(海军工程大学 导航工程系，武汉 430033)

船舶回转率(rate of turning，ROT)的大小是影响回转运动的关键因素，也是进行船舶操纵控制时的重要参数[1]。一般获得船舶回转率的方法是通过罗经测得航向并计算出变化率，但是船上装备的罗经设备存在一定的不足，比如，电罗经价格偏高，磁罗经容易受到地磁的干扰，且通过磁罗经得到船舶回转率具有一定滞后性，不能实时显示回转率数据[2]；GPS罗经容易受到卫星信号的影响，定位位置不稳定，影响回转率的计算[3]。相比之下，直接利用船上装备的MEMS陀螺仪获得船舶回转率就比较方便快速，同时陀螺仪的动态敏感性较好，有利于船舶的操纵控制[4]。MEMS陀螺仪是通过直接敏感船体的回转运动来获得回转率的，对于教学研究工作来说，有必要在实验室内构建实物系统来模拟真实的船舶回转运动，实现MEMS陀螺仪对实际船舶回转率的测量。为此，基于实验室条件设计并构建硬件在环模拟测量系统，利用船舶运动模拟器输出的数字航向信号驱动物理转台转动，将数字量转化为具体物理运动过程，期望以此模拟实际的船舶回转运动，使得MEMS陀螺仪可以通过测量转台的转动角速率来实现对实际船舶回转率的测量。

1 系统结构和原理

船舶回转运动硬件在环模拟测量系统结构见图1。

图1 硬件在环模拟测量系统结构

其中船舶自动操舵仪向船舶运动模拟器发出控制指令，模拟器模拟出实际的船舶运动航向信息，通过串口传输到物理转台系统，驱动马达旋转，以模拟真实的船舶回转运动；同时MEMS角速率测量系统通过陀螺仪敏感转台转动得到其角速率，即为实验室条件下模拟得到的船体回转角速率，将陀螺仪测得的角速率和模拟器输出的数字航向信息送回自动操舵仪，构成硬件在环回路，以实现船舶操纵控制。

实验重点是构建出切实可行的模拟测量系统，未涉及船舶操纵的相关问题，故将测得的实际角速率和接收到的数字航向信息在Matlab中仿真分析，以验证系统实验效果。

1.1 物理转台系统组成

物理转台系统构成见图2。

图2 物理转台系统构成

其中NSK-PS-DD马达为超大扭力伺服马达，工作原理是通过脉冲驱动马达转动。控制板通过串口接收船舶运动模拟器ROT数据，并通过串口向马达驱动器发送旋转控制指令驱动马达旋转。电源模块采用220 V转24 V及24 V转12 V，分别给驱动器和控制板供电。

1.2 MEMS角速率测量系统

MEMS角速率测量系统选用的角速率陀螺仪型号为ADXRS623，该陀螺仪为单轴角速率测量器件，具有尺寸小、功耗低、抗冲击和振动性好等优点，易于安装到电路板，便于敏感转台回转角速率。ADXRS系列陀螺仪利用科里奥利加速度来测量角速度，所以陀螺仪可以任何角度安装在旋转物体的任何地方，只要使陀螺仪旋转轴和所要测量的轴平行即可[5]。如图2所示，在实验系统中将MEMS角速率测量系统通过支架水平固定于DD马达之上，跟随马达旋转以测得回转角速率。

2 DD马达转速设定

为了更好地模拟船舶回转运动，需要对DD马达的转速重新设定，使得转速稳定均匀地变化。由上节可知DD马达是通过改变输入脉冲量控制转动角度，则可以在固定的定时时间内改变步长以改变马达转动速度，或者改变单片机定时时间也可调节转速。

在实验之前需要测试马达转速误差，其理论转速值Va为

(1)

实际转速Ve为

(2)

式中：Q为步长；f为定时频率，Hz；T为马达旋转1圈所用时间，s。

通过不断改变步长和定时，测得实际的转速，得到转速误差Vd≈0.003 (°)/s。

经反复测试决定采取改变步长的同时也改变定时的方法，尽可能多地获得马达转速值，使速率值的变化更加均匀精密。在修正转速误差后得到转速和步长以及定时频率的匹配(部分值)，见表1。

由表1可见，在单片机中共设定829组速度值(由于篇幅限制原因在此选取部分数值)，从91.44 (°)/min开始，以0.12 (°)/min的间隔递减

表1 转速-步长-定时频率匹配表(部分值)

变化，在6.00 (°)/min开始变为以0.06 (°)/min间隔递减，直至趋近于零。若接收到的速度值大于91.44 (°)/min，则取最大值91.44 (°)/min。

由于控制工程实际应用中注重系统在保持稳定性方面的性能，船舶在转弯之后航向逐渐趋向稳定，回转率在很小范围波动，故本系统在零值附近设定了较多速度值，使速度变化更紧密，从而使得模拟过程更加真实可靠。而对于回转率变化较快的转弯过程，则不需要过度精确模拟。

马达模拟船舶回转运动的转速设计好后，系统可通过串口接收来自模拟器的ROT数据解算出马达转速，并通过遍历表1中的数组得到步长和定时频率，控制马达按照相应的转速旋转。

3 MEMS陀螺仪的校零和标定

MEMS陀螺仪在零角速度下需要进行初始零位校正，在SUMJ引脚处外接一个合适电阻Rx到地或电源正极即可调整零位，采集系统中参考电压为2.5 V，按式(3)计算Rx，若求得Rx为正值时接5 V电源，为负值则接地[6-7]。

(3)

式中：U0为未校正时零角速率的输出电压；U1为校正后所需达到的参考电压。

在陀螺仪校正零位后，还需要对角速率测量系统采集输出的信号进行标定，以便解算出相应的角速率值。由于是对船舶回转运动的模拟，角速率值较小，需对输出电压信号进行放大，即得到的输出结果是放大后的电压值。

均匀选取马达6个典型的转速值对陀螺仪ADXRS623的输出电压信号进行标定，分别为90，60，30，-30，-60，-90 (°)/min。通过仿真软件Matlab对每个典型值分别采集100 s数据，采样时间为0.5 s，并由100 s采集数据求得平均电压值k，从而求得平均灵敏度k，见表2。

表2 不同转速下的平均灵敏度

ω=0.091 5U

(4)

依照式(4)可解算出串口接收到的陀螺仪数据，得到实际的角速率测量值。现设定马达转速从90 (°)/min匀速减小到-90 (°)/min，通过仿真得到MEMS陀螺仪测得的角速率变化见图3。

图3 匀速下测得的回转角速率

可以看出通过关系式(4)解算获得的陀螺仪角速率测量值基本能够与实际回转角速率相吻合，说明此MEMS角速率测量系统可以测得马达转速，并且能够跟随转速变化而变化。

4 实验及分析

模拟器输出的航向信息和MEMS测量数据可通过Matlab的simulink系统模型实现半实物仿真。图4为硬件在环模拟测量系统的实验场景。

图4 硬件在环系统实验场景

实验发现，MEMS陀螺仪测得的角速率存在很多噪声，数据波动较大，前期在系统标定与测试时将采样数据进行简单的低通滤波处理，可以滤除大部分噪声，而通过调整滤波系数，则可以改变测量值的动态性和滤波效果。现改变滤波系数，并通过操舵仪分别给出相同的舵角变化，与实际回转率的变化对比见图5。

图5 不同滤波系数下的测量角速率变化

由图5可见，随着滤波系数的减小，滤波效果变好，而动态性能则变差。本文所设计的系统正是利用了MEMS陀螺仪的动态响应较好、敏感运动变化较快的特点，可以快速感知船舶回转运动，获得船舶运动状态，故在具体实现过程中期望保证系统测量数据的实时性，故选定滤波系数为0.01进行船舶回转运动模拟实验。在330，700，1 200 s的时刻分别向右打舵12°、向左打舵6°、再向左打舵14°，同时在simulink中进行同步仿真，结果见图6、7。

图6 航向变化

图7 模拟测量系统回转运动响应

可以看出，模拟测量系统能够在航向发生变化时及时响应，并且按照相应的转速旋转，同时MEMS陀螺仪可以实时敏感马达角速率变化，响应情况较好，说明系统基本实现模拟船舶回转运动过程。但是，由于温度变化、系统噪声等影响，陀螺仪测量得到的角速率在达到稳态后存在一定波动，所以下一步工作重点是如何在保证动态性能的基础上提高滤波效果，获得稳定的测量数据。

5 结论

设计的硬件在环模拟测量系统能够在实验室条件下较好地模拟船舶实际回转运动，并且能够通过MEMS陀螺仪测得实时的回转率，实验结果表明所设计的系统是有效可行的。对于测量数据仍存在的波动，下一步应在保证系统动态性能的同时，增强测量数据的稳定性，以更好地实现船舶操纵控制。