基于單片機的智能化磁羅經自差自測自校系統設計

季禹, 季本山, 方泉根

(1. 江蘇航運職業技術學院輪機工程學院, 江蘇 南通 226010; 2. 上海海事大學商船學院, 上海 201306)

0 引 言

隨著航海技術的迅速發展,船舶指向儀器從傳統磁羅經發展成陀螺羅經、衛星羅經、電子羅經、光纖陀螺、激光陀螺。這些新型航海指向儀器的使用為船舶智能航行、無人船操控提供了數字化航向基準,為現代航海技術注入了新的活力,但它們無不依賴于船電和相關的接收信號,在非常情況下可能難以提供航向基準信號。磁羅經依靠地球的磁性來實現指向,不受船電、天候等因素的制約,結構簡單,性能可靠,維護方便,因而至今仍被國際海事組織確定為法定安裝設備。按《國際海上人命安全公約》和我國《海船航行設備規范》:凡150總噸及以上的船舶均應裝設一具標準磁羅經或至少應配備一具合適的操舵羅經;各磁羅經應正確校正,并應備有隨時可用的剩余自差表或自差曲線[1]。

由于船體鋼結構具有硬鐵和軟鐵的特性,其所產生的船磁會導致磁羅經指北發生偏差,該偏差被稱為磁羅經自差。磁羅經自差的產生直接影響指向的準確度,有時甚至不能用于船舶指向,因此要及時校正磁羅經自差,把其誤差控制在允許的范圍內,確保磁羅經能提供準確的航向基準。

綜合目前國內外磁羅經自差的校正方法,大致可歸納為兩大類。第一類方法是自差補償法[2-7]:這類方法實現的手段有多種,這里不一一列舉,但其原理都是利用計算機技術自動計算出磁羅經在8個主航向上的自差并保存在計算機存儲器中,然后把自差與羅航向之和作為磁航向用數字方式顯示出來。自差補償法只是自動計算出自差,并未對磁羅經柜中的磁棒和軟鐵校正器等進行調整,即并沒有真正意義上地校正自差,而且計算出的自差保存在計算機存儲器中,一旦斷電,系統將無法顯示磁航向。目前,這類方法僅停留在理論研究上,并無實際運用案例。第二類方法是人工校正法:這類方法是建立在磁羅經自差校正理論基礎上的最傳統、最經典的校正方法,其校正原理就是以性質相同、大小相等、方向相反的附加磁力來抵消船磁力的影響,即用附加的硬鐵和軟鐵把船磁力抵消或降低到最小,使磁羅盤周圍的磁場方向與地磁一致或接近,保證標準磁羅經、操舵羅經剩余自差分別在±3°、±5°范圍內?，F有的人工校正法有兩種:一種是愛利法,即利用已知的航向或方位(通過陀螺羅經、測天體、測陸標等得到的)與待校正的磁羅經比對進行磁羅經自差校正的方法;另一種是測力法,這種方法是在科侖克法理論基礎上形成的湯姆遜法、顯示角法、科侖克法。目前,人工校正法仍是世界各國磁羅經校正師的首選方法,其中愛利法的使用更為廣泛。

本文以愛利法理論為依據,在保證磁羅經優點的提前下提出磁羅經自差自測自校系統的設計方案,運用模糊控制原理實現智能化。通過實船安裝檢測,驗證了系統的正確性和科學性,達到了設計目標,并獲得了國家發明專利授權[8]。

1 磁羅經自差自測自校系統設計

1.1 系統理論

本文所設計的磁羅經自差自測自校系統在8個主航向上自動測量半圓和象限自差,利用單片機控制的步進電機傳動系統來完成磁棒和軟鐵校正器的調整,從而實現半圓和象限自差的自動校正。

愛利法校正自差的步驟(對于首次校正的磁羅經要增加傾斜自差初校)如下。先校正半圓自差:在磁北(N)航向上測得自差δN,調整橫向磁棒使δN→0;在磁南(S)航向上測得自差δS,調整橫向磁棒使δS→δS/2;在磁東(E)航向上測得自差δE,調整縱向磁棒使δE→0;在磁西(W)航向上測得自差δW,調整縱向磁棒使δW→δW/2。即在E、N航向上將自差校正至零,在W、S航向上將自差校正一半留一半。然后,校正象限自差:在某一個隅點航向上測得自差,并移動軟鐵片(球)將自差校正到零;在相隔90°的另一個隅點航向上測得自差,移動軟鐵片(球)將自差校正一半(留一半)[9]。

1.2 系統組成

為實現校正器的自動調整,對磁羅經柜內原有磁棒校正器作如圖1所示的改進:在橫向、縱向調節齒輪外側增加步進電機齒輪,這樣步進電機轉動時會帶動調節齒輪和磁棒一起轉動。對軟鐵校正器作如圖2所示的改進:磁羅經柜兩側的軟鐵盒通過螺旋管與絲桿連接,兩臺步進電機帶動絲桿轉動使兩個軟鐵盒同時遠離或靠近磁羅經[8]。

1—橫向磁棒; 2—縱向磁棒; 3—橫向調節齒輪; 4—縱向調節齒輪; 5、6—步進電機齒輪

1、5—步進電機; 2、6—軟鐵盒; 3、7—螺旋管; 4、8—絲桿

系統電氣組成框圖見圖3。采用的是SCT15系列單片機,該系列單片機具有內置晶振和兩個串口,運算速度快,加密性能好;顯示器采用通用的12864液晶顯示器;語音提示模塊用于在自校過程中發出語音提醒。

圖3 系統電氣組成框圖

一般情況下,磁羅經每年都要校正一次。CPU從ATGM3320北斗系統中獲得上次校正日期,在該日期后推11個月對應的日期,系統開始激活校正程序,利用船舶在8個主航向(或接近主航向)上航行的時機完成自差校正。如果船舶在某一主航向(或接近主航向)上保持航行2 min以上,系統會被喚醒;若該航向與主航向偏差在±10°范圍內,系統會給出語音和屏幕提示,提醒駕駛員將航向調整至主航向上,為自校創造時機。校正程序啟動后,以陀螺羅經或衛星羅經的航向為基準,從北斗系統的GPRMC語句中解析出磁差,與磁阻傳感器獲得的羅航向進行比較,由單片機計算出自差;根據模糊控制器的運算結果驅動步進電機,用磁棒和軟鐵片(球)抵消半圓自差和象限自差。系統在啟動步進電機前會給出語音和屏幕提示,提醒在此航向上至少保持航行5 min。在一個航向校正完成后系統也會給出語音和屏幕提示。船舶?？看a頭后專業校正人員可通過數據輸出接口讀取系統校正日期、剩余自差、校正地點等相關信息,以掌握系統及磁羅經的狀態。

1.3 系統程序設計

系統控制原理如圖4所示,磁阻傳感器檢測到航向信號后一方面送復示器顯示磁航向,另一方面與陀螺羅經(或衛星羅經)的航向進行比較,再從北斗系統獲得磁差,從而得到磁羅經的自差。經單片機構成的模糊控制器運算后驅動步進電機轉(移)動磁棒和軟鐵片,使剩余自差達到規定的要求。

圖4 系統控制原理

采用模糊控制器使系統具有良好的校正效果。根據人工校正自差的經驗,建立模糊控制規則,以自差變化率De的取值集合{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}作為模糊集合的論域,模糊子集為[NL, NM, NS, Z0, PS, PM, PL],其中NL、NM、NS、Z0、PS、PM、PL分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。以自差變化量Δδ和自差變化率De作為輸入變量,設Δδ和De的隸屬度函數的曲線形狀為三角形(見圖5),根據自差變化制定模糊控制規則庫,對輸出的步進電機轉動量U[2]采用最大隸屬度的模糊判決方法得到模糊控制查詢表,見表1。這樣步進電機的轉動量U(包含NL、NM、NS、Z0、PS、PM、PL)就與校正器(校正磁棒或校正軟鐵片(球))的轉動角度或移動距離形成對應關系,從而改變了校正力(校正磁棒的硬鐵力或校正軟鐵片(球)的軟鐵力)。系統控制主程序(見圖6)通過查表(查表算法子程序包含在模糊控制器算法中)的方式完成模糊控制算法,從而構建二維模糊控制器。

表1 步進電機轉動量U的模糊控制查詢表

圖5 隸屬度函數圖

圖6 系統控制主程序流程

1.4 系統初始化

按規定要求將磁羅經裝船后,首先檢查磁羅經的基線誤差,再檢查調節齒輪上磁棒的極性正確性,消除傾斜自差,固定垂直磁棒,然后就可進行系統初始化操作。系統的初始化過程實際上是用愛利法進行一次人工校正的過程,其目的主要是通過消除半圓自差和象限自差,預置橫向磁棒、縱向磁棒和軟鐵片的初始狀態。預置的縱、橫向磁棒都盡量安放在支架上。為保證系統校正自差范圍的最大化,在初始化時使圖1中齒輪3上的一對磁棒處于平行狀態。初始校正象限自差時,通過增減軟鐵盒中軟鐵片(球)的數量來保證軟鐵盒的初始位置位于螺桿的中間。

1.5 注意事項

為保證足夠的校正量,即為保證系統有更大的調整范圍,圖1中齒輪3和4上的磁棒用矯頑力不小于18 000 A/m的磁性材料制成[10]。同一個齒輪對上兩根磁棒的磁力大小相等,保證兩根磁棒互相平行時對磁盤的作用合力為零。在系統非自動校正期間,為防止影響磁盤,步進電機一直處于斷電狀態。為把自校的結果、日期等信息保存下來,采用單片機IAP技術,在系統完成自校后調用應用編程小程序,在存儲器中指定一個扇區用來存儲數據,確保系統斷電后單片機仍能保存這些信息。

2 磁羅經自差自測自校系統驗證

將系統分別安裝在5艘包括3種類型(貨船、拖船、長江汽車輪渡)的船上進行驗證。以長江某錨地為檢測水域,在系統自校前測量出磁羅經在8個主航向上的自差值,在自校后測得剩余自差。以通港拖X號165標準磁羅經為例進行說明,初始化后,調亂校正器的位置,使自差大于3°或以上。采用人工啟動方式激活系統或通過調整日期達到激活條件后自動激活系統,若船在8個接近主航向的航向上航行超過2 min,則系統均會給出語音和屏幕提示,提醒將航向調整至主航向上航行。在每個主航向上航行5 min內系統完成自校過程。校正結束后,人工測量剩余自差,結果見表2。用串口助手通用軟件讀取系統校正后所存的數據,見圖7?；谧圆羁偣溅?A+BsinCc+CcosCc+Dsin(2Cc)+Ecos(2Cc)(其中Cc為羅航向)可得自差系數A=0,B=0.6°,C=0.5°,D=0.08°,E=0.05°。自差系數和8個主航向上的剩余自差均小于1°,各航向上的比差小于0.5°,根據這些指標綜合評判校正質量為優秀。校正自差所用時間取決于操舵、把舵的時間,在實際使用中因為利用的是船舶航行時的航向,所以校正時間是充裕的。在驗證中實際所用時間小于或等于人工校正用時。其余4艘船的磁羅經自差校正質量均達到優良等級,故所有磁羅經剩余自差均符合規范要求。因此,系統設計正確,工作可靠,校正效果達到了預期目的。

表2 磁羅經自差自測自校系統在5艘不同類型船上的驗證

圖7 串口助手讀取的數據圖

3 結束語

磁羅經自差自測自校系統僅在自測自校期間使用陀螺羅經或衛星羅經的航向作為參考基準,自動完成需人工進行校正的工作程序。在自差校正結束后,系統的電機傳動部分處于斷電狀態,磁羅經為船舶提供磁航向和磁方位。磁羅經自差自測自校系統的優點在于:利用船舶在8個主航向上航行的時機自動完成自差校正,替代了傳統的由專人定時在寬闊水域進行自差校正的方法,省工省時省油;由于通過改變磁棒和軟鐵片(球)位置來消除自差,所以自差校正結束后磁羅經仍保持著不依賴船電的傳統優勢,是值得推廣的一種校正方法。