電子穩(wěn)定平臺(tái)在無(wú)人船干擾設(shè)備上的應(yīng)用

姚 力沈佳琪戴 歡

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院,江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引言

無(wú)人艇出現(xiàn)較晚但發(fā)展迅速,相比其他移動(dòng)式觀測(cè)平臺(tái),無(wú)人值守的特性決定了其具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性。它行動(dòng)靈活快速,在危險(xiǎn)海域、惡劣環(huán)境下具有無(wú)可比擬的巨大優(yōu)勢(shì)。無(wú)人船也存在一定劣勢(shì),體積小,靈活的同時(shí)受海情水況影響更劇烈,對(duì)船載設(shè)備的體積、質(zhì)量、精度以及靈活性、反應(yīng)速度要求更高。電子穩(wěn)定平臺(tái)省去了機(jī)械結(jié)構(gòu),通過(guò)姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量船體縱、橫搖等姿態(tài)信息,并進(jìn)行坐標(biāo)變換,直接補(bǔ)償給方位及俯仰控制器,實(shí)現(xiàn)精確跟蹤。

1 干擾指向設(shè)備伺服控制基本原理

偵察設(shè)備發(fā)現(xiàn)目標(biāo),并將目標(biāo)信息(方位、俯仰)送給干擾設(shè)備;干擾設(shè)備根據(jù)偵察設(shè)備的位置信息對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行解算,得到目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于自身的方位、俯仰信息,并結(jié)合船身的縱橫搖進(jìn)行補(bǔ)償;最后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤及干擾。如圖1所示,、分別為偵察設(shè)備、干擾設(shè)備位置,為目標(biāo)點(diǎn),以、為原點(diǎn)分別建立、坐標(biāo)系,、分別為(目標(biāo)點(diǎn))在2個(gè)坐標(biāo)系上的投影,、、、分別為目標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)2個(gè)坐標(biāo)系的俯仰、方位角。

圖1 偵察設(shè)備目標(biāo)解算

為大地直角坐標(biāo)系,指向直角坐標(biāo)系,沿鉛垂線向上,按右手定則確定。

2 縱橫搖補(bǔ)償坐標(biāo)變換[5-6]

2.1 極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

如圖2 所示,將點(diǎn)的直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo):

圖2 直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)

式中:為目標(biāo)點(diǎn)距坐標(biāo)原點(diǎn)的距離;為俯仰角;為方位角。

2.2 縱橫搖補(bǔ)償[7]

(1) 橫搖角影響

僅橫搖角影響時(shí),認(rèn)為是繞軸旋轉(zhuǎn),軸方向分量不變,和軸轉(zhuǎn)角度。設(shè)變化前直角坐標(biāo)為(,,),變化后為(,,),可得:

(2) 縱搖角影響

僅縱搖角變化時(shí),可看做繞軸旋轉(zhuǎn),軸方向分量不變,和軸轉(zhuǎn)角度。設(shè)變化前直角坐標(biāo)為(,,),變化后為(,,),可得:

(3) 航向角影響

僅航向角變化時(shí),可看做繞軸旋轉(zhuǎn),軸方向分量不變,和軸轉(zhuǎn)角度。設(shè)變化前直角坐標(biāo)為(,,),變化后為(,,),可得:

(4) 縱橫搖以及航向的影響為:

式中:(,,)為極坐標(biāo)系下的目標(biāo)位置。

將式(1)、(2)、(3)、(4)代入式(5)可得:

為計(jì)算方便,進(jìn)行歸一化處理,將距離參數(shù)舍去。

(5) 航向及縱橫搖補(bǔ)償后的俯仰、方位計(jì)算:

3 MATLAB仿真驗(yàn)證與DSP實(shí)現(xiàn)

3.1 仿真與驗(yàn)證

基于MATLAB/Simulink編寫(xiě)m 語(yǔ)言程序?qū)ψ鴺?biāo)變換公式進(jìn)行仿真驗(yàn)證。圖3和圖4分別為仿真模型和縱橫搖角度變化對(duì)方位俯仰角度變化影響的仿真結(jié)果。

圖3 電子穩(wěn)定平臺(tái)MATLAB/Simulink仿真

圖4 方位、俯仰的縱橫搖補(bǔ)償

利用MATLAB/Embeded Coder Toolbox,將MATLAB文件進(jìn)行編譯,直接下載到DSP28335進(jìn)行測(cè)試。方位角、俯仰角、航向角保持不變,改變縱橫搖角度,對(duì)方位、俯仰角度進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算,部分結(jié)果如表1所示。

表1 縱橫搖補(bǔ)償運(yùn)算結(jié)果

表1對(duì)計(jì)算結(jié)果采用小數(shù)點(diǎn)后3位,方位、俯仰補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)處理(DSP)計(jì)算誤差均小于0.001,可以滿(mǎn)足后續(xù)伺服控制系統(tǒng)的精度要求。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

無(wú)人船載設(shè)備拋錨在一固定點(diǎn)位,給定一連續(xù)的虛擬目標(biāo)航跡,干擾設(shè)備伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)作,指向目標(biāo)位置,實(shí)現(xiàn)干擾設(shè)備對(duì)目標(biāo)的跟蹤和實(shí)時(shí)干擾,部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2～表5。由實(shí)驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果可知,跟蹤誤差小于2°,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)精度要求。圖5、圖6分別為設(shè)備指向的方位俯仰實(shí)際角度以及與目標(biāo)角度的誤差。

表2 設(shè)備位置GPS信息

表3 目標(biāo)位置GPS信息

表4 無(wú)人船載設(shè)備姿態(tài)數(shù)據(jù)

表5 方位數(shù)據(jù)及誤差

表6 俯仰數(shù)據(jù)及誤差

圖5 方位角度及誤差

圖6 俯仰角度及誤差

4 結(jié)束語(yǔ)

本論文論述了一種基于無(wú)人船干擾設(shè)備的電子穩(wěn)定平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法,仿真測(cè)試及試驗(yàn)結(jié)果顯示,該方法可以有效地實(shí)現(xiàn)船體縱橫搖及航向變化對(duì)干擾設(shè)備方位俯仰的干擾補(bǔ)償,在實(shí)際應(yīng)用中效果良好,有效補(bǔ)償了船體縱橫搖對(duì)無(wú)人船載設(shè)備的影響。