基于无线网络的船舶航向保持控制仿真平台

姜日凡， 张显库

(1.大连海事大学 航海学院， 辽宁 大连 116026； 2.大连工业大学 网络信息中心, 辽宁 大连 116034)

基于无线网络的船舶航向保持控制仿真平台

姜日凡1,2， 张显库1

(1.大连海事大学 航海学院， 辽宁 大连 116026； 2.大连工业大学 网络信息中心, 辽宁 大连 116034)

为满足基于无线网络的船舶航向保持控制研究的需要，同时针对无线网络控制的仿真研究通常采用软件模拟，而软件模拟未考虑无线网络实际中的不确定性，仿真存在局限性的问题，设计一套基于现实的通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service,GPRS)和ZigBee无线网络的近海或内河船舶航向保持控制仿真平台。仿真结果表明,该平台的无线网络传输数据稳定,航向保持控制性能良好。

船舶工程;船舶航向保持；无线网络控制；通用分组无线服务技术；ZigBee

Abstract: A simulation platform based on GPRS(General Packet Radio Service) and ZigBee network is designed for the development of the wireless network based river-to-sea ship course-keeping control. This platform provides a physically realistic test environment for control system development rather than pure computer simulations commonly used. The test results demonstrates the merit of the platform: steady transmission and satisfactory performance．

Keywords: ship engineering; ship course-keeping; WiNCS; GPRS; ZigBee

随着船舶技术和信息化技术不断发展，船舶已采用智能化、网络化、数字化、模块化和集成化的综合控制系统(包含导航、监控、管理、主机和自动舵等控制系统)。[1]目前该系统主要采用卫星网络进行远程通信，采用工业以太网和现场总线等有线网络进行各子系统及底层智能设备的本地通信[2]，而本地有线网络都可用本地无线网络取代。

目前远程无线网络和本地无线网络主要应用于船舶通信和监控系统。[3-6]随着无线网络在控制系统中被广泛应用[7-10]，其也必将在船舶自动舵控制系统中得到应用。为满足船舶无线网络控制研究的需要，设计一套基于无线网络的船舶航向保持控制仿真平台，实现船舶自动舵的本地无线网络控制和船岸远程无线网络控制。船舶自动舵采用基于ZigBee的本地无线网络控制,可降低成本、便于布置和维护并有效减少电缆敷设的工作量,适合在甲板及船舱等空间较小的场所使用；同时,船舶自动舵采用基于通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service,GPRS)的远程无线网络控制,可对近海或内河船舶进行远程控制，加强近海或内河船舶对意外情况的应急处理能力。

目前，应用较为广泛的无线网络控制软件仿真工具有NS2,TrueTime,J-sim和OMNeT++等[11]，虽然无线网络数字仿真具有较强的灵活性和扩展性，但单一的数字仿真只能反映实际网络中的部分系统特性，未考虑无线网络实际中的不确定性，因此具有局限性。这里设计一种仿真平台，在现实的GPRS和ZigBee网络环境下进行船舶航向保持控制的仿真研究，弥补单一数字仿真的局限性，使仿真更接近实际情况。

1 仿真平台设计及工作流程

该仿真平台主要研究船舶的本地控制器通过本地无线网络进行本地控制，当近海或内河船舶出现意外时，陆地控制中心(即远程控制器)能代替船舶上的本地控制器通过远程无线网络发挥远程控制作用。仿真平台示意见图1。仿真平台的本地控制和远程控制工作流程见图2。

1) 本地控制器通过本地无线网络控制船舶模型进行航向保持控制仿真。

2) 当远程控制器向船舶模型发送远程控制信号时，本地控制器自动断开控制权限，由远程控制器进行控制。

2 仿真平台各模块功能

该平台由本地无线网络、远程无线网络、船舶模型、本地控制器和远程控制器等5个模块组成,其中:本地无线网络模块和远程无线网络模块分别以ZigBee模块及GPRS模块为通信模块，程序利用C语言编写；船舶模型模块、本地控制器模块和远程控制器模块利用上位机软件VB编写。

2.1本地无线网络模块

ZigBee是IEEE 802.15.4协议的简称，具有低功耗、低成本、安全保密、可自组网和几乎不掉线等优点，适用于工业自动控制和短程控制领域[12]，因此该平台采用ZigBee网络作为本地无线网络。ZigBee模块以CC2530芯片为核心，包括1个高性能的2.4 GHz射频收发器和1个小巧、高效的工业级8051控制器。ZigBee网络由终端节点、路由节点和协调器节点组成。

1) 终端节点负责将传感器(如陀螺罗经)采集的信号传递给路由节点，同时接收路由节点的控制信号给执行器(如舵机执行器)。

2) 路由节点在协调器与终端节点之间建立一条通信转发的通道，以方便信息的传送，拓展网络的范围。

3) 协调器节点通过串口与本地控制器通信，接收路由节点信号和发送控制器的控制信号。

2.2远程无线网络模块

由于卫星通信费用高，因此近海或内河船舶可采用移动通信网络与陆地控制中心通信。由于GPRS网络的覆盖范围最广，因此该平台采用GPRS网络作为远程无线网络。GPRS网络主要用来提供非语音的数据交换业务，提供移动网络与以太网络之间的接口,可将其看成IP网路的子网,移动终端如同GPRS子网中的一台主机,通过移动IP来识别。

GPRS模块通过SIM900无线通信模块与GPRS无线网络通信。GPRS网络根据相应的协议在船载系统(即船舶模型)与接入Internet的陆地控制中心(即远程控制器)之间建立一条支持TCP/IP协议的数据通道。

2.3船舶模型模块

由于这里研究重点是基于无线网络的船舶航向保持仿真平台设计，因此该平台没有使用复杂的非线性数学模型，而是采用文献[13]中的四自由度状态空间船舶运动数学模型,即

(1)

式(1)中:w3为航向角受到的高频噪声;w4为海浪对舵叶驱动伺服系统的干扰作用。船舶数据取自大连海事大学教学实习船“育鲲”轮。

船舶运动数学模型的离散算法采用4阶龙格-库塔法，采样时间步长为h=1/(5ωc)，其中ωc为系统开环频率特性的剪切频率。该VB程序的代码见文献[14]。

该模块通过VB的Winsock控件,使用TCP/IP协议与远程控制器连接;通过VB的MSComm控件,使用RS232串口协议与本地控制器连接。

2.4本地控制器和远程控制器模块

船舶控制器控制算法有自适应、模糊、简捷鲁棒[15]、非线性反馈反步递推[16]和PID等，其中PID控制简单、可靠、物理意义明显，目前仍广泛应用于工业控制领域。[17]为方便验证无线网络平台，本地控制器和远程控制器都采用PID控制算法。

采用差分反演法对PID控制器离散化,可得

(2)

式(2)中:比例参数kp=1;积分参数ki=-0.01;微分参数kd=5。

3 仿真实例

分别在3台计算机上对该平台的船舶模型、本地控制器和远程控制器进行仿真，船舶模型和本地控制器在2个相距20 m的封闭房间内通过实际的ZigBee网络进行通信，船舶模型和远程控制器在相距约10 km的两地通过实际的GPRS网络进行通信。由于这里主要进行的是基于无线网络的船舶航向保持控制仿真平台的设计与实现，因此该平台的控制算法忽略网络时延和数据丢包等网络因素对系统的影响，本地控制器和远程控制器都选择PID控制算法。在进行实例仿真时，该平台采用“育鲲”轮的4维状态空间型数学模型。“育鲲”轮总长116 m，型宽18 m，型深8.35 m，设计吃水5.4 m，6 000总吨。根据船舶参数计算出满载时船舶Nomoto模型中的参数K0=0.31 s-1，T0=62 s。仿真的船舶航速为15 kn，风力为5级，本地控制器的设定航向为020°;当仿真进行到1 080 s时，切换为远程控制器控制，设定航向为030°。仿真测试结果见图3,其中dfai为航向误差。

dfai=afair-βfai

(3)

式(3)中:afair为航向角;βfai为设定航向。

由图3a可知:在正常无线网络环境中,船舶的输出航向超调5%;在稳定以后，受无线网络实际中的不确定性影响，船舶航向出现小幅振荡，同时均在-2°附近作±2°的小幅舵角操舵。由图3b可知:当向无线网络中加入丢包和时延时，船舶的稳定性将受到很大影响;在某些情况下，甚至会导致船舶不稳定。

由仿真测试结果可知，本地控制器和远程控制器以实际的ZigBee和GPRS无线网络为数据通信载体，能实时进行数据通信，且各项动态性能指标良好，能达到船舶航向保持控制的目的。

4 结束语

针对船舶本地有线网络布线难、扩展性差及卫星通信费用高等问题，设计一套基于ZigBee和GPRS无线网络的内河或近海船舶航向保持控制仿真平台。该平台以实际无线网络为通信载体，仿真更接近实际情况，仿真测试结果验证了该平台的可行性和实用性。从仿真结果中能看到网络时延、数据丢包等网络因素对系统的影响，下一步将在考虑网络时延、数据丢包等网络因素的情况下进行基于无线网络控制的船舶航向保持控制算法研究。

[1] 郭远星，施一明，叶莹.船舶综合控制系统研究与设计[J]. 中国造船，2010，51(3):191-198.

[2] 周东.工业以太网技术在船舶自动化领域的应用[J]. 上海船舶运输科学研究所学报，2008，31(2): 116-123.

[3] 窦文博，王卫东. 基于ZigBee的船舶状态监控系统的设计与实现[J] . 电子设计工程，2014，22(22): 127-130.

[4] WHEELER A. Commercial Applications of Wireless Sensor Networks Using ZigBee[J].IEEE Communications Magazine， 2007，45(4):70-77.

[5] 朱飞祥，张英俊，赵莉.基于无线网络的船舶监控系统的设计与实现[J]. 中国航海，2008，31(2): 135-138.

[6] MAHDY AM. Marine Wireless Sensor Networks: Challenges and Applications Networking[C].Seventh International Conference on Networking， 2008: 530-535．

[7] IRWIN GW，CHEN J，MCKERNAN A，et al.Co-Design of Predictive Controllers for Wireless Network Control[J].IET Control Theory & Applications，2010，4(2):186-196.

[8] TRIVELLATO M，BENVENUTO N.State Control in Networked Control Systems Under Packet Drops and Limited Transmission Bandwidth[J].IEEE Transactions on Communications，2010，58(2):611-622.

[9] CHAMAKEN A，LITZ L.Joint Design of Control and Commuication in Wireless Networked Control Systems:A Case Study[C]//American Control Conference，Baltimore,2010:1835-1840.

[10] 徐云厚，涂亮，李智，等. 基于无线网络控制的智能照明系统[J]. 物联网技术，2012,2(1): 51-54.

[11] 于斌，孙斌，温暖,等. NS2与网络模拟[M]. 北京:人民邮电出版社,2007.

[12] 吕治安. ZigBee网络原理与应用开发[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[13] 徐国平，张显库. 基于网络的船舶航向保持控制仿真平台设计[J]. 中国航海，2015，38(1):1-3.

[14] 张显库.Visual Basic工程应用实例[M]. 大连：大连海事大学出版社，2002.

[15] 张显库，张国庆.船舶港内掉头操纵的简洁鲁棒控制[J] .中国航海， 2014,37(2):31-34.

[16] 张显库，张国庆，陈秀嘉.一种非线性反馈反步递推算法的线性弱化[J].控制与决策，2015，30(9):1641-1645.

[17] 张显库.船舶运动简捷鲁棒控制[M]. 北京：科学出版社，2012.

WirelessNetwork-BasedPlatformforShipCourse-KeepingControlSimulation

JIANGRifan1,2,ZHANGXianku1

(1. Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2. Network Information Center, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China)

U666.153

A

2016-10-08

国家自然科学基金(51109020);中央高校基本科研业务费专项资金(3132014302)

姜日凡(1978—)，男，辽宁大连人，工程师，博士生，研究方向为智能控制。E-mail:jiangrif@163.com

1000-4653(2017)01-0001-03