一种数字化舵角反馈指示系统及控制方法技术方案

一种数字化舵角反馈指示系统及控制方法。针对现有舵角反馈指示受周围环境影响精度低的问题，提出一种数字化舵角反馈指示系统及控制方法。包括舵角发送器、接线箱、舵角接收器、独立调光器以及由接收器组成的指示器。发送器通过采集高精度编码器信号，同时将罗经反馈信号作为发送器的观测数据，采用卡方检验方法进行鲁棒控制，通过数据处理，将数据信息传送至现场总线，自动操舵仪及其它由接收器接组成的舵角指示器完成相应控制及舵角指示。本发明专利技术最终实现操作简单、精度高、鲁棒性强的舵角反馈指示，有效降低了设计成本。

【技术实现步骤摘要】
一种数字化舵角反馈指示系统及控制方法
本专利技术涉及一种船用舵角反馈指示系统，具体涉及一种数字化舵角反馈指示系统及控制方法。
技术介绍
随着我国对海洋开发的需要，海洋工程装备整体的产品设计与制造正朝着数字化、网络化、智能化的方向发展。其中舵角反馈指示系统是现代舰船上不可缺少的导航设备，其主要的功能是自动地、高精度输出当前船舶的舵角方位，将数据信息传送至自动操舵仪以及其它舵角指示设备，以保证船舶的平时安全航渡和恶劣环境时精准航行。因此，舵角反馈指示系统性能优劣将直接关系到船舶航行的安全，并直接影响船舶的生命力。传统的舵角反馈指示系统主要分为自整角机式同步跟踪系统和电位计式舵角指示，其灵活性、操控性、稳定性等相对欠缺。自整角机同步指示系统接线较为复杂，其主要由单相激磁绕组的小型异步电机、连接线缆、仪表等组成；自整角机的定子和转子线圈是采取微行滑环，容易造成接触不良问题，指示仪表使用电磁装置，易受到外界环境干扰，经常需要调零；考虑产品的经济性，其设计成本较高。目前的舵角反馈指示系统在控制精度，可靠性，维护性上都难以满足自动化船舶实际需要。现有的舵角反馈只是系统应用到船舶自动操舵仪中，或是输出稳定性不够，长期使用自动操舵仪会产生漂移，导致船舶航行轨迹偏差。或传输速度不够，船舶自动驾驶可能失控，导致无法航行。或是舵角反馈系统受环境干扰，传输信息出现野值，导致自动操舵仪误操作。系统的功能扩展较难，不能满足各型船舶的控制需要。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有舵角反馈指示系统存在的问题，本专利技术提出一种制精度高，鲁棒性强、可靠性和扩展性好的一种舵角反馈指示系统及控制方法的技术方案。为了实现上述目的，本专利技术创造采用的技术方案为：一种数字化舵角反馈指示控制方法，其特征在于，其步骤为：1)校验：校验舵角发送器(105)，打开开关，将舵机依次打到左设定度、零度、右设定度，并在相应角度按下校验按键，完成校验，使高精度编码器步长与舵机转动位置线性对应；2)信号采集：舵角发送器(105)通过编码器数据采集模块采集舵机的舵叶角度数据和罗经反馈数据；3)信号处理：对舵叶角度数据进行加权平均处理，同时通过采集罗经反馈数据进行观测，归一化量测信息，通过卡方检测方法进行鲁棒控制；如果此时噪声服从高斯分布，则默认噪声为0均值，方差R为1；如果检测角度信息出现突变野值，默认此时状态为上一时刻状态；4)信号输出：将处理后的数字信号通过串口输出至方向盘控制器和指示器中的舵角接收器中。所述的3)中，采用卡方检验方法，利用卡方分布对突变野值进行检测，具体包括如下步骤：3.1)初始化：将舵叶角度数据作为系统数据Xk，将罗经反馈数据作为观测数据Yk；通过计算得到k时刻的状态量其中M为100ms采样率，通过Yi∈(-π,π)得到此时的观测量3.2)容错控制：计算得到残差和方差，并以残差和方差为作为卡方分布的检测量；残差为其中，ρ为调节因子；方差Ck＝HPk-1HT+R，其中，H为系统状态系数，Pk-1为上一时刻方差，T为转置；3.3)构造基于残差rk的卡方检测量为3.4)通过比较λk和设定的门限值TD，判断是否含有野值：若λk＞TD，则含野值：若λk≤TD，则不含野值；所述的突变野值是由干扰所引起的，检测数据特性在±99.74％以外的异常点。所述的步骤3.4)中，λk需要满足其中为卡方的积累概率密度。所述的TD为9；当λk≤9时，检测量中没有突变野值，进行数据传递，以标准的RS485信号发送到现场总线上；当λk＞9时，观测量中含有突变野值，停止本时刻k的数据更新，将k-1时刻的数据作为输出。所述的控制方法中使用的控制系统，平行四边形连杆(104)一端与舵机(102)连接，另一端与舵角发送器(105)连接，控制系统包括发送器(105)、接线箱(106)、指示器、独立调光器(111)；所述的发送器(105)包括发送器控制模块(202)；所述的发送器控制模块(202)信号输入端通过编码器接口(210)连接编码器数据采集模块，通过罗经接口(211)连接电罗经，采集的舵叶角度数据和罗经反馈数据；所述的发送器控制模块(202)信号输出端通过串行通讯模块(205，206，207)将处理后的数据传输至现场总线，通过发送器接口(209)将处理后的数据传输至指示器中；所述的指示器中设有舵角接收器，舵角接收器中包括接收器控制模块(302)，所述的接收器控制模块(302)信号输入端通过接收器接口(308)接收发送器(105)发出的数字信号；所述的接收器控制模块(302)信号输出端通过步进电机接口(309)输出步进电机的脉冲信号。所述的独立调光器(111)包括独立调光器控制模块(402)，独立调光器控制模块(402)通过独立调光器接口(406)与系统中显示模块连接，独立调光器控制模块(402)上设有调光按键(402)，所述的调光按键(402)中包括升光按钮和降光按钮。本专利技术创造的有益效果为：1、舵角发送器通过数据采集模块以标准modbusRTU协议采集具有64圈绝对值高精度编码器的角度信号，进行舵角信息采集，可以有效的提升系统的实时性和精确性。2、舵角发送器分别对0度、左满舵、右满舵进行标定，通过软件解决现场由于安装导致的舵角误差，同时方便现场调试。3、舵角发送器在长时间使用以后仍然能够精确的校准舵叶位置的精度，解决设备因长时间使用而导致的漂移。4、发送器控制程序采用罗经反馈信息作为观测量，构造新息序列的方法，直观可信，便于修正舵角反馈数据。5、发送器控制程序采用新息序列的卡方故障检测方法，舵角数据进行鲁棒控制，可以有效防止环境干扰，滤除野值，保证了自动操舵仪接收信息的准确性。6、系统通过RS485并行的现场总线方式，当某一路指示装置出现故障时不影响其它指示装置的信息显示，保护本套系统的正常运行。7、系统通过RS485并行的现场总线方式，可以扩展任意数量本文涉及的有接收器组成的舵角指示单元，且符合IEC61162国际标准接口，提高了系统的扩展性。8、舵角接收器通过将接收数据转换成脉冲信号，通过步进电机驱动模块驱动电机旋转，步进电机32细分的行走方式，使指针旋转更加平稳,可观测性强。9、接收器控制程序采用信息校验的方法，保证了接收数据的有效性。10、系统采用具有通讯功能的独立调光器进行指示单元的亮暗调节，安装方便，可根据用户需求或实际操作情况安装不同位置。11、本系统噪声小，设计成本低。附图说明图1为本专利技术的系统硬件结构框图。图2为本专利技术的发送器接口连接图。图3为本专利技术的接收器接口连接图。图4为本专利技术的独立调光器接口连接图。图5为本专利技术的发送器控制程序流程图。图6为本专利技术的容错机制控制程序流程图。图7为本专利技术的接收器控制程序流程图。图8为本专利技术的独立调光器控制程序流程图。图9为本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数字化舵角反馈指示控制方法，其特征在于，其步骤为：/n1)校验：校验舵角发送器(105)，打开开关，将舵机依次打到左设定度、零度、右设定度，并在相应角度按下校验按键，完成校验，使高精度编码器步长与舵机转动位置线性对应；/n2)信号采集：舵角发送器(105)通过编码器数据采集模块采集舵机的舵叶角度数据和罗经反馈数据；/n3)信号处理：对舵叶角度数据进行加权平均处理，同时通过采集罗经反馈数据进行观测，归一化量测信息，通过卡方检测方法进行鲁棒控制；如果此时噪声服从高斯分布，则默认噪声为0均值，方差R为1；如果检测角度信息出现突变野值，默认此时状态为上一时刻状态；/n4)信号输出：将处理后的数字信号通过串口输出至方向盘控制器和指示器中的舵角接收器中。/n

【技术特征摘要】
1.一种数字化舵角反馈指示控制方法，其特征在于，其步骤为：
1)校验：校验舵角发送器(105)，打开开关，将舵机依次打到左设定度、零度、右设定度，并在相应角度按下校验按键，完成校验，使高精度编码器步长与舵机转动位置线性对应；
2)信号采集：舵角发送器(105)通过编码器数据采集模块采集舵机的舵叶角度数据和罗经反馈数据；
3)信号处理：对舵叶角度数据进行加权平均处理，同时通过采集罗经反馈数据进行观测，归一化量测信息，通过卡方检测方法进行鲁棒控制；如果此时噪声服从高斯分布，则默认噪声为0均值，方差R为1；如果检测角度信息出现突变野值，默认此时状态为上一时刻状态；
4)信号输出：将处理后的数字信号通过串口输出至方向盘控制器和指示器中的舵角接收器中。


2.根据权利要求1所述的一种数字化舵角反馈指示控制方法，其特征在于，所述的3)中，采用卡方检验方法，利用卡方分布对突变野值进行检测，具体包括如下步骤：
3.1)初始化：将舵叶角度数据作为系统数据Xk，将罗经反馈数据作为观测数据Yk；通过计算得到k时刻状态量其中M为100ms采样率，通过Yi∈(-π,π)得到此时的观测量
3.2)容错控制：计算得到残差和方差，并以残差和方差为作为卡方分布的检测量；残差为其中，ρ为调节因子；方差Ck＝HPk-1HT+R，其中，H为系统状态系数，Pk-1为上一时刻方差，T为转置；
3.3)构造基于残差rk的卡方检测量为
3.4)通过比较λk和设定的门限值TD，判断是否含有野值：若λk＞TD，则含野值：若λk≤TD，则不含野值。


3.根据权利要求1所述的一种数字化舵角反馈指示控制方法，其特征在于，所述的突变野值是由干扰所引起的，检测数据特性在±99.74％以外的异常点。


4.根据权利要求2所述的一种数字化舵角反馈指示系统控制方法，其特征在于，所述的步骤3.4)中，λk需要满足其...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕旭，雷娜，赵阳，陆芳芳，高雪冬，金宏，陈蕾，
申请(专利权)人：锦州航星船舶科技有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21