自动舵控制系统设计
无人船自动舵控制系统设计及优化
大连理工大学硕士学位论文
Key Words：unmanned surface vessels; Autopilot; MMG model; PID control; fuzzy control
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无人船自动舵控制系统设计及优化
目录
摘 要............................................................................................................................. I Abstract.............................................................................................................................. II 1 绪论............................................................................................................................ - 1 -
大连理工大学硕士学位论文
摘要
随着自动控制、人工智能的飞速发展，无人机、无人车等不断走进人们的生活，而 作为新型智能船舶的无人船，也逐步走进人们的视野。由于其能够广泛应用于海洋活动 的各个方面，众多学者纷纷把目光投入到了这一研究领域。
自动舵作为船舶操纵运动的组成部分，也是无人船航行控制的基础，它对操纵指令 响应的快速性和准确性，在无人船的运动过程中，起到了极其重要的作用。自动舵的工 作状态可以分为两种：航向控制和航迹控制。航向控制是指船舶在运动过程中，由于受 到外界干扰而驶离了设定航向，通过控制系统令船舶驶回设定的航向；航迹控制是指在 设定好航线后，无论船舶处于何种位置，都能够快速回到设定航线，并沿着该航线达到 期望的目标位置。
船舶舵轮系统的自动化控制策略研究
船舶舵轮系统的自动化控制策略研究导言：舵轮是船舶中非常重要的组件之一，它用于控制船舶的航向。
随着科技的发展和航运业的进步，舵轮系统的自动化控制策略变得越来越重要。
本文将探讨船舶舵轮系统的自动化控制策略研究，包括传统的PID控制和现代的模型预测控制等。
传统控制策略：PID控制PID（比例积分微分）控制是一种经典的控制策略，广泛应用于船舶舵轮系统的自动化控制中。
PID控制通过测量船舶的偏离角度，并与目标角度进行比较，实现对船舶舵轮的控制。
具体而言，PID控制根据偏离角度的大小来调整舵轮的活动范围，使船舶保持在预期的航向上。
尽管PID控制简单易行，但它对于系统动态性能的改善还存在一定的局限性。
现代控制策略：模型预测控制模型预测控制（MPC）是一种基于数学模型的控制策略，用于预测系统的未来行为并优化控制信号。
在船舶舵轮系统中，MPC通过建立船舶的数学模型，并使用该模型预测船舶在不同控制量下的响应。
然后，MPC计算出最优的控制信号，使船舶能够实现更快的响应和更好的航向控制。
与PID控制相比，MPC可以更好地解决系统的非线性和时变性，提高控制性能。
船舶舵轮系统的自动化控制策略研究的挑战：在研究船舶舵轮系统的自动化控制策略时，我们面临着诸多挑战。
首先，在设计自动化控制策略之前，我们需要充分了解船舶和舵轮系统的特性。
这包括船舶的动态响应、舵轮系统的非线性特性以及水流和风力对船舶舵轮的影响等。
其次，船舶舵轮系统的自动化控制需要考虑到不同的工况和环境条件，例如航速、船型和水深等。
只有充分考虑到这些条件，才能设计出更加稳定和可靠的自动化控制策略。
结论：船舶舵轮系统的自动化控制策略研究对于现代航运业的发展非常重要。
传统的PID控制策略可以很好地应用于船舶舵轮系统的自动化控制，而现代的模型预测控制策略则可以进一步提高控制性能。
然而，研究船舶舵轮系统的自动化控制策略仍然面临着挑战，包括对船舶和舵轮系统特性的充分了解以及考虑不同工况和环境条件等。
基于 PR -6000的万吨级散货船自动舵系统设计
舵中的自 适应控制系统依靠在线辨识对于不断变化的航行 数据进行分析处理， 实时调整系统中的模型参数， 通过 自 适 应算法改变船舶的舵角， 最终使得船舶航行中的动舵次数
最少、 偏航幅度最小 ， 船舶处于最佳航行状态。 １ ． １ ． ３ 智能控制理论与智能 自动舵。智能控制是将人
Ｌ —— — —— —— —— —————— ——— — —— —— —— —— ——— — —— — ． ． ． Ｊ
舵仪。下面对 自 适应自动舵的工作原理进行简单分析。
在自适应 自动舵的控制系统中关键的问题是 自 校正控
关键 ， 也就是调整比例系数、 积分时间以及微分时间以符合 制方案的确定， 如图 １ 所示。被控制对象与 自动校正控制 器是该系统的两个重要部分。船舶在航行过程中水面状 载重量以及水的深度都在变化， 这就使得船舶的运动特性 况、 速度情况、 载重情况都在不断变化， 相应地， 舵角也在不 也在不断变化； 与此同时风流、 水流以及波浪等水面情况也 断变化。船舶的运动和各种扰动使得系统的模型参数一直 要通过在线辨识实时分析处理变化中的数 在变化， 对船舶的运动形成扰动。这就要求 Ｐ Ｉ Ｄ自动舵的 处于变化中， ＿ ５ 自 校正控制器在系统运行 中使模型参数能够进行 自 操作要能对增益、 积分时间和微分时间进行调节， 以达到较 据。
１ ． １自 动控制理论与自动舵的发展。
１ ． １ ． １比例微分积分控制技术与 Ｐ Ｉ Ｄ自动舵。Ｐ Ｉ Ｄ即 少了对数学模型的依赖性。
比例微分积分控制技术。Ｐ Ｉ Ｄ功能的实现主要是依靠模拟
电子电路去搭建完成。其具有简单的结构、 稳定的性能、 可 靠的工作度， 调整也较方便。数学模型的建立需要许多确 定的参数， 这就决定了 Ｐ Ｉ Ｄ控制具有一定的确定性。 在以 Ｐ Ｉ Ｄ控制器为核心的 自动控制系统中， 参数的整定是 被控制过程的特性。船舶在航行过程中， 船舶的航行速度、
船舶自动舵的设计
船舶自动舵的设计-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1船舶自动舵的设计吕振望，高帅（大连海事大学航海学院大连 116026 ）摘要：自动舵作为船舶改变航向和保持船舶航行在给定航向上的重要设备，对于船舶航行的安全性和经济性具有至关重要的作用。
本文就自动舵设计所采用的二阶响应数学模型（Nomoto模型）进行了介绍。
同时，主要以在线自整定PID（Proportional Integral Differential）船舶自动舵为例，简述了继电型自整定PID控制的基本原理及PLC（Programmable Logic Controller）实现的基本方法，给出了基于PLC的在线自整定PID船舶自动舵的设计原理和实现方案。
关键词：船舶自动舵；自整定PID；船舶0 引言自动舵是一种自动操舵装置控制系统，能模拟并代替人力操舵，还可和其他导航设备结合组成自动导航系统，使船舶全程无人驾驶成为可能，大大提高了自动化水平。
随着智能控制理论与计算机工业的飞速发展，许多新型的控制理论伴着微型计算机的广泛应用，同样也应用到自动舵上。
本文主要以自整定PID 自动舵为例，说明了船舶自动舵的设计原理，对在自动舵设计中，所采用的数学模型进行了探讨，同时介绍自整定PID 的算法以及如何正确地使用自动舵。
1 船舶自动舵的设计原理船舶自动舵的主要结构是控制系统，其标准反馈结构图1如下：信号部分r ，d ，y ，u ；控制部分K ；被控对象部分P ；和传感器部分M 。
图1 控制系统的框图1.1 船舶运动响应模型研究船舶自动舵的设计需从船舶运动的数学模型开始，船舶运动的数学模型是船舶自动舵设计原理中很重要的一部分。
本文以响应模型[1]为例来说明船舶的运动。
响应模型略去了横漂速度，抓住船舶动态从舵角到航向的导数再到航向的主要脉络，所获得的微分方程可保留非线性影响，把风浪干扰作用折合成为某一种干扰舵角构成一种输入信号与实际舵角δ一道进入船舶模型。
船舶自动控制及舵机系统的设计优化
船舶自动控制及舵机系统的设计优化一、引言航运作为世界贸易的主要方式之一，已成为全球经济发展不可分割的一环。
随着科技的不断进步和应用，船舶的自动控制和舵机系统的优化设计显得越来越重要。
本文将从船舶自动控制和舵机系统的设计优化两方面进行探讨。
二、船舶自动控制1. 船舶自动控制概述船舶自动控制是指通过计算机和电子技术实现对船舶自身的动力系统、舵机系统、导航系统等进行自动化管理和控制。
这种自动化控制系统能够使船舶在海上航行更加安全、稳定、高效。
2. 船舶自动控制的优点（1）提高航行安全性：船舶自动化控制系统能够监测船舶动力、水流等方面的数据，并及时作出调整，从而确保船舶在海上航行中不会出现危险情况。
（2）节省船舶人力资源：自动化控制系统不需要很多人手来操作，解放了一部分人力资源。
同时，自动化控制还能提高船员的工作效率和安全性。
（3）提高航行效率：船舶自动化控制系统能够根据航路和天气等信息，制定最优航行方案，这能够增加船舶行驶的速度并提高船舶的作业效率。
3. 船舶自动控制技术（1）船舶动力系统自动控制技术：船舶动力系统自动控制技术主要包括发动机控制、舵机控制和电缆控制等方面，通过计算机程序实现自动化控制。
（2）舵机系统自动控制技术：舵机系统自动控制技术主要是指利用计算机程序和传感器对舵机的运动轨迹进行控制。
（3）导航自动控制技术：通过利用卫星导航和高精度地图等技术，实现船舶在海上自主导航控制。
三、舵机系统的设计优化1. 舵机系统的基本原理舵机系统是船舶的主要控制装置，其作用是通过转动船舶舵轮实现对船舶方向的控制。
舵机系统由舵机、传动机构和控制装置组成。
在设计舵机系统时，应考虑到的因素包括舵机的扭矩、传动机构的总重量和总长度、控制信号的传输方式等。
2. 舵机系统的设计优化（1）舵机选型的优化：选用与所需扭矩最接近的舵机，可以实现最高效率的控制，并能大大降低成本。
（2）传动机构的优化：传动机构应尽可能精简，能够实现最佳的机械传动效率和稳定性。
船舶舵机控制系统的优化设计
船舶舵机控制系统的优化设计船舶在海洋中航行，舵机控制系统就如同船舶的“方向盘”，其性能的优劣直接关系到船舶的航行安全和操控性能。
随着船舶技术的不断发展，对舵机控制系统的要求也越来越高。
为了提高船舶的操纵性、稳定性和可靠性，优化舵机控制系统的设计变得至关重要。
一、船舶舵机控制系统的基本原理与组成船舶舵机控制系统主要由舵机、传感器、控制器和执行机构等部分组成。
舵机是将电能转化为机械能，驱动舵叶转动的装置；传感器用于检测船舶的航向、航速、舵角等参数，并将这些信息反馈给控制器；控制器则根据传感器的反馈信号，按照预定的控制算法计算出控制指令，驱动执行机构调整舵叶的角度，从而实现对船舶航向的控制。
在传统的船舶舵机控制系统中，通常采用PID（比例积分微分）控制算法。
PID控制算法简单易懂、易于实现，但在面对复杂的海洋环境和船舶动态特性时，其控制性能往往难以满足要求。
例如，在船舶受到风浪等干扰时，PID控制可能会出现超调量大、响应速度慢等问题，影响船舶的操纵稳定性。
二、现有船舶舵机控制系统存在的问题1、控制精度不足由于船舶在航行过程中受到多种因素的影响，如水流、风浪、负载变化等，现有的舵机控制系统在控制精度方面存在一定的不足，导致船舶的航向偏差较大，影响航行安全和效率。
2、响应速度慢在紧急情况下，如避让障碍物或应对突发海况，现有的舵机控制系统可能无法迅速响应，导致船舶的操纵灵活性下降，增加了潜在的危险。
3、抗干扰能力弱海洋环境复杂多变，风浪、水流等干扰因素对船舶的影响较大。
现有的舵机控制系统在抗干扰能力方面表现不佳，容易受到外界干扰的影响，使船舶的航向发生较大的波动。
4、可靠性有待提高船舶在海上航行时间长，工作环境恶劣，舵机控制系统的零部件容易出现故障。
现有的系统在可靠性设计方面存在不足，一旦出现故障，可能会导致船舶失去控制，造成严重的后果。
三、船舶舵机控制系统的优化设计思路为了解决现有船舶舵机控制系统存在的问题，提高系统的性能，需要从以下几个方面进行优化设计：1、先进控制算法的应用采用现代控制理论中的先进控制算法，如模糊控制、神经网络控制、自适应控制等，取代传统的PID控制算法。
一种舵机控制系统设计
ｐｅｅ ｔ ｏｌ ｔ ｉ ｒｊｃ ａ ｄｗ ｒ ｒ ｃ ｌ ｏ ｎｒｌ ｙｔｍ ａ ｄｇ ｅｔｅｄ ｓ ｎｏ ａｄ ａｅ ｎ ｆ ａｅ ｒｓｎ ｌ ｃ ｖ ｙｐｏ ｔ ｎ ｏｋｐｉ ｉ ｅ ｆ ｏ ｔ ｓ ｎ ｉ ｅｉ ｆ ｒｗ ｒ ｄｓ ｔ ｒ． ｃ ｅ ｉｔ ｅ ｎ ｐ ｃ ｏｓ ｅ ｖ ｈ ｇ ｈ ａ ｏｗ
ｑ ｒ ｍｅ ｆｔ ｅ ＲＣＳ，ｔ ｅ ａｔｃｅ ｐ ｏ ｏ ｅ ｎ ｉｅ ｄｇ ｔｌＢＬＤＣＭ ｏ ｔｏ ｙ ｔｍ ａ ｅ ｎ ｓｎ ｌ ＰＧＡ． Ｔ ｕｉｅ ｎｔｏ ｈ ｈ ｒｉ ｌ ｒ ｐ ｓ ｄ ｅ ｔｒ ｉｉａ ｃ ｎ ｒ ｌｓ ｓｅ ｂ ｓ ｄ ｏ ｉｇ ｅ Ｆ ｏ
第４ ４卷 第 ５期
２ ０１１焦
蘸
ＭＩ ＣＲＯ Ｍ ＯＴＯ ＲＳ
Ｖｏ． ４． Ｎｏ ５ １４ ．
５月
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种 舵 机 控 制 系统 设 计
刘兴 中 ，唐德 宇 郑 自 ，刘 雄。 ， 伟
（ ．贵州航天林泉 电机有 限公 司 ，贵阳 ５ ０ ０ ； ｃ Ｌ ｎ１５ Ｆ ｃ ｒ ，Ｇ ｉ ｎ ５ ０ ８ ｈｎ ） ｌａｙＲｐｅ ｎａｉ ｆ ｅｏ Ａｉ ８ ａｔ ｙ ｕ ａ ｇ５ ０ ０ ，Ｃ ｉａ ｉ ｓ ｖ ｆ ｆＰ ｉ ｏ ｙ
Ａｂｔａ ｔ Ｒ ｄ ｅ ｃｎｒｌ ｙｔｍ （ Ｃ ）ｉ ｏ ｅｏ ｅｋｙ ｓｓ ｍ ｏ ｄ ｍ ｏ ｂ ｃｏｄｎ ｈ ｅ ｓｒｃ ｕ ｄ ｒ ｏ ｔ ｓ ｉ ｏ ｓ ｅ Ｒ Ｓ ｓ ｎ ｆｔ ｅ ｙｔ ｆ ｈ ｅ ｍｏｅ Ｂ ｍ ．Ａ ｃｒｉｇｔ ｔｅｒ— ｏ
２ ．中国人 民解 放军驻 １５军 代室 ，贵 阳 ５ ０ ０ ） ８ ５ ０８
摘
要 ：舵 系统是 现代 武器 （ 如炸 弹） 关键系统之一 。根据舵机控制 系统需求 ，提 出一 种 以单 片 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ为核 心的全数
【精品】自动舵控制系统设计
自动舵控制系统设计船舶借助螺旋桨的推力和舵力来改变或保持航速和航向，实现从某港出发按计划的航线到达预定的目的港。
由此可见，操舵系统是一个重要控制系统，其性能直接影响着船舶航行的操纵性、经济性和安全性。
自动操舵仪是总结了人的操舵规律而设计的装置，是用来控制船舶航向的设备,能使船舶在预定的航向上运行，它能克服使船舶偏离预定航向的各种干扰影响，使船舶自动地稳定在预定的航向上运行，是操纵船舶的关键设备.系统的调节对象是船，被调节量是航向。
自动舵是一个闭环系统，它包括:航向给定环节；航向检测环节；给定航向与实际航向比较环节;航向偏差与舵角反馈比较环节；控制器；执行机构；舵；调节对象—船;舵角反馈机构等。
自1922年自动舵问世到今天，代替人力操舵的自动舵的发展确实取得了长足的进展,在相当程度上减少了人力,节约了燃料，降低了机械磨损,但是距离真正意义上的操舵自动化还有相。
当大的距离。
一国内外研究现状自70年代起，国内一些科研院所、高校开展自动舵的理论与开发工作,并取得了不少成果，一些航海仪表厂家也独立或与研究所、高校合作开展了自动舵的试制和生产，其产品以模拟PID舵为主。
目前虽然国产自适应舵已经投入实船使用，但效果并不明显。
智能控制舵还处于理论研究阶段,还没有产品化。
航迹舵基本上也处于研究阶段，还没有过硬的产品。
目前国外市场上有多种成熟的航向舵、航迹舵产品，其控制方法大多为比较成熟的自适应控制,例如日本Tokimec公司的PR—8000系列自适应自动舵、德国Anschuz公司的NAUTOCONTROL综合系统中的自动舵、美国Sperry公司VISIONTECHNOLOGY系统中的自适应自动舵等。
近几年发展起来的智能控制及其它近代控制在自动舵上应用尚处于方案可行性论证及实验仿真阶段,还有待于进一步工程实现研究。
我国对自适应舵的研究起步较晚，自80年代以来，有关单位开展了对自适应舵的研究工作，发表了一些设计方案，仿真研究结果和产品。
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自动舵控制系统设计船舶借助螺旋桨的推力和舵力来改变或保持航速和航向，实现从某港出发按计划的航线到达预定的目的港。
由此可见，操舵系统是一个重要控制系统，其性能直接影响着船舶航行的操纵性、经济性和安全性。
自动操舵仪是总结了人的操舵规律而设计的装置，是用来控制船舶航向的设备，能使船舶在预定的航向上运行，它能克服使船舶偏离预定航向的各种干扰影响，使船舶自动地稳定在预定的航向上运行,是操纵船舶的关键设备。
系统的调节对象是船，被调节量是航向。
自动舵是一个闭环系统，它包括：航向给定环节；航向检测环节；给定航向与实际航向比较环节；航向偏差与舵角反馈比较环节；控制器；执行机构；舵；调节对象—船；舵角反馈机构等。
自1922年自动舵问世到今天, 代替人力操舵的自动舵的发展确实取得了长足的进展, 在相当程度上减少了人力, 节约了燃料, 降低了机械磨损, 但是距离真正意义上的操舵自动化还有相。
当大的距离。
一国内外研究现状自70 年代起,国内一些科研院所、高校开展自动舵的理论与开发工作,并取得了不少成果,一些航海仪表厂家也独立或与研究所、高校合作开展了自动舵的试制和生产,其产品以模拟PID 舵为主。
目前虽然国产自适应舵已经投入实船使用,但效果并不明显。
智能控制舵还处于理论研究阶段,还没有产品化。
航迹舵基本上也处于研究阶段,还没有过硬的产品。
目前国外市场上有多种成熟的航向舵、航迹舵产品,其控制方法大多为比较成熟的自适应控制,例如日本Tokimec 公司的PR - 8000 系列自适应自动舵、德国Anschuz 公司的NAU TO CONTROL 综合系统中的自动舵、美国Sperry 公司VISIONTECHNOLOGY系统中的自适应自动舵等。
近几年发展起来的智能控制及其它近代控制在自动舵上应用尚处于方案可行性论证及实验仿真阶段,还有待于进一步工程实现研究。
我国对自适应舵的研究起步较晚，自80年代以来，有关单位开展了对自适应舵的研究工作，发表了一些设计方案，仿真研究结果和产品。
1980年，南开大学袁著祉、卢桂章老师采用Norrbin性能指标，利用最小方差自校正控制器自适应律设计了船舶航向保持的自适应舵，发表了仿真结果。
1984年，中船总公司系统工程部林钧清利用最小方差自校正调节器，设计了自适应自动舵的软件，并进行了仿真研究。
1986年，大连海事大学陆样润、黄义新老师等人，采用了对偏航速率进行加权的最小方差自校正控制方案，进行了自适应舵的研制，他们先在实验室的实时仿真器上进行了联机实验，随后又在该校的万吨实习船“育红”轮上进行了实船海上实验。
试验结果表明，该自适应舵比PID舵具有更好的控制效果。
近年来，国内的学者对自适应控制的研究也相当活跃，他们在相关的学术刊物上发表了许多研制成果。
自适应模糊控制、专家控制、基于神经网络的自适应控制也取得很大进展。
国内外的研究动态均表明今后的自适应技术将朝着智能化的方向发展。
二系统功能自动舵控制系统实现实时综合数据船桥系统功能。
此系统是一种航行、控制、通讯和监控综合系统,用先进的船舶运动理论、WINDOWS 软件和多种传感器硬件,整个系统由工业标准(以太网) 局域网LAN 把各子系统连在一起,将航行和控制系统与决策支持系统结合,包括海洋环境预报、卫星通讯、自动航行和航迹保持等功能。
整个系统采用模块化结构,扩展灵活,可以根据用户要求,选配航向或航迹控制模块,还可选配气象站、气象航行计划和航行优化等模块。
以满足用户的不同需求。
系统采用开放式结构,硬件和软件均可升级。
系统全部菜单化人界面,采用游戏杆或跟踪球等进行操作。
采用双罗经、双计算机控制系统配置以提高可靠性和安全性自动舵有智能、自适应和PID 等多种控制模式,有自动、手动、非跟踪和遥控舵等多种工作模式。
航迹舵包括航行计划、定位和航向保持等功能模块,有狭窄水域和宽阔水域两种航行模式。
航行计划模块通过设置转向点编辑航线,有恒向线航行、大圆航行和混合大圆航行3 种方式;定位模块用GPS 实时确定船舶实际位置;航向保持模块自动决定最优船首向在转向点处自动改变航向,保持船舶航行。
与“航向舵”相比,航迹舵可以实现更精确,更经济的航迹控制。
航迹舵有直接和间接两种控制模式。
间接控制的航迹舵根据航迹偏差信号、速度信号和实际航向信号计算出最佳航向,作为航向舵的设置航向,通过操舵使船舶沿预定航线航行;直接控制的航迹舵根据船舶本身的数学模型,计算并控制所需的舵运动,使船舶自动沿着输入的航迹航行。
雷达舵把雷达的显示功能和航迹舵的控制功能集中在一个控制台上进行航行计划、航迹控制和避碰操作,雷达管理系统采用高分辨率大屏幕彩色显示器,触摸式屏幕或跟踪球操作。
速度舵通过与主机自动化系统的接口控制船舶的速度,保证在输入的计划到达时间内到达,同时优化燃料消耗。
配备电子海图显示和信息系统( 简称ECDIS) 。
ECDIS 最重要的特点是面向对象的结构,使得它可以提取海图上任何部分的详细背景信息。
此外,控制台可把雷达图象和电子海图重叠显示,为船舶的操纵和监控提供一个完整而紧凑的系统。
中央控制台按照设备功能集成的原理,把“监督(雷达,ECDIS) ”和“控制(航迹舵) ”等集成在一起。
控制台可在高分辨率彩色显示器上显示所有安全航行和经济操纵所需的重要信息,包括导航信息、主机数据和有关速度及燃料消耗的信息。
另外,特别显示帮助船舶在港口中的操纵,例如入坞和靠泊显示。
航行优化和安全系统。
它综合几天的天气预报、海况、船舶经济性和计划时间等信息,制定航行策略。
气象数据每天更新,为船长提供决策支持。
具有恶劣天气下的事故避免和船舶驾驶决策支持功能;利用专家系统提供最佳速度和航向的建议,以减小船体受力和受损的风险;能提前警告危险的驾驶环境,为驾驶者提供航行决策支持;航行优化功能,推进效率管理达到节省燃料的目的。
三系统硬件设计可靠的系统硬件是系统稳定运行的保证,在自己没有很强的设计加工能力及很高的工艺水平的情况下,为了保证系统硬件的可靠性,同时为了缩短开发周期,本系统的设计思想之一是尽可能选用市场上的成型产品,尽量减少自主开发工作量。
另一个设计思想是增强开发环境及系统实现的兼容性,即本舵为PC 机全兼容产品,系统的软件开发平台既可为STD及PC/ 104 工控机,亦可为普通PC 机,当然系统亦可用以上任一机种实现。
1 系统结构航迹自动舵硬件系统结构如图1 所示。
其中,386/ 486 工控机、电子盘、串行通信卡、VGA 显示卡等均为市购产品,联机仿真及数据采集亦通过通用微机完成,只有GPS、舵角及航向信号板以及面板上的状态、报警灯及薄膜键盘需自主开发或外加工。
系统硬件接口的标准化保证了系统开发环境及系统实现的兼容性。
由硬件系统结构图可以看出, GPS、舵角及航向信号板均以串行通信方式与主机交换信息,只需配一块多串口的通信卡,各信号板的串行输出信号格式均符合NMEA0183 标准。
图1 硬件系统结构框图2 人机界面设计一个系统人机界面或者说面板的设计历来在整个系统的设计中占有一定的工作量,而本系统则力图体现上述设计思想,充分利用工控机系统资源进行设计,既减少了工作量、提高了可靠性,又保证了系统的兼容性。
显示部分选用VGA 兼容的液晶显示器,不自主开发液晶显示接口, YG- 602 VGA 彩色液晶显示器可以设置成任意1/ 4 屏显示或全屏压缩显示,电源为单+ 12V 供电,信号线直接插到主板或VGA 显卡的VGA 接口。
利用市售的VGA 兼容液晶显示器不仅减少了硬件开发的工作量,而且为软件开发带来了便利,软件开发过程中不仅可以免除设计自主开发液晶显示接口所需的显示软件模块,而且可以充分利用BIOS 及DOS 的中断调用,如此从硬件及软件两个方面为系统的面世赢得了时间。
本系统无需打印,故并行口用来输出一些状态及报警信息并在面板上以L ED 显示,并行口的输出信号已经锁存,故只需对信号进行驱动即可,无需再设置锁存器用STROBE 信号来锁存。
若8 位不够用则可采用译码方式。
采用本设计方案免除了通常情况下需设计数字I/ O 接口板的工作,同样是增加了可靠性、兼容性,减少了工作量。
键盘的处理则利用了主板的通用键盘接口,而不是重新设计小键盘接口。
面板上的薄膜开关完全按照通用101 键盘上所选用的若干个数字及功能键来安排键盘矩阵的行列关系,采用通用的键盘管理单片机芯片来管理键盘并与主板接口,或直接拆下101 键盘内线路板加以利用,相对于自主开发小键盘接口来说既廉价又方便。
本设计方案同样为键盘管理软件的设计带来了便利,具有上述二者相同的优越性。
基于以上所述处理方法,使得系统的开发、调试及实现完全可以用任何一种386 以上PC 兼容工控机来完成,作到了开发环境及系统实现的兼容性,增强了系统的可靠性,缩短了系统的面世时间。
3 GPS 信号板设计尽管GPS 接收机依厂家、型号的不同而不同,但均以串行方式给出信息。
本GPS 信号板可以通过跳线设置接收TTL 电平及RS - 232C、RS - 422/ 485 标准的串行信号,选取各GPS 厂家常用的信息字串,通过AT89C2051 单片机处理,删除大量的冗余信息,获取船位、航速、航迹偏差等信息,并重新组织成一个字串,定时发送给主机。
4 舵角信号板设计舵角信号板与主机双向交换信息。
主机经控制算法计算得出舵令,经由串行口送给舵角板,舵角板对舵角进行简单的PID 控制,控制输出为TTL 信号,经固态继电器(SSR) 控制舵机的左右舵电磁阀,以控制舵叶的运动。
因舵机厂家的不同,舵机给出的舵角信号有所不同,主要有电位器式及自整角机式两种,故本舵角板亦设计成可以接收电位器式及自整角机两种信号,获取舵角信息,舵角信息经串行口送到主机显示。
5 航向信号板设计航向信号板通过接收船用电罗经的复示信号获取航向信息。
因电罗经型号不同,其复示信号有同步型及步进型之分,二者都有不同的电压等级之分,如步进型的35V/ 50V/ 70V ,同步型又有不同的角度变换比率,如90X、180X、360X 等。
本航向信号板通过跳线的设置及软件的改变来选择电罗经类型,使得对于不同类型的电罗经,航向信号板均能接受其复示信号并获得相对航向信息,经与来自主机的初始航向设置信息结合,通过单片机产生相同格式的字串定时发送给主机。
四控制器设计舵机系统控制器主要由中央控制单元、高速逻辑阵列、功率驱动电路、三相逆变电路、舵面偏转角度传感器和保护电路等组成。
图2是某电动舵机系统控制器原理图。
中央控制单元早期的中央控制单元主要是由80C51或89C196K等单片机系统组成[7’8]，由于其运算速率较低，处理能力有限，现逐步被数字信号处理器(DSP)代替，DSP在工作频率和处理能力上都较单片机优越。