CN103712619B - 一种基于航迹仪的高精度标绘控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于航迹仪的高精度标绘控制方法，包括如下步骤：1）、设置通讯协议；2）、接收GPS传来的数据，计算出移笔在X、Y方向的移笔脉冲矢量（x1、y1）；3）、从绘图命令模块中调取一移笔脉冲矢量（x1，y1），准备进行移笔；4）、控制系统根据该移笔脉冲矢量（x1，y1）确定移笔电机的方向；5）、控制系统根据该移笔脉冲矢量（x1，y1）的脉冲数（x1＇，y1＇），计算出移笔在X、Y方向的移动速度；6）、控制系统将移笔脉冲方向、数量以及移笔脉冲的频率传送至移笔电机驱动电路，从而控制移笔电机启动，进行绘图直至该脉冲矢量执行完毕；7）、重复上述步骤2）—6）。本发明能有效提高航迹仪的绘图精度，从而提高航迹仪的可靠性，并保证航迹仪的稳定性。

Description

一种基于航迹仪的高精度标绘控制方法

技术领域

本发明涉及航迹仪，尤其涉及一种基于航迹仪的高精度标绘控制方法。

背景技术

航迹仪是一种重要的舰船航海作业辅助设备，船舶航迹的实时标绘是通过实时接收由导航设备发送的纬度、经度值及各种绘图命令，通过数学模型的解算及直线插补运算后，产生绘图电机的控制脉冲序列，经功放电路驱动电动机执行，再经机械传动变成绘笔在纸海图上运动。

如图1所示，航迹仪首先接收导航设备发送舰船的实时经、纬度坐标(λ、Φ)，以计算机为控制中心，经过坐标投影变换得到纸海图的位置坐标(x、y)，再经过进一步转化为绘图电机的控制脉冲矢量(x1、y1)，最后通过传动机构控制绘笔绘图。

绘图电机控制系统硬件原理：采用2片8254可编程定时器、计数器芯片提供的4个计数器，其中两个计数器作为X、Y向走步脉冲计数器，另外两个计数器作为速度计数器；8255可编程接口芯片作为计数器的控制信号。速度计数器输出的速度方波，为X、Y向走步脉冲数计数器提供时钟信号。X、Y向走步脉冲计数器分别为X、Y方向提供绘图电机控制脉冲，其计数初值分别为代表当前X、Y方向走步数x1、y1，两个计数器作为X、Y向走步脉冲计数器，当两者同时计数完毕（走步结束）输出高电平，触发走步结束中断，执行相应中断服务程序后，等待执行下一次走笔操作。

在航迹仪研制过程中，通过提高各个传动零件的精度，以及采用合理的海图标绘解算数学模型，航迹仪绘图精度有了长足的进步，其标绘精度可达到常用海图全图幅（980mm）的0.1%，即1mm。标绘精度是航海人员非常重视的一个技术指标，直接关系到航海的安全。

随着现代技术的发展，现代舰船对航迹仪的精度要求越来越高，动态标绘精度要求达到小于常用海图全图幅的0.1%，即1mm。传统航迹仪通过显控台、GPS处理经纬度精确到0.01′,比如通过显控台、GPS传给航迹仪的纬度表示为±xx°xx.xx′，在1:10000海图上，0.01′的距离等于0.01×1852000/10000=1.852mm，因此，在处理较大比例尺海图，处理精度0.01′是无法满足现代舰船对航迹仪的精度要求。因此，高精度航迹仪处理经纬度精度为0.0001′， 通过显控台、GPS传给航迹仪的纬度表示为±xx°xx.xxxx′, 在1:10000海图上，0.0001′的距离等于0.01852mm，满足现代舰船对航迹仪的精度要求。然而，提高了航迹仪的处理精度，在航迹仪绘图电机的软件控制必须与之前的软件控制做较大改进才能避免出现致命性故障,才能正确处理万分之一分的经纬度。

通过对实际航行过程的研究发现，造成航迹仪标绘产生误差的一大重要因素为：处理来自显控台、GPS等设备传来的经纬度精度不足，只有百分之一分，因此有必要将此精度提高到万分之一分；同时，提高了处理精度后，如不对原有航迹仪绘图电机的控制软件做较大改进，肯定会出现故障和处理不善的现象，不能满足现代舰艇的需求。

因而，如何提供一种高精度航迹仪标绘控制的方法是本领域技术人员研究的方向。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供一种基于航迹仪的高精度标绘控制方法，能有效提高航迹仪的绘图精度，从而提高航迹仪的可靠性，并保证航迹仪的稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于航迹仪的高精度标绘控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）、设置通讯协议，使GPS传递给航迹仪的经纬度数据精确到0.00001′；

2）、航迹仪每秒接收一次GPS传来的数据，接收到GPS传来的数据后，控制系统利用海图标绘数学模型计算出移笔位置增量（，），再根据（，）计算出移笔在X、Y方向的移笔脉冲矢量（x1，y1），将此移笔脉冲矢量按顺序存入绘图命令模块；

3）、控制系统每隔一定时间间隔检测移笔电机动作是否结束，若是，从绘图命令模块中按先进先出方式调取一移笔脉冲矢量（x1，y1），准备进行移笔；

4）、控制系统根据该移笔脉冲矢量（x1，y1）确定移笔电机的方向，以控制绘笔在X、Y方向的移笔方向；

5）、控制系统根据该移笔脉冲矢量（x1，y1）的脉冲数（x1＇，y1＇），结合设定的算法计算出移笔脉冲在X、Y方向的频率，即计算出移笔在X、Y方向的移动速度；

6）、控制系统将移笔脉冲方向、数量以及移笔脉冲的频率传送至移笔电机驱动电路，从而控制移笔电机启动，进行绘图直至该脉冲矢量执行完毕；

7）、重复上述步骤2）—6）。

进一步地，所述控制系统提供4个8254计数器，其中两个作为X、Y方向的移笔脉冲计数器，提供X、Y方向的移笔脉冲；另外两个作为X、Y方向的移笔速度计数器，提供移笔脉冲的输出频率；

当X、Y方向的移笔脉冲数（x1＇，y1＇）均小于65335时，X、Y方向的移笔脉冲数计数器直接计数，当X和/或Y方向的移笔脉冲数大于65335时，则将（x1＇，y1＇）按同等比例分成若干段，保证各段X、Y方向的移笔脉冲数均小于65535，并通过X、Y方向的移笔脉冲数计数器逐一进行计数；

两个X、Y方向的8254移笔速度计数器，分别根据移笔脉冲数量设置相应的移笔脉冲频率，即设置8254移笔速度计数器初值；其中，移笔脉冲数值越大移笔速度越快，其相应8254移笔速度计数器初值就应越小，其具体设置方式如下表所示：

。

进一步地，第5）歩中设定的算法是：首先，比较X、Y方向的移笔脉冲计数器中移笔脉冲的数量，移笔脉冲数量大的方向，其对应的移笔速度计数器按设置的方式确定其计数器初值；

其次，X、Y方向的移笔脉冲计数器中移笔脉冲的数量较小的一方，即移笔速度慢的方向的8254移笔速度计数器初值根据移笔脉冲数之间的比值进行确定：

当x1＇≥y1＇，取k=x1＇/y1＇；此时如果k＞2且y1≤2，将Y方向8254移笔速度计数器初值设置为与X方向8254移笔速度计数器初值相同；否则将Y方向8254移笔速度计数器初值设置为X方向8254移笔速度计数器初值的k倍；

若x1＇<y1＇，取k= y1＇/x1＇；此时如果k＞2且x1≤2，将X方向8254移笔速度计数器初值设置为与Y方向8254移笔速度计数器初值相同，否则将X方向8254移笔速度计数器初值设置为Y方向8254移笔速度计数器初值的k倍。

进一步地，所述控制系统提供2个8255计数器，在第6）歩中，先根据第5）歩计算得到的移笔脉冲数量、脉冲频率分别设置2个8254移笔脉冲计数器和2个8254移笔速度计数器，然后通过设置2个8255计数器使其输出以下控制信号：两个作为绘笔在X、Y方向的移动方向控制信号；两个作为4个8254计数器的门控信号；门控信号带宽按设定的带宽算法进行计算并选择，门控信号输出后，移笔开始；该设定的门控信号带宽算法是：

当x1＇、y1＇任何一方小于等于2，且x1＇、y1＇中的较大值与较小值之比k大于2，门控信号带宽取10ms的较宽带宽，否则取5ms。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）将航迹仪处理精度从0.01′提高到0.0001′，能有效提高航迹仪的处理精度和标绘精度，本发明采用标绘控制方法能有效地保障标绘的可靠性、稳定性。

（2）将航迹仪处理精度从0.01′提高到0.0001′，地理坐标的变化量从0.01′变为0.0001′，变化0.0001′就处理，能有效提高航迹仪的实时性。

（3）本发明在保证产品成本不变的基础上，提高航迹仪处理精度和标绘精度，提高了产品可靠性。

（4）本发明涉及的操作简单、方便，不会给使用者增加更多的工作负担。

附图说明

图1为传统航迹仪的控制流程图。

图2本发明的控制流程图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图2，一种基于航迹仪的高精度标绘控制方法，首先启动航迹仪，然后输入海图参数信息：基准纬度、海图零位以及比例尺；具体控制方法包括如下步骤：

1）、设置通讯协议，使GPS传递给航迹仪的经纬度数据精确到0.0001′；所述通讯协议为：N(S)××××××××E(W)××××××××T××××××G<GR><LF>；其中，N(S)为纬度标志，数据格式：N(S)×××××××× 表示：北（南）××°××.××××′；E(W)为经度标志，数据格式：E(W)×××××××× 表示：东（西）××°××.××××′；G<GR><LF>表示信息来源，其中的“G”表示信息源为GPS。例如：N(S)12345678表示：北（南）12°34.5678′；E(W)12345678 表示：东（西）12°34.5678′。将航迹仪处理精度从0.01′提高到0.0001′，能有效提高航迹仪的处理精度和标绘精度，地理坐标的变化量从0.01′变为0.0001′，变化0.0001′就处理，能有效提高航迹仪的实时性。

2）、航迹仪每秒接收一次GPS传来的数据，即舰船的实际经、纬度坐标(λ、Φ)；接收到GPS传来的数据后，控制系统利用海图标绘数学模型计算出移笔位置增量（，），再根据（，）计算出移笔在X、Y方向的移笔脉冲矢量（x1，y1）（包括脉冲数量和方向），将此移笔脉冲矢量按顺序存入绘图命令模块。

所述海图标绘数学模型为：舰船从A点（，）航行一段距离后到达B点（，）时，舰船的位置增量（，）换算成海图上的位置增量（，）的计算过程为：

式中 — 地球椭球体偏心率，；

— 地球椭球体半长轴，；

— 基准纬度；

— 平均纬度，；

Mc — 赤道比例尺，；

Mz — 海图比例尺分母。

所述移笔脉冲数x1＇、y1＇计算方法为：

x1＇=

y1＇=

式中Mhx、Mhy分别为X、Y方向误差补偿参数。

3）、控制系统每隔一定时间间隔检测移笔电机动作是否结束，若是，从绘图命令模块中按先进先出方式调取一移笔脉冲矢量（x1，y1），准备进行移笔；若不是，则继续等待，直至下次时间间隔结束再次对移笔电机工作状态进行检测，如此重复，直至移笔电机结束动作。

所述控制系统提供4个8254计数器，其中两个作为X、Y方向的移笔脉冲计数器，提供X、Y方向的移笔脉冲；另外两个作为X、Y方向的移笔速度计数器，提供移笔脉冲的输出频率；

当X、Y方向的移笔脉冲数（x1＇，y1＇）均小于65335时，X、Y方向的移笔脉冲数计数器直接计数，当X和/或Y方向的移笔脉冲数大于65335时，则将（x1＇，y1＇）按同等比例分成若干段，保证各段X、Y方向的移笔脉冲数均小于65535，并通过X、Y方向的移笔脉冲数计数器逐一进行计数；

两个X、Y方向的8254移笔速度计数器，分别根据移笔脉冲数量设置相应的移笔脉冲频率，即设置8254移笔速度计数器初值；其中，移笔脉冲数值越大移笔速度越快，其相应8254移笔速度计数器初值就应越小，其具体设置方式如下表所示：

。

通过分别控制X方向和Y方向的移笔速度，从而能够更好地提高航迹仪的标绘精度。

4）、控制系统根据该移笔脉冲矢量（x1，y1）确定移笔电机的方向，以控制绘笔在X、Y方向的移笔方向。

5）、控制系统根据该移笔脉冲矢量（x1，y1）的脉冲数（x1＇，y1＇），结合设定的算法计算出移笔脉冲在X、Y方向的频率，即计算出移笔在X、Y方向的移动速度。

为了保证X、Y方向移笔的同步，即X、Y同时启动移笔，同时结束移笔，因此，移笔脉冲数量大的一方，其移笔速度快，移笔频率就高。因移笔速度计数器是以8254方波发生器执行，其具有自动重装时间常数(计数初值)的功能，输出连续不断的方波,让方波在一定时间长度范围内输出频率高的方波，相应的时间常数(计数初值)就越小。原则上，如果一方的移笔脉冲数是另一方的移笔脉冲数的K倍，则其相应速度计数器的计数初值应为另一方速度计数器的计数值的K分之一，但有特殊的情况；其算法是：

首先，比较X、Y方向的移笔脉冲计数器中移笔脉冲的数量，移笔脉冲数量大的方向，其对应的移笔速度计数器按设置的方式确定其计数器初值；

其次，X、Y方向的移笔脉冲计数器中移笔脉冲的数量较小的一方，即移笔速度慢的方向的8254移笔速度计数器初值根据移笔脉冲数之间的比值进行确定：

当x1＇≥y1＇，取k=x1＇/y1＇；此时如果k＞2且y1≤2，将Y方向8254移笔速度计数器初值设置为与X方向8254移笔速度计数器初值相同；否则将Y方向8254移笔速度计数器初值设置为X方向8254移笔速度计数器初值的k倍；若计算得到的值超过65535，则直接取值65535。

若x1＇<y1＇，取k= y1＇/x1＇；此时如果k＞2且x1≤2，将X方向8254移笔速度计数器初值设置为与Y方向8254移笔速度计数器初值相同，否则将X方向8254移笔速度计数器初值设置为Y方向8254移笔速度计数器初值的k倍；若计算得到的值超过65535，则直接取值65535。

采用该标绘控制方法能有效地保障标绘的可靠性、稳定性以及精确度。

6）、控制系统将移笔脉冲方向、数量以及移笔脉冲的频率传送至移笔电机驱动电路，从而控制移笔电机启动，进行绘图直至该脉冲矢量执行完毕。所述移笔电机采用步进电机，从而更便于进行精确控制。

所述控制系统提供2个8255计数器，在第6）歩中，先根据第5）歩计算得到的移笔脉冲数量、脉冲频率分别设置2个8254移笔脉冲计数器和2个8254移笔速度计数器，然后通过设置2个8255计数器使其输出以下控制信号：两个作为绘笔在X、Y方向的移动方向控制信号；两个作为4个8254计数器的门控信号；门控信号带宽按设定的带宽算法进行计算并选择，门控信号输出后，移笔开始；该设定的门控信号带宽算法是：

当x1＇、y1＇任何一方小于等于2，且x1＇、y1＇中的较大值与较小值之比k大于2，门控信号带宽取10ms的较宽带宽，否则取5ms。

从而保证脉冲信号能够充分地执行完毕。

7）、重复上述步骤2）—6）。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于航迹仪的高精度标绘控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)、设置通讯协议，使GPS传递给航迹仪的经纬度数据精确到0.00001′；

2)、航迹仪每秒接收一次GPS传来的数据，接收到GPS传来的数据后，控制系统利用海图标绘数学模型计算出移笔位置增量(Δx，Δy)，再根据(Δx，Δy)计算出移笔在X、Y方向的移笔脉冲矢量(x1、y1)，将此移笔脉冲矢量按顺序存入绘图命令模块；

3)、控制系统每隔一定时间间隔检测移笔电机动作是否结束，若是，从绘图命令模块中按先进先出方式调取一移笔脉冲矢量(x1，y1)，准备进行移笔；

4)、控制系统根据该移笔脉冲矢量(x1，y1)确定移笔电机的方向，以控制绘笔在X、Y方向的移笔方向；

5)、控制系统根据该移笔脉冲矢量(x1，y1)的脉冲数(x1＇，y1＇)，结合设定的算法计算出移笔脉冲在X、Y方向的频率，即计算出移笔在X、Y方向的移动速度；

所述设定的算法是：首先，比较X、Y方向的移笔脉冲计数器中移笔脉冲的数量，移笔脉冲数量大的方向，其对应的移笔速度计数器按设置的方式确定其计数器初值；

其次，X、Y方向的移笔脉冲计数器中移笔脉冲的数量较小的一方，即移笔速度慢的方向的8254移笔速度计数器初值根据移笔脉冲数之间的比值进行确定：

当x1＇≥y1＇，取k＝x1＇/y1＇；此时如果k＞2且y1≤2，将Y方向8254移笔速度计数器初值设置为与X方向8254移笔速度计数器初值相同；否则将Y方向8254移笔速度计数器初值设置为X方向8254移笔速度计数器初值的k倍；

若x1＇<y1＇，取k＝y1＇/x1＇；此时如果k＞2且x1≤2，将X方向8254移笔速度计数器初值设置为与Y方向8254移笔速度计数器初值相同，否则将X方向8254移笔速度计数器初值设置为Y方向8254移笔速度计数器初值的k倍；

6)、控制系统将移笔脉冲方向、数量以及移笔脉冲的频率传送至移笔电机驱动电路，从而控制移笔电机启动，进行绘图直至该脉冲矢量执行完毕；

所述控制系统提供2个8255计数器，先根据第5)歩计算得到的移笔脉冲数量、脉冲频率分别设置2个8254移笔脉冲计数器和2个8254移笔速度计数器，然后通过设置2个8255计数器使其输出以下控制信号：两个作为绘笔在X、Y方向的移动方向控制信号；两个作为4个8254计数器的门控信号；门控信号带宽按设定的带宽算法进行计算并选择，门控信号输出后，移笔开始；该设定的门控信号带宽算法是：

当x1＇、y1＇任何一方小于等于2，且x1＇、y1＇中的较大值与较小值之比k大于2，门控信号带宽取10ms的较宽带宽，否则取5ms；

7)、重复上述步骤2)—6)。

2.根据权利要求1所述的一种基于航迹仪的高精度标绘控制方法，其特征在于：所述控制系统提供4个8254计数器，其中两个作为X、Y方向的移笔脉冲计数器，提供X、Y方向的移笔脉冲；另外两个作为X、Y方向的移笔速度计数器，提供移笔脉冲的输出频率；

当X、Y方向的移笔脉冲数(x1＇、y1＇)均小于65335时，X、Y方向的移笔脉冲数计数器直接计数，当X和/或Y方向的移笔脉冲数大于65335时，则将(x1＇、y1＇)按同等比例分成若干段，保证各段X、Y方向的移笔脉冲数均小于65535，并通过X、Y方向的移笔脉冲数计数器逐一进行计数；

两个X、Y方向的8254移笔速度计数器，分别根据移笔脉冲数量设置相应的移笔脉冲频率，即设置8254移笔速度计数器初值；其中，移笔脉冲数值越大移笔速度越快，其相应8254移笔速度计数器初值就应越小，其具体设置方式如下表所示：

移笔脉冲数量 移笔速度计数器数初值 [0，1000] 280 [1001，5000] 200 [5001，10000] 180 [10001，20000] 120 [20001，65535] 80