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摘要
稳定平台是利用传感器采集载体的运动姿态信息并控制调平使稳定对象相对特定空间坐标保持某一方位稳定的装置,是现代工程应用的重要设各,广泛地应用于航空,武器火控系统和雷达平台等。针对海上救援中抛绳器救援成功率低下的问题,提出将稳定平台应用于救助船紧急救助抛绳系统,W保证抛绳器的抛射精度,进而保证救援成功率。稳定平台能否有效抵消船体对抛绳器的扰动影响取决于控制系统的性能,因此本文主要开展包括软件系统和硬件《统的控制系统设计,为研发完菩的救助系统奠定良好的基础。
文中介绍了稳定平台系统的结构姐成,主要包括平台的0型串联机械结构特点、INS/GPS姐合姿态测量系统和对平台稳定控制精度产生影响的因素。开发稳定平台软件控制系统,系统采集船体的运动姿态信息,对采集的数据包进行解码并换算为实际角度,将实际角度与电机转速建立应用模型,通过设计PI调节器实现对调平电机的控制,最后使用编程软件和仿真软件联合对程序进行在线实时仿真调试,W得到良好的控制程序。然后,基于主控忍片ATmegal6设计稳定平台硬件控制系统,包括前向通道接曰电路、后向通道接曰电路、人机交互通道接口认及数据通信接口电路,并使用Protel绘制电路板布线图,经过曝光、显影、蚀刻、钻孔、焊接等处理制作PCB电路板。最后,使用六自由度船舶模拟器为二自由度稳定平台提供横摇及纵摇的运动姿态,测试平台的稳定性能。实验表明,当船体运动姿态的化动达到7咐,稳定平台能保持在2.6°范围内,稳定性能受到机械结构误差、控制算法的限制。
关键词：稳定平台;单片机;PI控制;软件系统;硬件系统
ABSTRACT
Stable platform is a kind of device which is used to keep an object stabilhy relative to a specific space coordinate. It can adjust the balance by collecting the motion information about vector and controlling the mol;or. It is important for modem engineering equipment,widely used in aviation, fire control systhms of weapons and radar platfbrms Aiming at the problem of low success rate of throwing rope isescue in marine rescue, this paper prstents the application of stable platfbrm th the emergency rescue rope-thrower system 0n rescue ship, to ensure the accuracy of projectile and 1;he success rate of rescue. Stable platform can effectively offset the movement of the hull depends 0n the performsnce of the COntrol system when the line-thrower laimch. Therefbise,this paper design control system, including software and hardware sysbms, which lay a good foundation for the development of a sound rescue systhm.
In the paper, the mechanical strucUire of s1:able platform is introduced. It includes the charaUeristics of 1;he mechanical structure of the 0-series platfbrm,INS/GPS Measurement System and the factors affecting the accuracy of stable platform. The software control syst;ems of stable platform is developed. The system collects the information of the huirs movement. Then, the data packets are decoded and COnverted into the actual angle. The mathematical model between the actual angle and the motor speed is established, which is used to design the PI regulator to control the mothr. Finally, the program is debugged and worked with online realtime simulation combine programming software and simulation software. The hardware control syskm of the stabilized platform is designed based on ATmegal6. It ineludes a forward channel interface circuit, a backward channel in1;erface circuit,a humaivcompiiter interaction channel interface and a data communications interface circuits. And the PCB circuit board is made, after drawing circuit board wiring diagram by Protel,exposure,development, etching,drilling, welding. Finally,tee six DOF Ship Simulator is used to provide rolling and pishing motion to test two DOF stable platform.Experimental results show teat sthble platform can be maintained in the range of 2.6 degrees when tee ship reaches 7 degrees. The performance is still limited by the mechanical structure error and the control algorithm.
Key words: stabilized platform; SCM; PI control; software system; hardware system
稳定平台是现代工程应用的重要设备,广泛地应用于航空、武器火控系统、雷达平台等,从最初的军用设备逐渐发展为民用。主要是利用传感器采集载体的运动姿态信息进行控制调平使被稳定对象在相对特定空间坐标保持某一方位或多方位的稳定。
全球气候异常、频发的强台风、通航环境日益复杂导致水上重大突发安全事故长期在高位徘徊。近百年来,尽管现代科学技术广泛地应用于航运业使得船舶安全保障设施不断完善,以及通过国际公约、行业指南、强制性技术规范等强化船舶安全管理,航运安全总体水平持续不断地提高,海难仍难以避免以。航运及其他海上生产活动越发展,船舶和其他海上设施保用量越多,航次也越多,发生海难的次数也越多。据统计,我国1949年至1984年共救助969次,均每年救助26.9次,1985年至1990年共救助365次,平均每年救助60.8次,1991年至1999年共救助969次,平均每年107.7次,海难的年发生次数随着航运和其他海上生产活动的发展而増加。
并且,随着经济的发展,船舶趋于大型化、货物品种增加、货值提高、船载燃袖数量增加、有毒有害货物品种和数量増多,一旦发生海难,往往会造成巨大的损失和严重的后果,尤其是对环境的损害以。这与我国航运业和其他海上生产活动的发展趋势相吻合的。
海上救助是航运业和其他海上业务的延伸需要。航运是高风险行业,有航运就有海难,有海难就需要海上救助。海上遇险和海难通常是在船舶无法自救的情况下的各种危险,这种情况的进一步发展将导致船舶或其他财产的损失或对环境造成损害或人命伤亡,属于紧急情况,只有得到尽快的救助,才能摆脱紧迫的危险,所?海上救助必须是及时的。海上救助主要的方式包括海上拖航、堵漏、拖浅、海上卸载、灭火、海上救生等以。根据海难的不同情况,各种救助方式可单独使用或同时使用以。恶劣海况下,往往无法靠近遇险船只,在实施救援过程中拖带救助是保证人命及财产同时获救的最有效方法之一,约占救助作业的90%以上在我国海难救助中被广泛应用。拖带救助第一步就是用撇鸡枪将引缆发射到遇险船上,由于救助时限的要求,能否快速有效的将带维准确的发射到受难船只是保障拖带救助成功和提高救助效率的关键,直接关系到人身和财产安全,撇缆枪的快速、精碗决定了救助的效果。传统的引缆方式是由救助人员手动操作撇缆枪进行的,引缆成功与否很大程度上依赖于操作人员的经验,在风平浪静或者低等级海况下,现有撇缆枪引鸡效果显着,成功率很高,并且操作简单,快速便捷,实为一种优良的引鸡方式。但随着环境因素的不同,海况变得更加恶劣,船舶摇晃剧烈,船舶横摇角度甚至能够达到,救助人员在维持本身的平衡的同时就很难保证撇缀枪的稳定,加之恶劣海况下风力较强,必然会严重影响抛射距离、抛射精准度等,致使引缆成功率急剧下降。而且恶劣海况下救助船后甲板上浪严重,救助人员的生命安全受到严重威胁。如何在恶劣海况下快捷有效地为遇险船只引缆成为当今救助打掠界公认的难题之一。
恶劣海况的最直接表现就是强风和船舶的剧烈摇晃,这也是影响恶劣海况下能否引鸡成功的两个关键因素tisi。要提高恶劣海况下撇缆枪引鸡成功率就首先要解决这两个主要问题。首先要检测弹体在千扰作用下偏离初始射向的角度大小和方位或者是角速度大小和方位然后采用控制系统对射向误差进行修正为了克服船舶剧烈摇晃带来的不稳定性,给撇绳枪一个稳定的抛射平台,就需要在船上安装一个稳定平台,用来补偿船舶的剧烈摇晃,使撇缆枪即使在恶劣海况下也能像风平浪静时稳定发射。船舶航行时具有横摇、纵摇、馆摇、垂荡、横荡、纵荡六个自由度的摇荡运动。在大风浪等恶劣海况下,为保证抛射器的稳定环境,主要考虑船舶的横摇、纵摇和绪摇,采用H自由度稳定平台消除船舶姿态影响强风对撇缆枪引鸡产生的影响主要是会使救援弹在飞行过程中偏离既定的弹道,使救援弹的落点差生较大的误差,要消除强风对引缆操作带来的不利影响,需要经过计算给撇缆枪预先设定一个发射偏角(发射方位角),补偿强风造成的偏差。在实际救援中,只有经验非常丰富的操作人员才能正确的把握发射偏角。但是影响发射偏角的主要因素有风力、风向、距离、抛射角等,如果我们通过理论计算和大量的试验能够找到发射偏角和风力、风向、距离、抛射角等参数之间的函数关系,通过计算机根据环境条件的变化将撇缆枪不断地调整至最佳发射偏角,那么我们也就彻底变革了传统的依靠人的经验来进行撇绳枪引维的操作方式。
救助稳定平台控制系统部分功能测试：
ICCAVR操作界面
AYR studio 界面
穂定平台工作系统简图
二自由度稳定平台
六自由度船舶模拟器
电机转速曲线
电机转速曲线
目录
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 稳定平台国内外研究现状
1.3 控制技术研究现状
1.4 论文的研究内容及章节安排
第二章 撇缆救助稳定平台系统
2.1 稳定平台结构
2.2 稳定平台的性能
2.3 组合惯性测量系统
2.4 稳定精度影响因素
2.5 本章小结
第三章 硬件系统设计
3.1 主控芯片选型
3.1.1 单片机选型
3.1.2 ATmagel6 特性
3.2 单片机电路系统
3.2.1 最小工作系统
3.2.2 前向通道接口电路
3.2.3 后向通道接口电路
3.2.4 人机交互通道接口电路
3.2.5 数据通信接口电路
3.3 PCB电路板制作
3.4 本章小结
第四章 软件系统设计
4.1 数据采集及处理
4.1.1 数据协议
4.1.2 数据换算
4.1.3 数据滤波
4.2 控制算法
4.2.1 PI控制
4.2.2 PI调节器
4.3 程序编译及调试
4.3.1 软件编写
4.3.2 程序仿真
4.4 本章小结
第五章 控制器实验测试
5.1 稳定平台工作系统
5.1.1 执行系统
5.1.2 配电系统
5.1.3 控制系统
5.2 实验平台
5.3 实验测试
5.3.1 测量系统漂移测试
5.3.2 测量系统跟随测试
5.3.3 电机响应测试
5.3.4 平台稳定性能测试
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
参考文献
致谢
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