高性能水域无人巡查装置电机控制系统的应用设计

方佳韵， 钟 敏

(上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海 200063)

0 引言

在国际上，无人驾驶近海巡查装置目前已成为研究热点，该装置体积小、灵活性好，无论在民用还是军事方面都有广泛应用。

本文介绍的高性能水上无人巡查装置与国内研发的水域探测器不同，其采用先进的无线通信技术，覆盖范围广，工作区域大，具有灵活性好、智能化程度高、可以有效增大信息获取半径、适宜水域行动等特点，可与控制中心交互联动形成完整的监控系统，在现代近岸的侦查、监视等应用中具有越来越广泛的用途，对于提高水域技防手段，应对突发事件有着重大的现实意义。

1 设计目标

本文介绍的高性能水上无人巡查装置需要具有三种不同的操作模式:有人驾驶、远程遥控和无人自动驾驶。有人驾驶是指人工控制巡查装置，该模式只用于紧急状态，通过驾驶员操纵(紧急机械控制)和就地操纵(维护人员电动控制)实现;远程遥控是指通过无线的方式接收控制中心信号来控制船的动作，并将船舶运行状态传到控制中心;无人自动驾驶是最为智能化的操作模式，在无人装置上安装自动导航设备，控制系统根据设定轨迹自动驾驶，实现自动巡逻、自动避碰功能。本文介绍的巡查装置为直流电动推进设备，采用48 V蓄电池供电，带动永磁无刷直流电动机，采用双线绝缘系统，电源采用免维护铅酸蓄电池。

设计阶段分为系统整体设计、硬件设计、通信设计和软件设计四个部分。系统整体设计提供对系统的整体设计描述;硬件设计实现系统功能所需要的硬件;通信设计规定系统内数据通信方式;软件功能设计包含人机交互系统、仿真模拟系统和虚拟仪表设计等。

预期达到的技术指标如下:

(1)自航移动速度(4节)＞2 m/s(最好是大于3 m/s);

(2)最小转弯半径为10 m;

(3)续航时间＞8 h(定点状态:24 h);

(4)最远距离＞40 km(作业半径)，最大距离为100 km;

(5)定位方式为全球定位系统(GPS)+惯性导航(可浅航定位);

(6)噪声(工作情况下)为40 dB;

(7)有失踪自浮;

(8)姿态控制为自动，遥控;

(9)定位精度为10%航程(GPS+惯导);

(10)重量为1 200 kg;

(11)观察与联络平台高度(观察和遥控模式)＞2.5 m;

(12)稳性满足内河船稳性规范对B级类航区的要求。

2 基本设计概念和处理流程

整个系统包括水上控制系统和监控中心系统两部分。

水上监控系统组成如下:硬件由可编程逻辑控制器(PLC)和采集模块组成，PLC有三个通信口，分别与船上人机界面、AIS和M-PORT通信;软件上PLC采用SIMATIC Step7 MicroWin SP3 V4.0编程序。控制模块包括:舵机控制单元，左右推进器控制单元，信号灯控制单元，探照灯控制单元，喇叭控制单元，船舱温度控制单元;电量采集单元，包括对48 V和24 V供电系统的电压和电流进行检测;AIS通信单元采用自动通信协议对AIS和雷达信号进行采集;监控中心通信单元采用MODBUS RTU通信协议;船上监控单元集中显示各系统数据通信协议PPI协议。

集控中心系统组成如下:硬件由模拟驾驶盘和计算机组成，模拟驾驶盘通过方向盘控制船的运行方向，左右油门控制前进、后退及运行速度;软件中模拟驾驶盘通过USB口与计算机相连，通过VC++6.0软件编写触摸通信软件，并将数据传给监控软件。

计算机监控软件通过MPORT串口与船上PLC进行串口通信，实现人际交互功能，画面设计分为航行画面和模拟现场驾驶画面。

3 推进器特性

本船属于吊舱式电力推进船舶，推进装置采用直流电动机直接连接定距螺旋桨。主机为永磁无刷直流吊舱电动机，额定功率为2 kW，额定转速为1 000 r/min。吊舱带动螺旋桨可以左右转动，改变推力方向，促使船舶改变航向。因此，本船不设舵系统。吊舱电动机整体密封，控制可靠，防堵转需采用双重限位报警开关。

本船采用的电动挂机是动力和推进合一的系统，两台挂机悬挂在甲板后端中轴线两侧位置，电动挂机水深不超过基线。电动挂机由以下部件组成:(1)水下电机，将电机置于水下，能降低电机工作温度;(2)螺旋桨推进器，与电机直接相连提高效率;(3)电机控制器，用于改变电机的转速和旋转方向;(4)挂机外壳，作为电机的壳体和导线通道;(5)悬挂组件，将挂机与船舶支架固定;(6)液压推拉系统，在挂机的推进方向实现左右各30°旋转，使船舶及时改变航向;(7)蓄电池，为挂机提供直流电力;(8)充电器，交流220 V向蓄电池充电。

采用的电动机为永磁无刷直流电机，具有体积小、效率高的优点，置于挂机下端，浸在水中，散热效果好。电机与螺旋桨直接连接以提高效率。挂机外壳主轴处为水密结构，防止水进入电机影响正常工作。挂机外壳为流线型，侧面积较大，船舶停机滑行时能起到舵的作用。由于双体船中间水流速度大于船两侧，舵效比较明显。根据需要电动挂机可以向上翘起，便于清除螺旋桨上的杂物和更换螺旋桨。

本船电源设计为大于8 h供电，配置免维护铅酸蓄电池2组，型号为D-250/6 V，8只一组串联再2组并联为1套，容量为450 Ah/48 V，共2套(32只)，蓄电池置于玻璃钢制成的防水箱中。电动机每台功率为2 kW/48 V，共2台。

停航时有岸电对蓄电池充电。充电机为硅整流可调充电机，型号为GCA-40 A/0～48 V，充电电流为0～40 A，可任意调节。

双体船满载和空载情况下:横摇角 θi=9.53°;横摇自摇周期Tθ=4.08 s。

4 控制系统设计

本文介绍的控制系统是一套自动操控的接收执行系统。首先操控电动挂机的调速控制器(改变螺旋桨的旋转速度和方向)实现停—加速—减速—停—反转加速—反转减速—停的功能;其次是舵机操控液压推拉系统改变推进器方向:中间—向左—回中—向右—回中。同时，具有信息反馈装置，岸站主控室能实时了解运行状态;操舵左满舵35°至右满舵35°最大持续操纵时间小于20 s，可往返连续操作;控制可靠，防堵转需采用双重限位报警开关。

本船电机控制器采用数字信号处理器(DSP)调节输出功率，应用了较多新技术，具有极高的工作效率、完善的保护功能，工作可靠稳定，操纵简单，使用方便。其主要技术参数如下:输入电压为直流48 V±15%;输出电压为直流0～45 V;额定输出电流为40 A DC;保护为60 A时自动限流。

控制系统还包括对以下子系统的监控。

(1)配电系统:分48 V配电盘和24 V/12 V配电盘对全船的用电设备进行管理，通过电压、电流传感器检测蓄电池的运行状态，并将信号上传到控制中心。

(2)推进系统:通过2台2 kW的无刷电机控制器控制推进系统正转、反转、停和调速，实现速度的无级调节，内置过流、欠压和堵转保护功能。

(3)舵机控制:通过电机控制舵的转向、左右摆动动作和摆动速度，并把舵角数据上传，具有过流、欠压保护功能。

(4)PLC控制柜:通过PLC采集各设备的运行状态，对推进系统和舵角系统控制，并完成与岸基控制室计算机的通信。

(5)水上装置驾驶台和岸基控制室触摸屏集中显示船上各系统的信息，并接收用户的操作进行遥控驾驶。可方便扩展至无人自动驾驶，配置自动驾驶设备监控接口，实现水上装置就地手动驾驶和远程遥控驾驶及自动驾驶切换功能。

(6)航行信号灯:信号灯的电压为24 V DC。

(7)蓄电池检测、保护和维护:检测蓄电池电压、电流，实现过流、过热保护。

(8)底舱液位检测:检测舱底液位，当船漏水时自动打开排水泵。

(9)雷达导航系统:读取导航系统的数据，并上传到岸控室。

(10)通信播音设备:对外扩音装置，电笛。

(11)远程遥控设计:通过PLC通信接受控制中心的控制信号，控制输出开关，实现无线遥控;推进系统和舵角系统的控制，实现手动和远程无线遥控推进系统和舵角的动作;船体总体动力系统和保护系统及导航系统的设计选型、指导装配并调试，实现有人和无线遥控控制，并下水测试各分系统，实现数据上传和远程及手动控制，完善系统的硬件和软件;读取导航系统数据，控制船舶自动航行，实现定点巡逻，防碰撞。

(12)遥控与通信:通过水面无线通道实现遥控与通信。

组合导航系统(GPS+AIS+RADER)，GPS不断修正，以提高系统的精度和可靠性，实现对移动目标的自动跟踪与避障;同时，集成检测电罗经、GPS、测深、测速设备数据，并进行配套组合，集成应用，开发总监控界面。

本文介绍的系统预留太阳能电源安装位置，以后可作为装置的工作电源，也可作为蓄电池的充电电源，延长蓄电池的工作时间。预留水下通信和监测设备安装位置，以后可实现水下通道遥控与通信，能将水下监视系统与水声传输合一，实现遥控与监视同步。

5 操控界面

在驾驶室操纵台上设有电压表、电流表各一只，以便监视蓄电池用电情况。操纵器用直流电机无级变速操纵器，可以人工操作也可自动控制操作，人工操作时由方向盘改变航向，由手柄操作改变前进、后退和调节速度。

AIS智能导航仪及避碰雷达具有自动标绘功能，并进行配套组合，集成应用，开发总控制界面，提高水上装置视频巡查监控系统的抗冲击性和可靠性。船用触摸屏选用彩屏，通过图表和文字的形式显示船的运行状态和信息。在动力操作画面上设舵机和推进器的操作，用户通过点击相应的方向键控制船只的开停、转向和速度，画面上显示船只推进器的转速和舵角方向，并能控制船上的电气设备。状态反映通信是否正常，系统是否有报警信息;手动按钮用于自动、手动、遥控功能切换;信息为提示报警列表。

6 结语

本文介绍的高性能水上无人巡查装置具有体积小、灵活性好、自动化程度高、节省人力、可适应不同任务需求，可以有效增大信息获取半径、适宜水上布防、中心监控等特点，将在世博期间的水上安全保卫工作方面发挥重要的作用。同时，高性能水上无人巡查装置作为一种新的信息侦查、获取模式和手段，符合近海安全保卫工作的实际需要，并可扩展成为我国近海的综合信息获取平台。在未来的海事行动中，高性能水上无人巡查装置将大显身手。

［1］GB/T 19001—1994，质量体系 设计、开发、生产、安装和服务的质量保证模式［S］.1994.

［2］GB/T 7358—1998，船舶电气设备系统设计［S］.1998.