。

受控漁船的航速和航向由自動舵和推進系統(tǒng)共同控制，而母船上的管理人員則可根據(jù)對受控漁船航行狀態(tài)需求發(fā)射遠程控制指令，其操控系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。在此過程中，管理人員可通過母船上的控制計算機輸入指令，然后由無線電臺將航速和航向調(diào)節(jié)指令傳輸給受控漁船上的接收器，從而實現(xiàn)對其航行狀態(tài)的遠程遙控。在整個控制系統(tǒng)中，共涉及到4對無線電臺，全部安裝在母船作業(yè)甲板上的相應(yīng)位置：一對用來傳輸GPS/INS反饋的漁船航行狀態(tài)信息;一對用來傳輸控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速設(shè)備的脈沖電壓;其余兩對用來傳輸舵的狀態(tài)信息。

推進系統(tǒng)主要是采用無線電站來控制發(fā)動機監(jiān)控設(shè)備的電壓從而達到控制漁船螺旋槳轉(zhuǎn)速的目的。通過調(diào)節(jié)發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)速度從而控制漁船的航行速度。

在控制漁船中安裝自動舵，從而可實現(xiàn)沿固定方向直線行駛自動，舵系統(tǒng)用戶操作界面如圖3（a）所示。該系統(tǒng)包含航向陀螺單元（CCU）、電力控制單元（ECU）以及驅(qū)動液壓桿三個部分。其中，航向陀螺單元（CCU）是自動舵系統(tǒng)的核心，判斷被控制漁船的實時航向;電力控制單元（ECU）基于PID 邏輯算法，根據(jù)航向陀螺單元所提供的信息對驅(qū)動液壓桿進行舵角調(diào)節(jié)，從而保證漁船保持期望的航行方向;驅(qū)動液壓桿通過一套雙曲柄傳動結(jié)構(gòu)實現(xiàn)同時控制雙舵舵角，傳動裝置如圖3（b）所示。母船上的試驗人員通過操作界面對漁船的航向角進行控制，通過無線信號將操控信息傳輸給漁船，最終實現(xiàn)控制漁船航行。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采用DH5902動態(tài)信號采集儀對作用在漁船上的載荷情況進行數(shù)據(jù)記錄。該儀器可同時對不同類型的載荷信號頻率進行采樣，并將數(shù)據(jù)結(jié)果臨時存儲至其內(nèi)置硬盤上。將動態(tài)信號采集儀安裝于漁船上，通過信號線方式對部分數(shù)據(jù)進行傳輸與記錄。同時，該采集儀的啟停通過控制母船上的計算機發(fā)射無線脈沖信號來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集內(nèi)容包括：

（1）應(yīng)力：將全橋應(yīng)變計安裝于漁船底部龍骨用以測量垂向和水平彎曲正應(yīng)力。對所測得應(yīng)力信號結(jié)合船體的結(jié)構(gòu)參數(shù)可轉(zhuǎn)化為船體所受的實時彎矩。

（2）壓力：分別在漁船艏、舯以及艉部布置共計13個抨擊壓力測量點用以測量艏部外飄抨擊壓力。各測量點的具體位置如圖5所示。

（3）加速度：分別在漁船艏、舯以及艉部的甲板上布置加速度傳感器用以測量船體所受的波浪垂向加速度。

通過固定在漁船重心位置的GPS/INS 模塊可測量得到船舶的縱向、水平以及垂向速度，航行經(jīng)度、緯度以及高度位移，縱搖、橫搖以及航向角。此外，在漁船上安裝兩個攝像機對其航行畫面進行記錄。測量設(shè)備及信號的基本參數(shù)情況如表1所示。

為了進一步確保漁船的航行安全，在漁船的航行海域進行海浪監(jiān)測。其具體的做法為：采用浮標(biāo)式浪高儀對漁船所作業(yè)的海域海浪信息進行測量，如圖4中所示。該儀器外形為球形，工作狀態(tài)時其下半部分浸入水中;底端通過懸掛鐵鏈來降低重心，從而保證浪高儀在波浪起伏運動中保持直立狀態(tài);其水線面處安裝有壓浪板，從而避免產(chǎn)生儀器的水平方向搖擺。浪高儀與波面的起伏運動同步，因此波高的變化速度可以由安裝在浪高儀中心位置處的加速度傳感器進行測量，設(shè)定采樣頻率為50Hz。

2 玻璃鋼漁船的監(jiān)測點設(shè)計

對于自動控制下的玻璃鋼漁船和母船的監(jiān)測點設(shè)計如圖5和圖6所示。

如圖5所示，在被控制漁船的外殼上布置了13個抨擊壓力監(jiān)測位置，其中艏部有7個監(jiān)測點。其監(jiān)測位置分布在三個橫剖面上。船舯處有兩個監(jiān)測點，分布在設(shè)計水線的附近。而艉部有4個監(jiān)測點，其分布在艉部推進器周圍。在船底部有一個貫穿全船的龍骨梁，通過在龍骨梁上安裝壓力若干個應(yīng)變計監(jiān)測船體的整體形變。同時，4對無線電臺的具體位置也在圖中標(biāo)明。圖6給出了控制母船的設(shè)計。其與一般的漁船類似，監(jiān)測控制計算機安放在此船上。管理人員通過在此處上可以監(jiān)測并控制多艘小型漁船的作業(yè)。

在黃海海域進行了此項控制漁船自動作業(yè)的試驗并取得成功，試驗論證了玻璃鋼漁船控制設(shè)計的可行性，具體的航行軌跡如圖7所示。

3 結(jié)論

本文通過結(jié)合現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)了小型玻璃鋼漁船的自主作業(yè)。并詳細介紹了漁船控制系統(tǒng)的設(shè)計和具體實施的手段，從而使?jié)O船在母船的控制下實現(xiàn)自主作業(yè)成為可能。最后通過實船測試，論證了漁船控制系統(tǒng)設(shè)計的可行性。

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