文档介绍：基于ARM的小型船舶自动操舵系统的设计与实现
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基于ARM的小型船舶自动操舵系统的设计与实现
2009年11月10日
内容提要:介绍小型船舶自动舵系统的自主研发设计。该设计选用Philips公司的ARM LPC2214控制器、大电流MOS管IRF9540N、04型磁罗经转换器等产品,并利用常开常闭继电器解决了手动-随动操舵转换,设计485总线接口电路解决舵角信号的传输。某渔船试用证实,该设计可靠性高、稳定性好,节能效果明显,有望改变国内小型船舶自动舵产品基本依赖进口的局面。
关键词:船舶自动操舵装置手动-随动转换舵角信号传输设计
0引言
自动舵是船舶控制系统中不可缺少的重要设备。它可以通过航向设定使船舶航迹更接近直线,避免了“蛇行”从而更节能更经济,还能节省人力资源。我国在从70年代就开始自动舵的研究,并取得了一定的成就,但国内自动舵的研究侧重于理论方面的算法仿真,很少做出实际产品。迄今为止,国内船舶安装的自动舵基本完全依赖进口。因此,我们自行开发了基于ARM的小型船舶自动舵系统,包括手动(应急)操舵、随动操舵、自动操舵三部分。
1自动舵系统的工作原理及其系统结构
设计船舶自动舵时,船舶航向控制系统模型一般采用如下所示的野本模型
式中:ψ是航向;δ是舵角;T和K是模型的参数。
T和K,一般表示为:T=T'·L/V和K=K'·V/L
其中:V是船速;L是船长;T'和K'是模型的无因次系数,是船型参数和装载状态等的函数,一般由海上实船试验获得。[1]
根据上列舵角与航向关系式,设计自动舵闭环系统结构框图,见图1。
随动操舵部分,不包括磁罗经传感器参与的外环,只包括角度传感器参与的内环,是单闭环系统。其工作原理是:
①角度传感器检测实际舵角信号;
②控制器比较实际舵角信号与给定舵角信号(偏航角)得出它们的偏差;
③控制器根据偏差控制电磁阀驱动电路的相应电磁阀开闭;
④液压舵机改变舵的方向和角度,直至实际舵角与给定舵角信号二者偏差为零。
自动操舵部分,包括磁罗经传感器参与的外环和角度传感器参与的内环,是一个双闭环控制系统。其工作原理是:
①磁罗经传感器检测船舶实际航向信号;
②控制器比较实际航向信号与给定航向信号的偏差即偏航角;
③控制器根据偏航角用PID算法计算出偏舵角去控制舵机;
④舵机改变舵的方向和角度使船舶改变航向,如此反复,直至实际航向与给定航向信号二者偏差为零。
根据自动舵原理自行开发研制的自动舵系统,共分成以下几个部分(框图见图2):
·控制器;
·输入信号,包括比例/积分/微分/海况信号、给定航向信号、实际航向信号、给定舵角信号、实际舵角信号等;
·输出信号,包括HDT(艏向)信号、电磁阀驱动电路、应急控制电路、手动-随动切换电路、显示等。
2系统重点模块硬件电
路简介
选用Philips公司的ARM(32位微处理器)的LPC2214作为系统主控制器,因为:
·其自身所带资源丰富,包括10位高精度的AD转换器、两个串行口、16K内部RAM、128K内部FLASH等,可满足整个自动操舵控制系统设计需要,不必再做外部扩展;
·价格便宜,与普通单片机价格相差不多。[2]
目前船舶大多使用液压舵机,只需通过控制电