基于ARM的小型船舶自动操舵系统的设计与实现

基于ARM的小型船舶自动操舵系统的设计与实现0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ARMLPC2214控制器、大电流MOS管IRF9540N、上海直川电子科技有限公司生产的ZCC04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2.1控制器选用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]2.2电磁阀驱动电路目前船舶大多使用液压舵机，只需通过控制电磁阀启闭就可以控制舵的运动。舵机电磁阀开关频繁，驱动电流也比较大。若用继电器控制电磁阀，继电器易损坏。所以本设计选用大电流MOS管IRF9540N控制电磁阀启闭，同时选用TLP521隔离电磁阀端的干扰信号。图3是某一路电磁阀的驱动电路，工作原理是：当P0.2低电平时，Wheel_Steering_R端为24V，电磁阀线圈得电闭合；反之，当P0.2高电平时，则电磁阀线圈失电开启。2.3手动操舵（应急）控制电路舵故障可能导致船舶失控，应急操舵（即手动操舵）是自动舵系统不可或缺的部分。应急操舵即手动操舵，不经过上述电磁阀驱动电路，直接控制电磁阀启闭，工作原理见图4。应急操舵手柄有左、中、右等三个档位（图4HandhandleJ1）。应急操舵手柄：·处于中位，零位，舵不动；·处于右位，Hand_Steering_R接24V，Hand_Steering_L接地，继电器RLA2处于常闭状态，手动手柄直接控制舵机，使舵叶右转；·处于左位，Hand_Steering_L接24V，Hand_Steering_R接地，舵叶左转。2.4手动-随动切换电路手动操舵，当随动系统故障时的备用，具有最高优先权，即手动操舵时，系统必须立即切换到手动操舵模式，而不管是否正在随动操舵。因此，手动操舵与随动操舵这两个操舵系统如何结合在一起，并使手动操舵有最高的优先级，是本设计的关键之一。本设计利用常开常闭触点继电器：·继电器线圈，由ARM控制器通过P0.4引脚控制其得电、失电；·应急操舵一个控制端Hand_Steering_R接在继电器的常闭触点上；·随动操舵的一个控制端Wheel_Steering_R接在继电器的常开触点上；·HCPL-2531是双路光耦开关。图4示出控制某一路电磁阀的具体电路。这样：·只要应急操舵手柄不在中位，即只要手动操舵（不论处于左位或右位），P0.5脚都向ARM控制器输出低电平，而ARM控制器就把P0.4置为高电平，使继电器线圈失电，常闭触点闭合，形成应急操舵通道。·只要应急操舵手柄处于中位，系统不处于手动操舵状态，P0.5脚就向ARM控制器输出高电平，同时ARM控制器把P0.4置为低电平，继电器线圈得电，常开触点接通，形成随动操舵通路。2.5舵角信号处理舵角信号，包括给定舵角信号和实际舵角信号，二者之差即偏舵角。如前述工作原理，给定舵角或给定航向已知，实际舵角信号也可方便地通过角度传感器检测并以电压信号形式输出，关键在于是电压信号不能远传。为此，我们自行开发了舵角发送装置——把舵角信号从电压信号转换为485信号，再在自动舵系统中设置一个485总线接口电路——实现控制器与实际舵角信号发送装置之间的通信，得到实际舵角信号。该485接口的具体电路参见图5。2.6航向信号处理航向信号，包括给定航向信号和实际航向信号，二者之差即偏航角。给定航向信号，是由电位器产生的电压信号，电压范围0～3.3V，对应航向0~360°，通过ARM控制器AD通道处理即可。实际航向信号，可从磁罗经得到但只能肉眼读取，必须转化为电信号。为此，我们采用上海直川电子科技有限公司生产的ZCC04型磁罗经转换器，把机械式磁罗经的航向信息转换为数字信号，其工作电压5V；分辨率0.1度；以485接口半双工方式通信，默认波特率4800bps，数据输出格式$CSHDT，XXX.X，T*hh。数据输出格式中，$为起始符，CS为厂家名称，HDT表示艏向，XXX.X为航向信息，T表示真实值，*为分隔符，hh为校验和。例如数据$CSHDT，237.1，T*34，表示当前实际航向237.1度。ZCC04与自动舵控制器接口电路见图5。3系统软件设计软件设计很简单，随动操舵和自动操舵，分别是控制器通过判断偏舵角和偏航角来控制左舵或右舵等，流程分别见图6和图7。