海洋调查船绞车遥控装置设计_邬宾杰.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 7 期 2023 年 7 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.7 Jul.2023 收稿日期:2023-02-13 基金项目:国家自然科学基金面上项目（42276021）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（JG2316）作者简介:邬宾杰（1990），男，浙江舟山，硕士，工程师，主要研究方向为海洋立体观测网及相关设备研发与集成，。引文格式:邬宾杰，张涛，张登，等.海洋调查船绞车遥控装置设计J.实验技术与管理,2023,40(7):172-177.Cite this article:WU B J,ZHANG T,ZHANG D,et al.Design of remote control device for winch of marine survey shipJ.Experimental Technology and Management,2023,40(7):172-177.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.07.027 海洋调查船绞车遥控装置设计 邬宾杰1，张 涛1，张 登1，倪晓波1,2，丁睿彬1，宣基亮1,2，张艺蔚1（1.自然资源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012）摘 要：海洋调查船绞车是海洋调查作业过程中频繁使用的设备，然而操作人员只能在操作室内控制绞车运行，难以直接观察到绞车的运行情况。该文基于 STM32 单片机和无线数传模块设计了绞车手柄遥控装置，操作人员可以在 30 m 范围内控制绞车手柄的摆动角度，可在不同位置和角度观察绞车运行情况。使用模糊 PID 控制方法控制手柄操作装置，能克服一定的非线性问题和干扰。试验结果表明：该遥控装置可以使手柄摆动角度精确地跟踪设定值，系统稳定可靠。该装置增加了作业的灵活性和效率，可为今后各种机械设备的手柄遥控器设计提供参考。关键词：海洋调查船；绞车；遥控装置；模糊 PID 控制 中图分类号：TP273.4 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)07-0172-06 Design of remote control device for winch of marine survey ship WU Binjie1,ZHANG Tao1,ZHANG Deng1,NI Xiaobo1,2,DING Ruibin1,XUAN Jiliang1,2,ZHANG Yiwei1(1.Second Institute of Oceanography,Ministry of Natural Resources,Hangzhou 310012,China;2.State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics,Hangzhou 310012,China)Abstract:The winch of marine survey ship is a frequently used equipment in the process of marine survey operation.However,the operator can only control the winch in the operating room.The operation of the winch cannot be directly observed by operator in many cases.This article designs a set of winch handle remote control device based on the STM32 MCU and wireless data transmission module.The operators can operate the winch handle swing angle within 30 meters of the complex environment on board,and conveniently observing winch operation in different positions.The fuzzy PID control is used to control the handle operation device,which can overcome nonlinear problems and disturb to a certain degree.Experimental tests show that the controller can make the handle swing angle accurately track the set value,proves that the system is stable and reliable.The device increases the flexibility and efficiency of operation,and can provide reference for the design of handle remote control of various mechanical equipment in the future.Key words:marine survey ship;winch;remote control device;fuzzy PID control 绞车系统是海洋调查船在海上作业时最重要且使用最频繁的甲板支撑设备1-3。绞车操作台一般位于船舱内的深拖实验室或二层甲板的八角形操作楼内。在绞车运行中，操作人员需在操纵台旁边控制绞车手柄，这限制了较多科学考察工作任务的开展，且现有的绞车控制手柄无法准确控制绞车系统的放缆速度，只能依靠操作人员手动调整放缆速度和放缆长度，精度较低且费时费力。基于这些现实问题，本文设计了一种绞车手柄遥控装置。该装置集成了无线遥控、速度控制和位置显示等功能。将该装置安装到现有的船舶绞车系统中，操作人员可以实现在 30 m 范围内的不同位置和角度观察绞车的运行情况，方便科学考察工作的 邬宾杰，等：海洋调查船绞车遥控装置设计 173 展开。同时，该装置使用了模糊 PID 控制算法，提高了绞车手柄摆动角度的控制精度，操作人员可通过旋钮遥控绞车手柄的摆动速度和角度，调节绞车的运行速度。这增加了作业的灵活性，利于操作人员在作业时观察设备的运行情况，减轻操作人员的疲劳、提高海上调查工作的效率。1 绞车手柄遥控装置硬件设计 1.1 手柄遥控装置总体设计 本文设计的绞车手柄遥控装置包括手柄操作装置、控制箱和手持遥控器 3 部分，如图 1 所示。其中，手柄操作装置可以安装在现有的绞车手柄上，并通过推杆调节绞车手柄的角度，实现对绞车放缆速度的控制。操作人员可以通过手持遥控器控制系统启停，并调节绞车手柄的摆动速度和角度。手持遥控器信号由无线数传模块输出，在 30 m 范围内，控制箱可接收到该信号并进行分析和处理，完成控制手柄操作装置的工作。同时，控制箱还可以接收缆绳长度传感器、拉力传感器和速度传感器数据信息，并将这些数据实时传输到遥控器上，方便操作人员及时了解绞车的工作情况。图 1 绞车手柄遥控装置总体设计 1.2 手柄遥控装置机械结构 手柄遥控装置的机械结构如图 2 所示，操作手柄的所有器件均安装在固定底座上。该装置通过步进电机精确控制丝杆的转动，并带动滑台平移。同时，行程传感器也可以测量滑台的绝对位置，实现闭环控制。滑台与摇杆连接，摇杆可以模仿操作人员带动绞车手柄向前或向后摆动，精确控制绞车手柄的摆动角度，从而实现对绞车放缆速度的精准控制。考虑到船用绞车已经是一个成熟的产品，故可在使用或脱离绞车手柄遥控装置的情况下工作。因此，本文设计了快拆锁定夹，方便操作人员快速安装和拆卸手柄操作装置，使其能够根据不同的工作环境快速调整绞车的操作状态。图 2 手柄遥控装置机械结构 1.3 电控方案 绞车手柄遥控装置的电控方案分为两部分。为了方便操作人员进行遥控控制，手持遥控器选择了基于LoRa 通信技术的电控方案。该方案可以在信号屏蔽较强、电磁环境较复杂的船舶上确保 30 m 的有效遥控距离。操作人员可以通过手持遥控器快速发送控制指令，并及时了解绞车的工作状态。同时，控制箱可接收控制指令，并在绞车需要动作时，实现快速推动绞车手柄到指定位置。1.3.1 手持遥控器电控方案 手持遥控器电控方案如图 3 所示，STM32 单片机为主控芯片。该方案设有确认按钮，用于开启或关闭无线连接。摇杆控制旋钮的扭转角度与绞车手柄的摆动角度呈线性关系，可直接用于调节绞车手柄的摆动角度。速度调节旋钮确定了绞车手柄的最大摆动速度。通过摇杆控制旋钮和速度调节旋钮，操作人员可灵活控制绞车手柄。例如，当绞车需要快速放缆时，可以操作手柄快速动作；当需要微调绞车放缆长度时，可以操作手柄慢速动作，提高准确性。摇杆控制旋钮和速度调节旋钮均基于滑动变阻器的设计原理，主控芯片通过读取其引脚的电压值获得旋钮的旋转角度，图 3 手持遥控器电控方案 174 实 验 技 术 与 管 理 从而得出操作人员的控制指令，并将该指令发送给控制箱以控制手柄操作装置进行工作。无线发射器是基于 LoRa 通信技术的无线数传模块，使用线性调频扩频调制技术4，增强信号增益，同时在编码中加入了前向纠错编码技术和冗余信息，有效提高了传输的可靠性、覆盖范围和穿透性5，确保在船舶上的通信距离达到 30 m。无线发射器与主控芯片通过 SPI 接口相连。主控芯片作为主要设备，时钟频率可达 18 MHz。无线发射器使用 433 MHz 的频率方案，并选择 37.5 kB/s 的通信速率。主控芯片可以完整获取经无线方式传输的数据，并发送新的控制信号，完全满足绞车控制的需要。为方便操作人员了解绞车的工作状态，在遥控器上设计了 OLED 显示屏，显示电池电量、放缆长度、放缆速度和缆绳张力等数据信息。1.3.2 控制箱电控方案 控制箱电控方案如图 4 所示，同样使用 STM32单片机作为主控芯片。主控芯片通过无线发射器接收手持遥控器的控制指令，控制步进电机驱动器驱动步进电机转动指定的角度，进而带动丝杆滑台运动。步进电机的步距角为 1.8，为确保步进电机转动更平稳，步进电机驱动器将步距角进一步细分 16 倍。然而，由于电机绕组原因，步进电机定位精度最高为 0.45，滑台运动的最小步长为 0.02 mm，完全满足绞车手柄的控制需要。由于工作环境存在较多干扰，步进电机可能出现失步问题，因此通过行程传感器测量滑台的运动位置（图 2），使用闭环控制的方式精确控制滑台的位置。通过闭环的反馈控制可消除步进电机失步影响，从而精确控制绞车手柄的摆动位置。图 4 控制箱电控方案 绞车上安装了基于旋转编码器原理的转速传感器。每当步进电机旋转一圈时，转速传感器会向主控芯片发送 2 500 个脉冲。编码器输出 A、B 两相脉冲正交，主控芯片可根据脉冲正交相位情况，以及计数两组脉冲的上升沿和下降沿，计算出卷筒的旋转圈数、旋转角度和正反转情况。通过计算单位时间内的脉冲数，可快速得出绞车卷筒的旋转速度。同时，绞车上的拉力传感器，输出与收到拉力成正比的电压信号，主控芯片可据此计算缆绳上的拉力。控制箱上也安装了基于 LoRa 通信技术的无线数传模块，能够与手持遥控器匹配，该模块可以将放缆长度、放缆速度和缆绳张力等数据实时发送到手持遥控器端，同时控制箱接收手持遥控器发来的控制信号，并实时控制绞车手柄的摆动角度。2 绞车手柄遥控装置控制算法设计 在手柄操作装置中，滑台的精确定位是控制绞车手柄运动至指定角度的关键。然而，由于滑台受摩擦力和阻尼，以及绞车手柄的摩擦力和阻尼的影响，无法建立精确的控制模型。因此，本文使用了 PID 控制方法实现对滑台的精确定位，首先，行程传感器实时监测滑台的位置信息，比较实际位置与设定位置，比较滑台实际移动速度与设定的最大速度；然后，将比较信息输入 PID 控制器中运算，最终输出步进电机的转速，最后，通过步进电机驱动器调整电机转速，实现对滑台实际位置的精确控制，并精确调整绞车手柄的摆动角度。PID 控制是基于误差和误差变化率的反馈控制，适用于线性时不变系统。然而，本设计中绞车手柄自身的摩擦力和阻尼以及滑台所受的摩擦力通常是非线性的，同时会受外部环境干扰的影响，传统的 PID 控制方法较难满足控制精度的要求6。因此，需要微调PID 控制参数改变其控制性能。模糊控制方法可以使用人为给出的模糊规则微调 PID 参数，以满足不同情况下系统对控制参数的需求，降低系统非线性和干扰带来的影响7-8，提高系统的控制精度9-10。此外，二维模糊控制器的运算结构较为简单，运算速度快，可较好地反映系统在控制过程中的动态情况11，适合在本文设计的手柄遥控装置上运行。因此，本文将模糊控制与 PID 控制器相结合，使用模糊 PID 控制方法实现对滑台位置的精确控制。完整的模糊 PID 控制器算法结构如图 5 所示。其中，pK、iK和dK为模糊控制器的输出，其物理含义分别为 PID 控制器中比例系数p()K、积分系数i()K、微分系数d()K的变化量，e 为滑台当前时刻的位置误差，ec为当前时刻下的位置误差变化率。图 5 模糊 PID 控制器算法结构 邬宾杰，等：海洋调查船绞车遥控装置设计 175 2.1 控制器算法 为提高主控芯片的运算性能，本设计使用了离散PID 算法，并使用增量式 PID 控制方法。增量式 PID方法是一种递推式算法，计算过程不需要累加，且运算量小，误动作对其的影响也较小，在步进电机的控制中效果较好。增量式控制方程计算式12为()()()e kr ky k=-（1）pid()()(1)()()2(1)(2)u kKe ke kK e kKe ke ke k=-+-+-（2）()(1)()u ku ku k=-+（3）式中，()r k为 k 时刻下的位置设定值；()y k为 k 时刻下行程传感器测量到的滑台实际位置；()e k为 k 时刻下的位置误差；()u k为 k 时刻下的控制输入增量大小；pK为比例系数；iK为积分系数；dK为微分系数；()u k为 k 时刻下运算后的控制输出。根据 PID 控制方法的原理：pK可用于调节系统的响应速度，提高系统的调节精度；iK可用于消除系统的静态误差；dK可用于改善系统的动态特性13。2.2 模糊逻辑 在模糊控制系统中，将位置偏差 e 与位置偏差变化率ce作为模糊控制系统的输入，根据预设的p0K、i0K、d0K计算得到修正后的pK、iK、dK，并输入到 PID 控制器中，计算式14-16为 pp0pii0idd0dKKKKKKKKK=+|=+|=+（4）式中，p0K、i0K、d0K为 PID 控制器的初始值；pK、iK、dK为调整后的 PID 控制参数。为了提高系统的稳定性，减小响应时间和系统超调，提高准确性，本设计根据经验制定的模糊控制规则如下17-18：（1）当偏差|e较大时，需要适当增大pK以提高系统的响应速度，同时适当减小iK和dK以避免较大的系统超调；（2）当偏差|e中等大小时，pK、iK、dK的取值应适中，在保证系统响应速度的同时，也使系统超调较小；（3）当偏差|e较小时，需要适当减小pK以避免系统超调，同时适当增大iK和dK以保证系统的稳定性；（4）为提高系统抗干扰性能并且避免振荡，本文在设置控制规则时考虑了以下因素：当c|e较小时，应适当减小dK；当c|e较大时，应适增加dK。将变量e、ce、pK、iK、dK模糊化为 7 级：负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。随后根据上述模糊规则确定了模糊控制规则表，如表 1 所示。其中pK、iK、dK的模糊规则由误差e和ce确定，规则表中内容别分别指pid/KKK的模糊级别。控制器计算位置偏差e和位置偏差变化率ce后，通过表 1 可以获得具体的pid/KKK的模糊级别。随后计算模糊级别与模糊控制器输入输出之间的映射关系。表 1 模糊控制规则表 误差变化率ce 误差e NB NM NS ZO PS PM PB NB PB/NB/PS PB/NB/NS PM/NM/NB PM/NM/NB PS/NS/NB ZO/ZO/NM ZO/ZO/PS NM PB/NB/PS PB/NB/NS PM/NM/NB PS/NS/NM PS/NS/NM ZO/ZO/NS NS/ZO/ZO NS PM/NB/ZO PM/NM/NS PM/NS/NM PS/NS/NM ZO/ZO/NS NS/PS/NS NS/PS/ZO ZO PM/NM/ZO PM/NM/NS PS/NS/NS ZO/ZO/NS NS/PS/NS NM/PM/NS NM/PM/ZO PS PS/NM/ZO PS/NS/ZO ZO/ZO/ZO NS/PS/ZO NS/PS/ZO NM/PM/ZO NM/PB/ZO PM PS/ZO/PB ZO/ZO/PS NS/PS/PS NM/PM/PS NM/PM/PS NM/PB/PS NB/PB/PS PB ZO/ZO/PB ZO/ZO/PM NM/PS/PM NM/PM/PM NM/PM/PS NB/PB/PS NB/PB/PB 首先，将模糊控制器的输入输出通过线性映射的方法映射到一个确定的模糊集上，取该模糊集为6,619。maxemaxmin12()6eezee-=+-（5）cc maxcc maxc min12()6eezee-=+-，（6）式中，ez和cz分别为误差和误差变化率的映射值；maxe和mine分别为误差的最大值和最小值；c maxe，和c mine，分别为误差变化率的最大值和最小值。其次，通过高斯映射法计算模糊级别的隶属值 f：22()2zfe-=（7）式中，z 为映射值；和分别为模糊集的中心和宽度。176 实 验 技 术 与 管 理 模糊级别的隶属值与映射值的关系如图 6 所示。图 6 模糊隶属值与输入输出映射值的关系 然后，通过模糊规则表（表 1）可以查到 3 个 PID参数微调值的模糊级别，计算其相应的隶属度，进而通过去模糊化计算可得到 3 个 PID 参数的微调值在模糊集上的映射，3 个 PID 参数微调值pK、iK、dK的计算过程相同。该计算式为 6161jjjjjf zDf=（8）式中，D为 PID 参数的微调值在模糊集的映射。最后，对式（5）和式（6）进行相似的映射处理，得到pK、iK、dK，并代入式（4）计算，可得PID 控制参数，从而实现对滑台位置与手柄摆动角度的精确定位并灵活控制绞车运行。3 试验测试 本文使用上述控制方法对绞车手柄遥控装置进行了测试，主要测试了遥控手柄发出控制指令后，手柄操作装置中滑台跟随控制指令的实际位移情况，并将模糊 PID 控制方法与普通 PID 控制方法进行了对比。滑台位置响应曲线如图 7 所示。图 7 滑台位置响应曲线 从图 7 中可以看出，普通的 PID 控制方法表现出较大的超调量，且调整时间较长。由于绞车手柄直接控制绞车卷筒的速度，较大的超调量会直接导致绞车卷筒速度增加，增加事故发生的风险。然而，使用模糊 PID 控制方法后，系统超调量被消除，控制系统可以较好地抑制摩擦和阻尼带来的非线性干扰，使滑台平稳地运动到目标位置。同时，该响应时间较短且无稳态误差。因此，模糊 PID 控制在控制绞车任务方面表现出更好的性能。图 7 所示的滑台位置响应曲线是在手柄摆动速度最大的情况下测量得到。在实际操作过程中，可将手柄摆动的最大速度降低，并在放缆过程中对放缆速度进行微调。降低最大速度后的滑台位置响应曲线如图8 所示。从图 8 中可以看出，降低手柄摆动速度后，滑台的位移曲线较好地贴合了设定的轨迹曲线，无超调量。因此，遥控装置可以较好地完成微调手柄摆动角度的任务，控制效果较稳定。图 8 降低最大速度后的滑台位置响应曲线 4 结语 本文设计并制作了一套绞车手柄遥控装置，该装置可安装在现有的绞车手柄上，通过滑台和推杆模拟操作人员完成推动绞车手柄的工作。手柄操作装置和手持遥控器都使用了 STM32 作为主控芯片，并利用基于 LoRa 通信技术的无线数传模块，在 30 m 距离内的复杂环境下完成船舶遥控通信。同时，设计的模糊PID 控制器能克服一定的非线性和干扰，相较于传统的 PID 控制器，手柄操作装置有明显的改进。滑台可以精确、无超调地跟踪手持遥控器发出的指令，操作人员可以方便地完成绞车操作，增加了作业的灵活性并提高了海上调查作业效率。参考文献(References)1 丁邦建，吕庆桃.海洋科考船用电缆绞车技术与设计J.起重运输机械，2017,580(8):5154.邬宾杰，等：海洋调查船绞车遥控装置设计 177 2 丁洋.300 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