張青岱 丘銳聰 吳佳勁 楊澤濤 鄒易余 楊勇森 袁建斌 廣東海洋大學(xué)

通訊作者：袁建斌

1.前言

根據(jù)波羅的海航運(yùn)交易所，Clarksons，上海國際航運(yùn)研究中心整理顯示，截止2020年4月初，國際干散貨船隊(duì)運(yùn)力共計(jì)12038艘，8.86億載重噸。干散貨船是用以裝載無包裝的大宗貨物的船舶，專用于運(yùn)送煤炭、礦砂、谷物、化肥、水泥、鋼鐵等散裝物資。在運(yùn)輸過程中，如果相鄰兩航次裝載不同種貨，在下次裝貨之前貨艙要經(jīng)過嚴(yán)格的清洗，即掃艙又稱備艙。目前，對散貨船貨艙進(jìn)行掃艙作業(yè)普遍采用人工作業(yè)的方式。由工作人員手持高壓消防設(shè)備，在強(qiáng)壓作用下將水噴向大艙室表面，經(jīng)常需要登高做作業(yè)。

1.1 干散貨船洗艙作業(yè)制約因素

干散貨船洗艙作業(yè)受到以下方面因素限制：①人力資源限制。一艘遠(yuǎn)洋船舶配員一般二十人左右，除去正常船長、輪機(jī)長和正常值班人員，可以參加航行中掃艙工作的人員為7-8名，而船東或租家也不太可能為了洗艙作業(yè)的需求，而額外雇用人員上船協(xié)助洗艙。②惡劣天氣下，船員要在沒有升降梯，并且船體搖晃劇烈的情況下來完成洗艙工作，危險系數(shù)比較高。3）大艙結(jié)構(gòu)及環(huán)境影響，如圖1所示。船舶貨艙高度（從艙底板到艙口圍）約為十幾米至二十幾米，貨艙前后左右四面的艙壁幾乎成直角，四周斜坡高度約3米多高；貨艙左右兩旁的艙壁無任何可以站人或固定的地方，貨艙前后兩面的艙壁除了直梯附近及澳洲梯內(nèi)部外，同樣無任何可以站人或固定的地方。

圖1 貨艙艙壁圖片

1.2 干散貨船掃艙作業(yè)的方式

目前干散貨船掃艙主要以人工清洗方式為主，如圖2所示。前、后、左及右艙壁的垂直面。艙壁的垂直面的高處以采取兩人一組，并運(yùn)用三段式的鋁制伸縮梯為踏板，而水手則站在伸縮梯上，同時再運(yùn)用鋁制伸縮桿的海綿刷或自行利用長竹桿組裝而成的海綿刷來進(jìn)行貨艙高處洗艙作業(yè)，而其下方再由另一名水手協(xié)助固定。

圖2 人工高空掃艙

2.自動掃艙機(jī)控制系統(tǒng)

為了降低人工掃艙作業(yè)時的作業(yè)風(fēng)險提高船員工作的舒適度等問題，擬研發(fā)一種自動掃艙機(jī)，現(xiàn)就其控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

自動掃艙機(jī)控制系統(tǒng)是其神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)控制設(shè)備的行走、轉(zhuǎn)向及船艙室表面清洗工作，同時反饋現(xiàn)場傳感器采集的信號并進(jìn)行處理?？刂葡到y(tǒng)的功能就是對組成自動掃艙機(jī)的各分系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制，同時完成各系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)視和顯示。

運(yùn)動控制是自動掃艙機(jī)最低控制的主要內(nèi)容之一，主要內(nèi)容包括前進(jìn)控制、高度控制、速度及方向控制以及定位控制等。其中前進(jìn)控制指控制從艙室地面到自動掃艙機(jī)重心的垂直距離，高度控制目標(biāo)為控制從艙室地面到自動掃艙機(jī)重心的垂直距離、速度方向控制要實(shí)現(xiàn)自動掃艙機(jī)速度控制以及方向。主要閉環(huán)控制包括，前進(jìn)回路、高度回路和方向回路等，自動定前、自動定高和自動定向是這些閉環(huán)回路簡稱。

2.1 速度與方向控制回路

自動掃艙機(jī)的速度與定向控制均屬于水平面內(nèi)的控制，可暫時忽略垂向運(yùn)動的影響。水平速度一般以縱向速度u作為被控量構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。具體而言，速度控制是指在自動掃艙機(jī)控制器作用下能夠按照設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)速度運(yùn)動，其運(yùn)動過程起始段為變加速運(yùn)動，一旦實(shí)際運(yùn)動速度達(dá)到給定速度值便保持該速度做勻速直線運(yùn)動。

在速度控制回路中（如圖3 所示），速度反饋是一重要環(huán)節(jié)，采用多普勒聲學(xué)測速原理獲得自動掃艙機(jī)相對于大艙室的速度，也就是自動掃艙機(jī)的固定坐標(biāo)系下的速度。對測得的速度進(jìn)行積分即可以得到自動掃艙機(jī)的計(jì)算行程。構(gòu)成速度閉環(huán)后可以較為精確地控制自動掃艙機(jī)在大艙室中的行走速度。

圖3 自動掃艙機(jī)定速控制回路

與速度控制回路類似，自動掃艙機(jī)的方向控制回路（如圖4所示）能夠使自動掃艙機(jī)自動保持給定的方向，其回路結(jié)構(gòu)類似于自動前行控制結(jié)構(gòu)，而且掃艙機(jī)定向可以使用羅盤來進(jìn)行方向調(diào)整，實(shí)踐中在改善系統(tǒng)的閉環(huán)控制性能方面十分有效。

圖4 自動掃艙機(jī)定向控制回路

自動掃艙機(jī)在單自由度控制時，可以單獨(dú)對速度控制或?qū)Ψ较虻目刂婆c前進(jìn)控制方法類似，在不考慮其他自由度上的耦合作用沒有外界任何擾動時，單一自由度上的運(yùn)動應(yīng)用大部分常規(guī)算法都能夠取得比較理想的控制效果；但是自動掃艙機(jī)是一個極為復(fù)雜的系統(tǒng)，系統(tǒng)自身非線性、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，再加上其工作環(huán)境的外界情況，使得如果考慮自動掃艙機(jī)的兩個及其以上的自由度的運(yùn)動，自動掃艙機(jī)的控制效果將會大大降低，如果再加上海況的影響，則情況會更加惡化，出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。

2.2 自動掃艙機(jī)前進(jìn)控制回路與定高控制回路

前進(jìn)控制與定高控制在自動掃艙機(jī)的結(jié)構(gòu)上是完全相同的，如以長度計(jì)作為反饋元件，就稱為自動前進(jìn)控制，若以高度計(jì)構(gòu)成反饋回路就是自動定高控制，兩種回路不同時使用?？紤]到穩(wěn)心較高，一般不會產(chǎn)生大的偏向，故可以去掉速度反饋環(huán)節(jié)，而直接由長度計(jì)或高度計(jì)作為閉環(huán)，采用高度計(jì)作為閉環(huán)反饋時的定高控制回路（如圖5所示）。

圖5 自動掃艙機(jī)自動定高控制回路

定位控制是掃艙機(jī)準(zhǔn)確的進(jìn)入某個平面位置并維持該位置稱為定位控制，也稱為動力定位，指在水平面內(nèi)閉環(huán)系統(tǒng)中兩維空間的自動定位，即自動掃艙機(jī)在平面內(nèi)保持位置量和以及位置角度量不變（如圖6所示）。

由圖6可以看到，自動掃艙機(jī)的定位控制與單一自由度運(yùn)動控制不同之處在于，定位控制是多個單一自由度運(yùn)動的聯(lián)合控制，需要考慮相關(guān)自由度間的耦合。

圖6 自動掃艙機(jī)三自由度定位示意圖

3.自動掃艙機(jī)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)的總體框架

控制系統(tǒng)是應(yīng)用于船舶大艙室掃艙的自動掃艙機(jī)的重要組成部分，其負(fù)責(zé)完成對自動掃艙機(jī)的行走、轉(zhuǎn)向和掃艙作業(yè)功能的控制，保證掃艙機(jī)的預(yù)設(shè)和操作反饋的保持一致。

綜上對掃艙機(jī)的控制系統(tǒng)的要求：由于船員的工作強(qiáng)度大且海上工作環(huán)境的特殊性，在控制系統(tǒng)的研究方面可以類似使用無人機(jī)的遙控模式進(jìn)行控制。掃艙機(jī)的控制是具有程序性和指令性雙重標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)掃艙時在2-3s的時間內(nèi)需要做出多個指令時，應(yīng)當(dāng)需考慮把重要且常用的多個指令集中在同一個控制面板上，不能在把指令集中在多個控制面板，以防止操作的連貫性與及時性不好，掃艙機(jī)在掃艙作業(yè)時要承擔(dān)多種任務(wù)角色，為了能夠最大程度的把掃艙機(jī)的經(jīng)濟(jì)價值發(fā)揮出來，在掃艙機(jī)行走、轉(zhuǎn)向、掃艙清污、污水的回收處理等功能的控制，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)高的系統(tǒng)要求，這樣才把對多個任務(wù)的控制和轉(zhuǎn)換安全順利的完成。但是，為了完成不同的掃艙任務(wù)，掃艙機(jī)需要攜帶的負(fù)載設(shè)備多種多樣。掃艙之前如果增加的負(fù)載過多，會引起的磁力吸附不足使掃艙機(jī)墜落，引發(fā)危險和下方有人時造成船員傷亡的事故。因此在對控制系統(tǒng)研究應(yīng)當(dāng)選用遠(yuǎn)程遙控裝置。

現(xiàn)今，隨著我國國內(nèi)5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，無線控制技術(shù)也有了很大的變化，而常見的控制方式分為有線控制和無線控制。為了保證自動掃艙機(jī)能夠在遠(yuǎn)程遙控的情況下順利完成掃艙清洗任務(wù)，選擇合適的控制方式至關(guān)重要。

由表1中優(yōu)缺點(diǎn)的對比，海上環(huán)境特殊性以及船員安全性的綜合考慮采用無線控制方式對自動掃艙機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

表1 自動掃艙機(jī)控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)

掃艙機(jī)的邏輯運(yùn)行是通過接收器將移動APP控制的掃艙機(jī)動作信號進(jìn)行接收，動作指令傳到掃艙機(jī)控制器是通過智能手機(jī)遙控邏輯回路，對動作信號的邏輯判斷通過控制器進(jìn)行，一步一步將最終的控制指令通過邏輯回路發(fā)送至伺服電機(jī)的驅(qū)動器，讓其運(yùn)動，從而達(dá)到精準(zhǔn)控制掃艙機(jī)的按照預(yù)先設(shè)定的路線行走。

通過手機(jī)就可以讓船員控制自動掃艙機(jī)的實(shí)時動作和移動狀態(tài)，具有方便快捷的功能，非常地實(shí)用。為了能夠按照預(yù)先設(shè)定好的指令移動是控制系統(tǒng)的研發(fā)首要保證，這是最核心且基本的要求。遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)是用智能手機(jī)移動APP的界面控制將訊息傳遞給掃艙機(jī)的接收裝置；通過移動APP軟件作為遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的智能核心，其負(fù)責(zé)指令的執(zhí)行及程序的控制。信號的接收和發(fā)出，其功能包括對掃艙機(jī)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、位置以及對搖擺機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制、對超高壓水射流裝置的出水壓力的控制等。

控制系統(tǒng)的控制命令需要通過APP軟件的程序控制來獲得。自動掃艙機(jī)移動APP功能：完成移動APP的界面布局以及功能程序設(shè)置，遠(yuǎn)程實(shí)時控制是通過該APP軟件對自動掃艙機(jī)的動作進(jìn)行主要的控制。

4.結(jié)論

隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，智能產(chǎn)品不斷誕生，改變了人們的生活和生產(chǎn)方式，本文就小型船舶自動掃艙控制系統(tǒng)提出了一些想法，希望在后續(xù)的學(xué)習(xí)中不斷地去完善和修改，能夠早日應(yīng)用到掃艙作業(yè)中去，改善船員的工作條件，提高安全性和舒適性。