CN101299155A

CN101299155A - 自动操舵仪

Info

Publication number: CN101299155A
Application number: CNA2008101061882A
Authority: CN
Inventors: 李常伟
Original assignee: BEIJING HIGHLANDER DIGITAL RECORD TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING HIGHLANDER DIGITAL RECORD TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2028-05-09
Also published as: CN100576123C

Abstract

本发明提出了一种自动操舵仪，包括：操作单元，用于将用户输入的指定航向信息和用于控制算法的控制参数发送给主控单元；外部接口单元，用于将来自外部设备的与当前航向有关的信息发送给主控单元；以及主控单元，包括：第一主控处理器，用于接收指定航向信息、控制参数、及与当前航向有关的信息并将指定航向信息、控制参数、及与当前航向有关的信息发送给第二主控处理器，以及用于将来自第二主控处理器的舵令发送给操舵装置以对操舵装置进行控制；以及第二主控处理器，用于利用控制算法根据指定航向信息、控制参数、与当前航向有关的信息来计算舵令，并将舵令发送给第一主控处理器。

Description

自动操舵仪

技术领域

本发明涉及一种可用于船舶的航迹自动舵，特别涉及一种自动操舵仪。

背景技术

自动舵自身需要进行复杂的航迹控制算法计算，以调整船舶到设定的航迹或者航向上，同时需要处理大量的外部数据，包括高速A/D采集和输出、多类传感器(雷达、罗经、计程仪、及数据记录仪(VDR)等)、电子海图等，涉及音视频编解码，图像处理等核心问题。另外，内部还需要进行高效和可靠的数据通信，以完成各个功能单元之间，以及和外部船舶设备网络的数据交换。因此目前基于单核芯片的设计已经不能满足要求。

目前的自动舵在系统设计上有以下几种：

1.单核(8/16位单片机)

传统的嵌入式系统设计框架。8/16位单片机主要用于低速、低存储空间的场合，主要完成基本IO的输入输出，无法搭建可靠和高效的通信网络。尤其是受限于其功能的扩展，无法移植嵌入式操作系统软件平台，无法实现自动舵复杂的应用。

2.单核(32位芯片架构)

基于32位芯片构架的自动舵，其突出特点是核心控制算法和其他应用程序集成到一个单核芯片中，单核除了完成基本IO输入输出、雷达、电子海图、罗经等多种船载传感器的串口输入输出、以及内部部件的数据通信外，还要完成复杂的航迹控制算法。因此芯片属于集中控制，实际各个功能的效率并非最优。

3.单核(32位芯片)+CPLD(FPGA)+双口RAM+单片机(8/16位单片机)

其中，关于双口RAM(Random Access Memory，随机存储器)是指有两组相互独立的地址线、数据线和控制线，片内包含的控制逻辑的随机存储器。CPLD(Complex Programmable Logic Device)即为复杂可编程逻辑器件。FPGA(Field-Programmable Gate Array)即为现场可编程门阵列。

此类自动舵只是在核心控制单元上附加辅助芯片。它将复杂的航迹控制算法运算保留在32位单片机上，而将其他应用放到另外一个8/16位的单片机。两个芯片间通过双口RAM进行数据交换，但是必须有CPLD/FPGA进行复杂的时序控制，实现上有一定复杂度和难度。同时32位芯片并非专用数字信号处理芯片，只能在软件上实现算法计算，效率无法与DSP芯片的硬件算法实现相比。

综合以上说明，目前使用的自动舵在系统设计上的一些突出缺点：

1.自动舵普遍是单核系统的设计，所有应用集中在一个芯片上，导致多个应用共用芯片资源。

2.自动舵的整体功能性差，效率很低。

3.自动舵无法应用大运算量的智能航迹控制算法。

发明内容

鉴于以上所述的一个或多个问题，本发明提出了一种自动操舵仪，可以集中解决自动舵内网大量的数据通信、外部多类设备的数据采集和输出、音视频编解码、复杂的航向/航迹控制算法计算等核心问题，并在实效性、扩展性、功能性上提高了自动舵整体的性能。

根据本发明的自动操舵仪包括：操作单元，用于将用户输入的指定航向信息和用于控制算法的控制参数发送给主控单元；外部接口单元，用于将来自外部设备的与当前航向有关的信息发送给主控单元；以及主控单元，包括：第一主控处理器，用于接收指定航向信息、控制参数、与当前航向有关的信息并将指定航向信息、控制参数、及与当前航向有关的信息发送到第二主控处理器，以及用于将来自第二主控处理器的舵令发送给操舵装置以对操舵装置进行控制；以及第二主控处理器，用于利用控制算法根据指定航向信息、控制参数、与当前航向有关的信息来计算舵令，并将舵令发送给第一主控处理器。

其中，操作单元还用于显示指示信息，指示信息包括指定航向信息、控制参数信息、监视参数信息、工作模式信息、传感器状态信息、舵令指示信息、及舵角反馈指示信息中的一种或多种信息。操作单元包括：第一操作处理器，用于接收用户输入的指定航向信息、控制参数、及指示信息，将指定航向信息和控制参数发送给主控单元并将指示信息发送给第二操作处理器，以及用于将来自第二操作处理器的视频信息发送给显示模块；第二操作处理器，用于将来自第一操作处理器的指示信息处理为视频信息，并将视频信息发送给第一操作处理器；以及显示模块，用于显示来自第一操作处理器的视频信息。

其中，外部接口单元包括：第一接口处理器，用于接收来自外部设备的与当前航向有关的信息并将其发送至第二接口处理器，以及用于将来自第二接口处理器的与当前航向有关的信息发送给主控单元；以及第二接口处理器，用于对与当前航向有关的信息进行格式转换并将格式转换后的与当前航向有关的信息发送给第一接口处理器。其中，外部设备包括罗经、计程仪、电子海图、雷达、及数据记录仪中的一种或多种设备。

其中，第一主控处理器可以是高级精简指令系统处理器。第二主控处理器可以是数字信号处理器。

其中，操作单元、外部接口单元、及主控单元通过网络单元进行交互。

根据本发明的自动操舵仪还包括：报警控制单元，用于接收来自网络单元的报警信息并进行存储；以及报警显示单元，用于从报警控制单元获取报警信息并进行显示。其中，报警控制单元包括：第一报警处理器，用于接收来自网络单元的报警信息；以及第二报警处理器，用于对第一报警处理器接收到的报警信息进行压缩，以在有限存储空间下增加可存储的报警信息数目。

通过使自动舵中多个核心功能单元使用双核结构，并在其上采用嵌入式操作系统软件平台的设计方式，集中解决了自动舵内网大量的数据通信、外部多类设备的数据采集和输出、音视频编解码、复杂的航向/航迹控制算法计算等核心问题，并在实效性、扩展性、功能性上提高了自动舵整体的性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明的实施例的自动操舵仪的示意图；

图2是根据本发明的实施例的主控单元的框图；

图3是根据本发明的实施例的ARM核之间的数据交换流程图；

图4是根据本发明的实施例的外部接口单元的框图；

图5是根据本发明的实施例的操作单元的框图；以及

图6是根据本发明的实施例的报警控制单元的框图。

具体实施方式

下面参考附图，详细说明本发明的具体实施方式。

本发明从系统设计上摒弃了传统的单核实现整体设计的思路，采纳了高端的ARM(Advanced RISC Machine。ARM是一种通用的32位RISC处理器，32位是指处理器的外部地址和数据总线是32位的)核和DSP(Digital Signal Processing(Machine)，数字信号处理(器)，在体系结构中，泛指数字信号处理器)和DSP的双核设计。系统组成由多个双核系统的功能单元组成，每个功能单元不仅独立地、高效地完成自身的功能，而且可以在内网上进行有效的、可靠的数据交换，使得自动舵整体性能有了明显的提高。

图1是根据本发明的实施例的自动操舵仪的示意图。如图1所示，根据本发明的实施例的自动操舵仪包括：操作单元102，用于将用户输入的指定航向信息和用于控制算法的控制参数发送给主控单元；外部接口单元104，用于将来自外部设备的与当前航向有关的信息发送给主控单元；以及主控单元106，包括：第一主控处理器，用于接收指定航向信息、控制参数、及与当前航向有关的信息并将指定航向信息、控制参数、及与当前航向有关的信息发送给第二主控处理器，以及用于将来自第二主控处理器的舵令发送给操舵装置以对操舵装置进行控制；以及第二主控处理器，用于利用控制算法根据指定航向信息、控制参数、与当前航向有关的信息来计算舵令，并将舵令发送给第一主控处理器。

其中，操作单元102还用于显示指示信息，指示信息包括指定航向信息、控制参数、监视参数、工作模式、传感器状态、舵令指示信息、及舵角反馈指示信息中的一种或多种信息。操作单元102包括：第一操作处理器，用于接收用户输入的指定航向信息、控制参数、及指示信息，将指定航向信息和控制参数发送给主控单元并将指示信息发送给第二操作处理器，以及用于将来自所述第二操作处理器的视频信息发送给显示模块；第二操作处理器，用于将来自第一操作处理器的指示信息处理为视频信息，并将视频信息发送给第一操作处理器；以及显示模块，用于显示来自第一操作处理器的视频信息。

其中，外部接口单元104包括：第一接口处理器，用于接收来自外部设备的与当前航向有关的信息并将其发送至第二接口处理器，以及用于将来自第二接口处理器的与当前航向有关的信息发送给主控单元；以及第二接口处理器，用于对与当前航向有关的信息进行格式转换并将格式转换后的与当前航向有关的信息发送给第一接口处理器。其中，外部设备包括罗经、计程仪、电子海图、雷达、及数据记录仪中的一种或多种设备。

根据该实施例的自动操舵仪还包括：报警控制单元108，用于接收来自网络单元的报警信息并存储报警信息；以及报警显示单元110，用于从报警控制单元获取报警信息并进行相应的显示。其中，报警控制单元包括：第一报警处理器，用于接收来自网络单元的报警信息；以及第二报警处理器，用于对第一报警处理器接收到的报警信息进行压缩，以在有限存储空间下增加可存储的报警信息数目。

在本发明的实施例中的涉及到多个采用的双核技术的自动舵核心功能单元，这些核心功能单元包括：主控单元、外部接口单元、操作单元、报警控制单元等。在自动舵内部，它们相互间的数据交换通过内部网络进行。采用双核最主要的目的是将单核对事务的串行处理改成双核的并行处理，使得功能单元处理事务的速度提高，每种事务的处理效率加快，可靠性增强。

图2是根据本发明的实施例的主控单元的框图。如图2所示，主控单元的双核构架描述：ARM用于处理内网大数据量通信以及其他输入输出端口等事务，DSP用于复杂的航向/航迹控制算法计算。

ARM处理的事务包括多串口扩展、CAN网络、高速A/D端口以及实时IO的输入输出。同时其另外一个主要事务是和DSP核之间的数据交换。DSP核主要用于复杂的航向/航迹控制算法的运算，它和ARM核之间通过FIFO(First Input First Output，先入先出存储芯片，其自带时钟控制)进行数据交换。ARM核的实时I/O获取用户对工作模式的设置，比如自动舵的自动模式、随动模式、非随动模式以及远程控制模式，它将作为控制信息传递给DSP核，同时，实时I/O可以根据主控单元的运行状态，输出运行指示灯、外围器件是否正常运行的指示灯(如串口、IO口等)；多串口扩展用于获取传感器的输入信息，例如计程仪得到的船速等，这些作为控制信息传递给DSP核；高速A/D端口用于模拟电压/电流的输人和输出，它可获取舵角反馈值，并通过CAN网络传递给网络上的操作单元，在操作单元上显示，同时将DSP传递过来的控制算法计算的结果(主要是舵令)转成模拟值，送至操舵装置用于操舵。CAN用于主控单元和其他功能单元的数据交换，它相对对立于ARM核的其他事务，它可以向CAN网发送工作模式信息、舵令、舵角反馈值等(到操作单元)，也可以从外部接口单元获取当前航向、其他传感器获取的雷达、电子海图、罗经、天气、地理环境等信息，并将这些信息作为控制参数送至DSP核。

双核的设计使得DSP核专门用于航向/航迹的控制算法的计算，将算法的计算从ARM核独立开，ARM核可以将其他事务并行计算，从而提高了功能单元的性能。另外，DSP核使用硬件的门电路来实现算法的计算，其运算速度远远高于软件实现的算法，因此，自动舵可以承载更复杂的智能航迹控制的计算算法，并保证了运算的实时性，这是很大的改进。

根据本发明的实施例的ARM核之间的数据交换流程如图3所示。

图4是根据本发明的实施例的外部接口单元的框图。参照图4来描述外部接口单元的数据流程。ARM处理的事务包括多串口扩展、CAN网络、RS232独立串口以及实时A/D的输入输出。同时其另外一个主要事务是和DSP核之间的数据交换。DSP核主要用于音视频编解码，它和ARM核之间通过FIFO进行数据交换。ARM核的实时A/D主要用于风、浪、流等环境模拟量的输入，这个输入将通过CAN网发送到主控单元；多串口扩展用于获取传感器的输入信息，例如电罗经、磁罗经、电子海图等，这些信息也通过CAN网发送到主控单元，并传递给DSP核进行图像或者音频处理，同时如果这些传感器的输入出现故障状态，外部接口单元将相应的信息通过CAN网发送到操作单元，操纵单元将通过灯指示这些故障状态；另外，外部接口单元还有一个重要的事务就是将本单元获取的原始输入，例如实时A/D的输入、故障信息、多串口扩展获取的传感器信息按照规定的格式，输出到航载数据记录仪(VDR)；CAN用于外部接口单元和其他功能单元的数据交换，它相对对立于ARM核的其他事务，如上所述它可以向CAN网发送传感器的故障信息、风、浪、流等环境信息等，也可以发送本机的系统模式(使用系统1或者系统2，使用泵组1还是泵2等)到操作单元。

DSP核还专门用于音视频编解码，ARM核将获取的雷达、电子海图的视频信息传递给DSP核，DSP核运行相应的解码器，将处理结果(包括海面障碍物个数、坐标、空间距离等)传递回ARM核，ARM核将这些数据作为控制信息通过CAN网发送到主控单元，使得DSP核可以实时更新计算航迹算法的结果。

双核设计使得音视频的编解码从ARM核独立出来，ARM核可以对其他事务并行计算，从而提高了功能单元的性能。另外，DSP核使用硬件的门电路来实现算法的计算，其运算速度远远高于软件实现的算法。

图5是根据本发明的实施例的操作单元的框图。参照图5来描述操作单元的数据流程。ARM处理的事务包括实时I/O输入输出、图像系统、LCD显示、CAN网络等。同时其另外一个主要事务是和DSP核之间的数据交换。DSP核主要图像显示系统，相当于图形显示卡。它和ARM核之间通过FIFO进行数据交换。

ARM核的实时I/O输入部分是按键操作，主要用于船员的控制参数的设置，例如指定的航向、海况等级、灵敏度、转向率等，同时还有监控参数，例如舵角限制值、偏航报警门限值等这些输入将通过CAN网络发送到主控单元，由后者更新航向/航迹控制算法的结果。输出部分将包括CAN网上获取外部接口单元给出的传感器报警信息，主控单元给出的工作模式、系统模式信息等，操作单元将用指示灯的形式指示这些信息。另外，ARM核还有一个重要的事务就是将相关的信息显示到LCD液晶显示屏上。这些信息包括指定的屏幕显示，比如当前航向值、舵角反馈值(左、右舵、舵令(左、右舵)等，还有一些实时的显示，包括当前的控制参数、监控参数等。CAN用于外部接口单元和其他功能单元的数据交换，它相对对立于ARM核的其他事务，主要完成的工作见上所述。

DSP核专门用于LCD的图像显示系统，它将ARM传递的要显示的信息，处理得到LCD需要显示的写屏信息，返回到ARM核，并送到LCD液晶显示屏。

双核设计使得图像显示系统从ARM核独立开，ARM核可以对其他事务并行计算，从而提高了功能单元的性能。另外，DSP核可处理丰富的显示信息，让自动舵提供了更加形象化、生动的显示信息。

图6是根据本发明的实施例的报警控制单元的框图。参照图6来描述报警控制单元的数据流程。ARM处理的事务包括实时I/O输入和CAN网络等。同时其另外一个主要事务是和DSP核之间的数据交换。DSP用于压缩报警记录格式以及VDR数据，以便于在有限的存储空间条件下扩大记录条数。它和ARM核之间通过FIFO进行数据交换。

ARM核的实时I/O输入由继电器提供，这些输入是报警的输入，可指示多种报警信息，如高温报警、系统失效报警等。CAN用于从CAN网上获取其他报警信息(如外部接口单元发出的传感器报警信息，主控单元发出的偏航信息等)发送给报警控制单元。报警控制单元将筛选后的信息，通过CAN网发送到报警显示单元。

DSP用于压缩报警记录格式以及VDR数据，报警记录将输出给VDR。

本发明的自动舵，各主要功能单元采用了ARM和DSP的双核结构设计，集中改善了单板的基本应用，如IO输入输出、CAN通信、存储等，也改善了其特定功能，如控制算法计算、音视频编解码、文件格式压缩等。同时双核的设计大大提高了自动舵内网的通信效率，使得自动舵的整体性能有很大改善。效果有几点：

自动舵的双核设计带专用的DSP用于控制算法处理，在不掉电的情况下，可以升级算法程序，使得算法的升级和改进非常方便。

自动舵的双核设计将内网通信和其他特定功能分离开，内部数据交换效率提高，通信耗时缩短，数据冲突和丢包率降低，在实时性、可靠性、以及扩展性上大大提高了自动舵整体性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自动操舵仪，其特征在于，包括：

操作单元，用于将用户输入的指定航向信息和用于控制算法的控制参数发送给主控单元；

外部接口单元，用于将来自外部设备的与当前航向有关的信息发送给所述主控单元；以及

所述主控单元，包括：

第一主控处理器，用于接收所述指定航向信息、所述控制参数、及所述与当前航向有关的信息，并将所述指定航向信息、所述控制参数、及所述与当前航向有关的信息发送给第二主控处理器，以及用于将来自所述第二主控处理器的舵令发送给操舵装置以对所述操舵装置进行控制；以及

所述第二主控处理器，用于利用所述控制算法根据所述指定航向信息、所述控制参数、所述与当前航向有关的信息来计算所述舵令，并将所述舵令发送给所述第一主控处理器。

2.根据权利要求1所述的自动操舵仪，其特征在于，所述操作单元还用于显示指示信息，所述指示信息包括工作模式信息、传感器状态信息、舵令指示信息、及舵角反馈指示信息中的一种或多种信息。

3.根据权利要求2所述的自动操舵仪，其特征在于，所述操作单元包括：

第一操作处理器，用于接收用户输入的所述指定航向信息、所述控制参数、及所述指示信息，将所述指定航向信息和所述控制参数发送给所述主控单元并将所述指示信息发送给第二操作处理器，以及用于将来自所述第二操作处理器的视频信息发送给显示模块；

所述第二操作处理器，用于将来自所述第一操作处理器的所述指示信息处理为所述视频信息，并将所述视频信息发送给所述第一操作处理器；以及

所述显示模块，用于显示来自所述第一操作处理器的所述视频信息。

4.根据权利要求1所述的自动操舵仪，其特征在于，所述外部接口单元包括：

第一接口处理器，用于接收来自所述外部设备的所述与当前航向有关的信息并将其发送至第二接口处理器，以及用于将来自所述第二接口处理器的与当前航向有关的信息发送给所述主控单元；以及

所述第二接口处理器，用于对与所述当前航向有关的信息进行格式转换并将格式转换后的与当前航向有关的信息发送给所述第一接口处理器。

5.根据权利要求4所述的自动操舵仪，其特征在于，所述外部设备包括罗经、计程仪、电子海图设备、雷达、及数据记录仪中的一种或多种设备。

6.根据权利要求1所述的自动操舵仪，其特征在于，所述第一主控处理器是高级精简指令系统处理器。

7.根据权利要求6所述的自动操舵仪，其特征在于，所述第二主控处理器是数字信号处理器。

8.根据权利要求1所述的自动操舵仪，其特征在于，所述操作单元、所述外部接口单元、及所述主控单元通过网络单元进行交互。

9.根据权利要求8所述的自动操舵仪，其特征在于，还包括：

报警控制单元，用于接收来自所述网络单元的报警信息并存储所述报警信息；以及

报警显示单元，用于从所述报警控制单元获取所述报警信息并进行相应的显示。

10.根据权利要求9所述的自动操舵仪，其特征在于，所述报警控制单元包括：

第一报警处理器，用于接收来自所述网络单元的所述报警信息；以及

第二报警处理器，用于对所述第一报警处理器接收到的所述报警信息进行压缩，以增加可存储的报警信息数目。