CN101114172A

CN101114172A - 数字式自动操舵仪

Info

Publication number: CN101114172A
Application number: CNA200710070305XA
Authority: CN
Inventors: 俞立; 封浩; 熊远生; 徐建明; 何伟; 滕游; 冯远静; 宋鉷
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2008-01-30

Abstract

一种数字式自动操舵仪，包括用于读取和解算导航信号并执行控制算法的控制器单元，用于接收控制器输出信号、控制执行机构动作的输出控制单元，用于采集舵角信号，送至控制器进行数据处理的舵角接口单元；用于将外部供电电压转换成系统工作时需要的各种电压的供电单元，所述舵角接口单元连接控制器单元，所述自动操舵仪还包括GPS接口单元、电罗经接口单元、电子罗盘接口单元以及模式转换单元；GPS接口单元、电罗经接口单元、电子罗盘接口单元连接控制器单元，模式转换单元连接控制器单元。本发明提供一种具有多种导航接口、既可进行组合导航、也可单独导航、降低成本的数字式自动操舵仪。

Description

数字式自动操舵仪

(一)技术领域

本发明涉及船舶自动控制领域，尤其是一种自动操舵仪。

(二)背景技术

自动操舵仪(俗称“自动舵”)是船舶操控系统中的重要设备，直接关系到船舶运营的安全性与经济性。

现有自动操舵仪可选择的导航设备接口少，用户不能根据实际需求选择导航方式，且价格较高。

(三)发明内容

为了克服已有的操舵仪的导航接口少、不能选择导航方式、成本高的不足，本发明提供一种具有多种导航接口、既可进行组合导航、也可单独导航、降低成本的数字式自动操舵仪。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种数字式自动操舵仪，包括用于读取和解算导航信号并执行控制算法的控制器单元，用于接收控制器输出信号、控制执行机构动作的输出控制单元，用于采集舵角信号，送至控制器进行数据处理的舵角接口单元；用于将外部供电电压转换成系统工作时需要的各种电压的供电单元，所述舵角接口单元连接控制器单元，所述自动操舵仪还包括：GPS(Global Positioning System，全球定位系统)接口单元，用于接收GPS信号，并将GPS信号输入控制器，供控制器解算；电罗经接口单元，用于接收电罗经信号，并将电罗经信号输入控制器，供控制器解算；电子罗盘接口单元，用于接收电子罗盘信号，并将电子罗盘信号输入控制器，供控制器解算；模式转换单元，用于在电子罗盘与GPS组合导航模式、电罗经与GPS组合导航模式、随动模式、手动模式之间的转换；所述的GPS接口单元、电罗经接口单元、电子罗盘接口单元连接控制器单元，所述的模式转换单元连接控制器单元。

进一步，所述的自动操舵仪还包括：参数调节单元，用于外部环境因素变化时的控制器参数设定，所述参数调节单元连接控制器单元。

再进一步，所述的自动操舵仪还包括：随动接口单元，用于外部方向盘或遥控机信号输入。

所述的自动操舵仪还包括：人机界面单元，用于航向、舵角的设定以及信息的显示；所述的控制器单元连接人机界面单元。

所述的自动操舵仪还包括：报警及指示单元，用于偏航报警、左舵与右舵的操舵指示。

本发明的技术构思为：本发明设计一种新型的数字式自动操舵仪，具备电子罗盘、电罗经、GPS三种导航设备接口，既可进行组合导航，也可单独导航，有效提高了船舶自动航行时的航向精度和可靠性高。同时其人机界面友好，操作方便。

该自动操舵机包括控制器单元U1，用于读取和解算导航信号，执行控制算法，是本控制系统的核心部分；GPS接口单元U2，用于接收GPS信号，并将GPS信号输入控制器，供控制器解算；电罗经接口单元U3，用于接收电罗经信号，并将电罗经信号输入控制器，供控制器解算；电子罗盘接口单元U4，用于接收电子罗盘信号，并将电子罗盘信号输入控制器，供控制器解算；模式转换单元U5，用于自动1模式(电子罗盘与GPS组合导航)、自动2模式(电罗经与GPS组合导航)、随动模式、手动模式的转换。

控制器单元U1的控制过程为：控制器首先检测系统处于手动模式、随动模式、自动1模式、自动2模式的哪种工作模式，根据不同的工作模式执行不同的控制过程。若为手动模式，控制器检测是否有动作信号输入，如果没有则不输出任何控制信号，继续检测；如果有动作信号输入，判断左舵还是右舵，根据判断输出相应的控制信号，动作信号取消时，输出的控制信号随即停止。若为随动模式，控制器检测实际舵角与设定舵角，并将两者比较，看是否一致，如果一致，则不输出任何控制信号，继续检测，如果不一致，检测是左偏差还是右偏差，输出相应的控制信号，直到两者一致为止，此时，控制过程结束。若为自动1模式，控制器检测电子罗盘与GPS是否都工作正常，如果都正常，则调用电子罗盘与GPS组合导航函数；如果电子罗盘工作正常，GPS工作不正常，则调用电子罗盘导航函数，同时显示GPS无效；如果电子罗盘工作不正常，GPS工作正常，则调用GPS导航函数，同时显示电子罗盘无效；如果都不正常，则提示无导航信号。若为自动2模式，控制器检测电罗经与GPS是否都工作正常，如果都工作正常，则调用电罗经与GPS组合导航函数；如果电罗经工作正常，GPS工作不正常，则调用电罗经导航函数，同时显示GPS无效；如果电罗经工作不正常，GPS工作正常，则调用GPS导航函数，同时显示电罗经无效；如果都不正常，则提示无导航信号。

本发明的有益效果主要表现在：1、包含多种导航设备接口，既可进行组合导航，也可单独导航；2、降低了成本；3、有效提高了船舶自动航行时的航向精度和可靠性高；4、人机界面友好，操作方便。

(四)附图说明

图1是本发明数字式自动操舵仪的原理结构框图。

图2是本发明数字式自动操舵仪的系统原理图。

图3是本发明数字式自动操舵仪的控制流程图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，一种数字式自动操舵仪，包括用于读取和解算导航信号并执行控制算法的控制器单元U1，用于接收控制器输出信号、控制执行机构动作的输出控制单元U2，用于采集舵角信号，送至控制器进行数据处理的舵角接口单元U12；用于将外部供电电压转换成系统工作时需要的各种电压的供电单元U13，所述舵角接口单元U12连接控制器单元U1，所述自动操舵仪还包括：GPS接口单元U2，用于接收GPS信号，并将GPS信号输入控制器，供控制器解算；电罗经接口单元U3，用于接收电罗经信号，并将电罗经信号输入控制器，供控制器解算；电子罗盘接口单元U4，用于接收电子罗盘信号，并将电子罗盘信号输入控制器，供控制器解算；模式转换单元U5，用于在电子罗盘与GPS组合导航模式、电罗经与GPS组合导航模式、随动模式、手动模式之间的转换；所述的GPS接口单元U3、电罗经接口单元U4、电子罗盘接口单元U5连接控制器单元U1，所述的模式转换单元U5连接控制器单元U1。

所述的自动操舵仪还包括：参数调节单元U7，用于外部环境因素变化时的控制器参数设定，所述参数调节单元U7连接控制器单元U1。

所述的自动操舵仪还包括：随动接口单元U10，用于外部方向盘或遥控机信号输入；人机界面单元U9，用于航向、舵角的设定以及信息的显示；所述的控制器单元U1连接人机界面单元U9。所述的自动操舵仪还包括：报警及指示单元U11，用于偏航报警、左舵与右舵的操舵指示。

本实施例的自动操舵机还包括NMEA(National Marine ElectronicsAssociation，美国国家航海电子协会)输出单元U8，用于将自动操舵仪工作状态、操舵信息以NMEA0183格式传给船桥系统或者VDR(Voyage Data Recorder，航行数据记录仪)。所述供电单元U13将外部24V直流输入，经稳压、滤波处理后供给DC/DC模块，转出+12V、+5V等工作电压。

控制器单元U1，用于读取和解算导航信号，执行控制算法。由嵌入式控制器(MCU)、晶振、起振电容、上拉电阻、复位按钮组成。电容接晶振两端后与控制器的晶振输入引脚连接，复位按钮一端接控制器的reset引脚，另一端接地，电阻的一端接控制器reset引脚，另一端接5V电源。

GPS接口单元U2由RS232电平转换芯片，双向缓冲寄存器，光电耦合器组成。GPS信号接RS232电平转换芯片的输入端，由其输出端经双向缓冲寄存器后接光电耦合器的输入端，经光耦后与控制器的I/O口连接。

电罗经接口单元U3由RS485电平转换芯片，双向缓冲寄存器，光电耦合器组成。电罗经信号接RS485电平转换芯片的输入端，由其输出端经双向缓冲寄存器后接光电耦合器的输入端，经光耦后与控制器的I/O口连接。

电子罗盘接口单元U4由RS232电平转换芯片，双向缓冲寄存器，光电耦合器组成。电子罗盘信号接RS232电平转换芯片的输入端，由其输出端经双向缓冲寄存器后接光电耦合器的输入端，经光耦后与控制器的I/O口连接。

模式转换单元U5由多档转换开关，电阻、去抖芯片组成。电阻一端接5V电源，另一端接多档转换开关输入端，转换开关的公共端接地，同时转换开关的输入端接去抖芯片的输入端，信号经去抖芯片输出端输出后接控制器的I/O口。

输出控制单元U6由电阻、场效应管组成。控制器的输出信号经电阻后接场效应管的控制端，控制场效应管的导通与截止。

参数调节单元U7由3个电位器组成，分别对灵敏度(天气调节)、压舵角、偏航角进行调节。电位器的一段接地，另一端接电源，中间端接控制器的I/O口。

NMEA输出单元U8由缓冲寄存器、光电耦合器，RS232电平转换芯片组成。控制器产生的NMEA信号经缓冲寄存器后接光电耦合器的输入端，光电耦合器的输出端接RS232电平转换芯片的输入端，RS232的输出端与所需NMEA信号的外部设备连接。

人机界面单元U9由液晶屏、电位器、按钮、设定开关组成。按钮用于信息输入时的确认与取消。设定开关与模式转换开关配合使用，自动模式时，设定开关用于航向设定；手动模式时，用于手动操舵(简单操舵)。液晶屏的数据线与控制器的I/O口直接相连，亮度控制端、对比度控制端分别与电位器的中端相连，电位器的两端分别接电源与地。按钮与设定开关的两端都直接连控制器的I/O口。

随动接口单元U10由共模电感、电位器组成。电位器一端接地，一端接电源，中间端接共模电感。共模电感另一端接控制器的I/O口。

报警及指示单元U11由电阻、扬声器、发光二极管组成。当实际航向偏离设定航向时，扬声器发出报警声音，同时二极管发光。左舵或右舵动作时，二极管发光给出指示信号。电阻的一端接控制器的I/O口，另一端接扬声器的一端，扬声器的另一端接地。发光二极管的正端接控制器的I/O口，负端接地。

舵角接口单元U12由RC滤波电路组成。外部舵角信号经RC滤波电路后与控制器I/O口相连。

供电单元U13由熔断器、保护二极管、电解电容、DC/DC模块电源等组成。外部输入直流电源经5A熔断器后接保护二极管正端，二极管负端接电解电容的正端，电解电容负端接地。同时电解电容正端与DC/DC模块电源输入端连接，DC/DC的输出端接各个芯片的电源端。

Claims

1.一种数字式自动操舵仪，包括用于读取和解算导航信号并执行控制算法的控制器单元，用于接收控制器输出信号、控制执行机构动作的输出控制单元，用于采集舵角信号，送至控制器进行数据处理的舵角接口单元；用于将外部供电电压转换成系统工作时需要的各种电压的供电单元，所述舵角接口单元连接控制器单元，其特征在于：所述自动操舵仪还包括：

GPS接口单元，用于接收GPS信号，并将GPS信号输入控制器，供控制器解算；

电罗经接口单元，用于接收电罗经信号，并将电罗经信号输入控制器，供控制器解算；

电子罗盘接口单元，用于接收电子罗盘信号，并将电子罗盘信号输入控制器，供控制器解算；

模式转换单元，用于在电子罗盘与GPS组合导航模式、电罗经与GPS组合导航模式、随动模式、手动模式之间的转换；

所述的GPS接口单元、电罗经接口单元、电子罗盘接口单元连接控制器单元，所述的模式转换单元连接控制器单元。

2.如权利要求1所述的数字式自动操舵仪，其特征在于：所述的自动操舵仪还包括：参数调节单元，用于外部环境因素变化时的控制器参数设定，所述参数调节单元连接控制器单元。

3.如权利要求1或2所述的数字式自动操舵仪，其特征在于：所述的自动操舵仪还包括：随动接口单元，用于外部方向盘或遥控机信号输入。

4.如权利要求3所述的数字式自动操舵仪，其特征在于：所述的自动操舵仪还包括：人机界面单元，用于航向、舵角的设定以及信息的显示；所述的控制器单元连接人机界面单元。

5.如权利要求3所述的数字式自动操舵仪，其特征在于：所述的自动操舵仪还包括：报警及指示单元，用于偏航报警、左舵与右舵的操舵指示。