CN104615134B - 基于pc104和arm的船舶自航控制系统 - Google Patents
基于pc104和arm的船舶自航控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于PC104和ARM的船舶自航控制系统，包括：由电源模块、核心处理单元、底层驱动单元、数据采集单元组成的船载系统以及用于建立局域网环境的岸基通讯系统，电源模块与核心处理单元、底层驱动单元、数据采集单元相连并提供电能，核心处理单元与底层驱动单元、数据采集单元相连并传输指令信息、船舶姿态信息、舵角信息、螺旋桨转速信息，底层驱动单元与核心处理单元相连并传输指令信息、螺旋桨转速信息、舵角信息，数据采集单元与底层驱动单元、核心处理单元相连并传输船舶姿态信息、舵角信息、螺旋桨转速信息，岸基通讯系统通过无线通讯方式与船载系统中的数据采集单元相连并传输GPS信号。本发明可应用于使用直流电机、舵机、步进电机作为执行机构的这类自航船模。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种应用于船舶自航模航行的船舶工程领域的控制技术，具体是一种基于PC104和ARM的船舶自航控制系统。
背景技术
船舶工程领域，在船舶设计阶段通常要进行船模试验，即使用和所设计的船舶几何相似的船模进行阻力性能、耐波性能等各种试验。操纵性能是船舶一个重要性能之一，在实船建造之前，利用自由自航船模的物理试验研究船舶的操纵性能是一种重要且有效的方法，也是一种公认比较可靠的方法。具体实现方法是为船模安装运动系统，即安装合适的电机驱动螺旋桨、合适的舵机或步进电机驱动舵、无线遥控系统等等，使船模能够自由自航，用自由自航船模在操纵性水池或者天然水环境中进行标准操纵性试验，由试验测得船模运动参数、运动轨迹等能够表达船舶操纵性的数据，从而对船舶操纵性能进行预报和评估。但是通常情况下每一条试验船模，都要进行自航系统的搭建，这样设计出来的自航系统不具有可移植性，费时费力。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103303452A公开(公告)日
2013.09.18，公开了一种无舵自动走航的无人船，包括船体、两侧的浮筒、通讯单元、导航与定位单元、测量单元、动力及驱动单元、船体姿态测定单元、工控机、为上述各部分提供工作电源的电池。但该技术只针对无舵船模，不适用于带有舵机、步进电机的船模；同时该系统没有针对螺旋桨转速、舵角数据的反馈，不适用于船舶自航模试验。
发明内容
本发明针对现有技术存在的船模自航系统的可移植性、可重复使用方面的不足，提出一种基于PC104和ARM的船舶自航控制系统，通过应用PC104总线技术和ARM控制器技术，能够重复使用、快速移植，并且方便用户进行软件扩展，节省船舶自航试验阶段自航系统的开发和设计时间。可应用于使用直流电机、舵机、步进电机作为执行机构的这类自航船模。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于PC104和ARM的船舶自航控制系统，包括：由电源模块、作为核心处理单元的PC104工控机、作为底层驱动单元的ARM控制器、数据采集单元组成的船载系统以及用于建立局域网环境的岸基通讯系统，其中：电源模块与核心处理单元、底层驱动单元、数据采集单元相连并提供电能，核心处理单元与底层驱动单元、数据采集单元相连并传输指令信息、船舶姿态信息、舵角信息、螺旋桨转速信息，底层驱动单元与核心处理单元相连并传输指令信息、螺旋桨转速信息、舵角信息，数据采集单元与底层驱动单元、核心处理单元相连并传输船舶姿态信息、舵角信息、螺旋桨转速信息，岸基通讯系统通过无线通讯方式与船载系统中的数据采集单元相连并传输GPS信号。
技术效果
与现有技术相比，本发明的技术效果包括：
1.PC104模块、ARM控制器模块都具有体积小的特点，将它们整合在一起；将电源供电系统做成模块化；将数据采集系统做成模块化。整套系统可方便安装和拆卸，节省空间。
2.本发明预留了多路PWM、GPIO、UART接口，同时固化旋转编码器数据。对于使用直流电机、舵机、步进电机作为执行机构的这类自航船模，其中：舵机数量不超过2个，直流电机数量不超过4个，步进电机数量不超过2个，本发明可直接移植到这类船模上，只需做硬件连接、少部分程序修改，即可进行试验。
3.本发明所设计的船舶自航控制系统采用的PC104工控机，使用经典的WindowsXP操作系统，使用简单易学的Python语言进行上位机程序开发。方便用户进行应用程序的开发，具有很好的可开发行、可拓展性。
4.本发明实现在不同船模之间快速移植和更换，能够重复多次使用。
附图说明
图1为本发明船载系统示意图；
图2为本发明岸基系统示意图；
图3为本发明底层驱动程序流程图；
图4为本发明核心处理单元控制系统软件流程图；
图中：1锂电池(12V)、2锂电池(12V)、3DGPS天线、4开关、5开关、6数传电台、7变压器、8核心处理单元、9存储模块、10DGPS移动站、11无线网卡、12MEMS姿态方位参考模块、13底层驱动单元、14转速反馈旋转编码器、15舵角反馈旋转编码器、16执行机构、17岸基电脑、18无线路由器、19DGPS天线、20数传电台、21DGPS基站。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例包括：由电源模块、作为核心处理单元8的PC104工控机、作为底层驱动单元13的ARM控制器、数据采集单元组成的船载系统以及用于建立局域网环境的岸基通讯系统，其中：电源模块与核心处理单元8、底层驱动单元13、数据采集单元相连并提供电能，核心处理单元8与底层驱动单元13、数据采集单元相连并传输指令信息、船舶姿态信息、舵角信息、螺旋桨转速信息，底层驱动单元13与核心处理单元8相连并传输指令信息、螺旋桨转速信息、舵角信息，数据采集单元与底层驱动单元13、核心处理单元8相连并传输船舶姿态信息、舵角信息、螺旋桨转速信息，岸基通讯系统通过无线通讯方式与船载系统中的数据采集单元相连并传输GPS信号。
所述的核心处理单元8包括：第一定时模块、线程判断模块、按键检测模块、指令发送模块和存储模块9，其中：第一定时模块与存储模块9相连且周期性接收并保存来自数据采集单元的转速反馈旋转编码器14、15数据、DGPS数据和惯导数据，线程判断模块与按键检测模块相连并传输控制指令，按键检测模块与指令发送模块相连并在按键触发时由指令发送模块向底层驱动单元13输出对应指令。
所述的底层驱动单元13包括：第二定时模块、串口数据监测模块和控制指令生成模块，其中：第二定时模块与数据采集单元相连并定时将接收到的转速反馈旋转编码器14、15数据发送到核心处理单元8的存储模块9，串口数据监测模块分别与核心处理单元8的存储模块9、核心处理单元8的指令发送模块和控制指令生成模块相连，当串口数据监测模块接收到来自核心处理单元8的指令发送模块数据时依次进行数据有效性判断以及数据种类判断，并输出判断结果至控制指令生成模块，控制指令生成模块根据判断结果向执行机构16(如电机、舵机等)输出对应的控制信号；
所述的数据采集单元包括：差分GPS模块、惯性导航模块、螺旋桨转速反馈模块和舵角反馈模块，其中：差分GPS模块与核心处理单元8相连并传输船舶经纬度信息，惯性导航模块与核心处理单元8相连并传输船舶姿态信息，螺旋桨转速反馈模块与底层驱动单元13相连并传输螺旋桨转速数据，舵角反馈模块与底层驱动单元13相连并传输舵角度信息。
所述的差分GPS模块包括：由带有GPS天线19和数传电台20的基站处理器组成的基站21和由带有GPS天线3和数传电台6的移动站处理器组成的移动站10，其中：基站在岸上固定位置保持静止，基站与移动站之间通过各自数传电台6实现无线连接，移动站设置于移动目标上实时得到移动目标的首向角、运动速度、经纬度数值。
所述的惯性导航模块包括：MEMS姿态方位参考模块12，其中：MEMS姿态方位参考模块12通过串口协议向核心处理单元8发送三轴角加速度数据、三轴加速度数据以及三轴角度数据。
所述的螺旋桨转速反馈模块包括：转速反馈旋转编码器14，该转速反馈旋转编码器14分别与底层驱动单元13和电源模块相连，向底层驱动单元13传输螺旋桨转速数据。
所述的舵角反馈模块包括：舵角反馈旋转编码器15，该舵角反馈旋转编码器15分别与底层驱动单元13和电源模块相连，向底层驱动单元13传输舵角度数据。
所述的岸基通讯系统包括：岸基电脑17和无线路由器18，其中：岸基电脑17通过建立的局域网与船载核心处理单元8相连并传输远程桌面信息，无线路由器18与电源相连向外界发送局域网络信号。
所述的电源模块包括：分别带有第一开关4的第一锂电池1、带有第二开关5的第二锂电池2以及变压器7，其中：第二锂电池2分别为所述的核心处理单元8中的PC104主板以及差分GPS移动站供电，第一锂电池1一方面直接向所述的数据采集单元中的惯性导航模块供电，另一方面通过变压器7降压并输出5V电压，并分别为所述的底层驱动单元13中的底层驱动单元13、数据采集单元的转速反馈旋转编码器14、舵角反馈旋转编码器15供电。
如图3所示，所述的底层驱动单元13工作过程如下：
S1初始化：串口初始化、GPIO初始化、定时器初始化、PWM初始化；
S2底层驱动单元13分别判断定时时间、串口是否收到数据，具体为：
a)当定时时间到期则串口发送旋转编码器数据；否则继续等待；
b)当串口收到数据则判断接收到的数据有效则依次执行子步骤；否则继续检测串口数据；
Sb.1)当串口数据为舵机执行指令则分别产生两个舵机信号，否则执行下一子步骤；
Sb.2)当串口数据为电机执行指令则分别产生四个电机信号，否则执行下一子步骤；
Sb.3)当串口数据为步进电机执行指令则分别产生两个步进电机信号，否则执行下一子步骤；
Sb.4)当串口数据为停止标志指令则当前工作周期结束，否则继续等待。
如图4所示，所述的核心处理单元8工作过程如下：
S1单元初始化：线程初始化；电机、舵机、步进电机函数初始化；串口初始化；定时初始化；数据存储初始化；键盘初始化；系统初始化，串口初始化，GPIO初始化，定时器初始化，PWM初始化；
S2底层驱动单元13分别判断定时时间、键盘线程是否收到数据，具体为：
a)当定时时间到期则串口接收旋转编码器数据、DGPS数据、惯导数据并存储数据到存储模块；否则继续等待；
b)当键盘线程数据有效则依次执行以下子步骤；否则继续继续检测键盘；
Sb.1)当按键“Down”被按下则产生电机减速指令；否则执行下一子步骤；
Sb.2)当按键“Up”被按下则产生电机加速指令；否则执行下一子步骤；
Sb.3)当按键“Left”被按下则产生左转舵指令；否则执行下一子步骤；
Sb.4)当按键“Right”被按下则产生右转舵指令；否则执行下一子步骤；
Sb.5)当按键“F1”被按下则产生Z形操作指令；否则执行下一子步骤；
Sb.6)当按键“F2”被按下则产生舵角归零指令；否则执行下一子步骤；
Sb.7)当按键“F3”被按下则产生系统急停指令；否则执行下一子步骤；
Sb.8)当按键“ESC”被按下当前工作周期结束；否则继续继续检测键盘。
Claims (9)
1.一种基于PC104和ARM的船舶自航控制系统，其特征在于，包括：由电源模块、作为核心处理单元的PC104工控机、作为底层驱动单元的ARM控制器、数据采集单元组成的船载系统以及用于建立局域网环境的岸基通讯系统，其中：电源模块与核心处理单元、底层驱动单元、数据采集单元相连并提供电能，核心处理单元与底层驱动单元、数据采集单元相连并传输指令信息、船舶姿态信息、舵角信息、螺旋桨转速信息，底层驱动单元与核心处理单元相连并传输指令信息、螺旋桨转速信息、舵角信息，数据采集单元与底层驱动单元、核心处理单元相连并传输船舶姿态信息、舵角信息、螺旋桨转速信息，岸基通讯系统通过无线通讯方式与船载系统中的数据采集单元相连并传输GPS信号；
所述的核心处理单元包括：第一定时模块、线程判断模块、按键检测模块、指令发送模块和存储模块，其中：第一定时模块与存储模块相连且周期性接收并保存来自数据采集单元的旋转编码器数据、DGPS数据和惯导数据，线程判断模块与按键检测模块相连并传输控制指令，按键检测模块与指令发送模块相连并在按键触发时由指令发送模块向底层驱动单元输出对应指令；
该核心处理单元分别判断定时时间、键盘线程是否收到数据，并在定时时间到期时通过串口接收旋转编码器数据、DGPS数据、惯导数据并存储数据；当键盘线程数据有效时相应产生电机减速指令、电机加速指令、左转舵指令、右转舵指令、Z形操作指令、舵角归零指令或系统急停指令。
2.根据权利要求1所述的基于PC104和ARM的船舶自航控制系统，其特征是，所述的底层驱动单元包括：第二定时模块、串口数据监测模块和控制指令生成模块，其中：第二定时模块与数据采集单元相连并定时将接收到的旋转编码器数据发送到核心处理单元的存储模块，串口数据监测模块分别与核心处理单元的存储模块、核心处理单元的指令发送模块和控制指令生成模块相连，当串口数据监测模块接收到来自核心处理单元的指令发送模块数据时依次进行数据有效性判断以及数据种类判断，并输出判断结果至控制指令生成模块，控制指令生成模块根据判断结果向执行机构输出对应的控制信号；
该底层驱动单元分别判断定时时间、串口是否收到数据，并在定时时间到期时通过串口发送旋转编码器数据；当串口数据有效时相应产生舵机信号、电机信号或步进电机信号。
3.根据权利要求1所述的基于PC104和ARM的船舶自航控制系统，其特征是，所述的数据采集单元包括：差分GPS模块、惯性导航模块、螺旋桨转速反馈模块和舵角反馈模块，其中：差分GPS模块与核心处理单元相连并传输船舶经纬度信息，惯性导航模块与核心处理单元相连并传输船舶姿态信息，螺旋桨转速反馈模块与底层驱动单元相连并传输螺旋桨转速数据，舵角反馈模块与底层驱动单元相连并传输舵角度信息。
4.根据权利要求3所述的基于PC104和ARM的船舶自航控制系统，其特征是，所述的差分GPS模块包括：由带有GPS天线和数传电台的基站处理器组成的基站和由带有GPS天线和数传电台的移动站处理器组成的移动站，其中：基站在岸上固定位置保持静止，基站与移动站之间通过各自数传电台实现无线连接，移动站设置于移动目标上实时得到移动目标的首向角、运动速度、经纬度数值。
5.根据权利要求3所述的基于PC104和ARM的船舶自航控制系统，其特征是，所述的惯性导航模块包括：MEMS姿态方位参考模块，其中：MEMS姿态方位参考模块通过串口协议向核心处理单元发送三轴角加速度数据、三轴加速度数据以及三轴角度数据。
6.根据权利要求3所述的基于PC104和ARM的船舶自航控制系统，其特征是，所述的螺旋桨转速反馈模块包括：转速反馈旋转编码器，该旋转编码器分别与ARM控制器和电源模块相连，向ARM控制器传输螺旋桨转速数据。
7.根据权利要求3所述的基于PC104和ARM的船舶自航控制系统，其特征是，所述的舵角反馈模块包括：舵角反馈旋转编码器，该旋转编码器分别与ARM控制器和电源模块相连，向ARM控制器传输舵角度数据。
8.根据权利要求1所述的基于PC104和ARM的船舶自航控制系统，其特征是，所述的岸基通讯系统包括：岸基电脑和无线路由器，其中：岸基电脑通过建立的局域网与船载核心处理单元相连并传输远程桌面信息，无线路由器与电源相连向外界发送局域网络信号。
9.根据权利要求1所述的基于PC104和ARM的船舶自航控制系统，其特征是，所述的电源模块包括：带有开关的锂电池以及变压器，其中：一块锂电池分别为所述的核心处理单元中的PC104主板以及差分GPS移动站供电，另一块锂电池一方面直接向所述的数据采集单元中的惯性导航模块供电，另一方面通过变压器降压并输出5V电压，并分别为所述的底层驱动单元中的ARM控制器、数据采集单元的旋转编码器供电。
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Families Citing this family (6)
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| CN114047699A (zh) * | 2021-11-16 | 2022-02-15 | 江苏科技大学 | 面向无舵双推型船舶的自适应运动控制装置 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102692924A (zh) * | 2012-05-10 | 2012-09-26 | 西北工业大学 | 一种实验型无人水面船的控制结构 |
| CN103935505A (zh) * | 2014-03-06 | 2014-07-23 | 哈尔滨工程大学 | 一种船舶动力定位系统便携式手操盒 |
Family Cites Families (2)
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|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN103935505A (zh) * | 2014-03-06 | 2014-07-23 | 哈尔滨工程大学 | 一种船舶动力定位系统便携式手操盒 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 新概念潜浮平台自航模操控系统设计;蒲浩等;《上海交通大学学报》;20100930;第44卷(第9期);期刊第1313-1314页 * |
| 锚泊移位型工程船舶系统建模与控制研究;黄珍;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20101115(第11期);论文第96-101页 * |
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