CN109733585A - 一种船舶主机遥控操纵器油门档位的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的船舶主机遥控操纵器油门档位的控制方法，通过两个MEMS运动传感器分别将操纵手柄和操纵底座的当前的转动角速度数据实时传输至微控制器，由微控制器分别计算得到操纵手柄和操纵底座的当前转动角度，再计算操纵手柄转动后的空间向量并计算操纵手柄当前的实际转动角度，通过CAN通信电路将操纵手柄当前的实际转动角度数据传输至微控制器，最终由微控制器计算并确定操纵手柄当前的实际转动角度对应的实际油门档位，实现对船舶柴油发动机油门档位的远程操控和切换。该方法可有效消除船体在风浪等外力作用下发生晃动所导致的操纵手柄的转动，确保每次操纵手柄的转动都等同人为操作，从而保证对船舶柴油发动机油门档位的远程操控精度。

Description

一种船舶主机遥控操纵器油门档位的控制方法

技术领域

本发明属于船舶操控领域，具体是一种船舶主机遥控操纵器油门档位的控制方法。

背景技术

船舶上配备的主机遥控操纵器，是一种利用不同的档位来实现对船舶柴油发动机油门控制的人机操作设备。目前市面上的操纵器主要以电位器旋转作为不同档位的角度传感器，该角度传感器的缺点是：采用比例传动机械结构，体积大，无法小型化；对装配精度要求高；在使用过程会有物理磨损从而降低了旋转精度；安装形式单一，防水设计较难处理，防水性不好，防水等级一般为IP22，防水结构成本偏高。

MEMS传感器是惯性器件的一个大的种类，制造采用集成电路的加工工艺，明显区别于其他惯性传感器。其优点在于寿命更长、制造成本低廉且可靠性更高，同时具有体积更小、重量更轻、耗电量更小、易集成、能大批量生产等特点。随着MEMS技术快速发展，MEMS传感器性能越来越高，价格越来越低。在船用操纵器中使用MEMS运动传感器替代传统电位器具有明显的经济价值和技术价值。鉴于此，本发明基于MEMS传感器，提出一种船舶主机遥控操纵器油门档位的控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种操控精度高的船舶主机遥控操纵器油门档位的控制方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种船舶主机遥控操纵器油门档位的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、在船体安装主机遥控操纵器，该主机遥控操纵器包括操纵手柄、操纵底座、第一MEMS运动传感器和运动传感器处理模块，所述的运动传感器处理模块包括第二MEMS运动传感器、微控制器、CAN通信电路和电源管理电路，所述的电源管理电路用于向所述的第一MEMS运动传感器、第二MEMS运动传感器、微控制器和CAN通信电路供电，所述的操纵底座固定在船体上，所述的运动传感器处理模块安装在所述的操纵底座上，所述的第一MEMS运动传感器安装在所述的操纵手柄上，所述的操纵手柄可转动地安装在所述的操纵底座上，所述的操纵底座上设置有限位装置，所述的限位装置将所述的操纵手柄的转动角度限制在0～δ度范围内；

步骤二、设定船舶柴油发动机油门档位数量ρ，ρ为正整数，每个档位下操纵手柄的转动角度范围为δ/(ρ-1)；

步骤三、将主机遥控操纵器初始化，上电，获取第一MEMS运动传感器的绝对坐标系与第二MEMS运动传感器的绝对坐标系之间的夹角(α₀,β₀,γ₀)，将其保存在微控制器中，用于坐标系同步和校准；

步骤四、转动操纵手柄，第一MEMS运动传感器随操纵手柄转动，第一MEMS运动传感器采集操纵手柄当前的转动角速度(ω_x,ω_y,ω_z)并将当前的转动角速度数据实时传输至微控制器，第二MEMS运动传感器采集操纵底座当前的转动角速度(ω_x′,ω_y′,ω_z′)并将当前的转动角速度数据实时传输至微控制器，由微控制器分别计算得到操纵手柄的当前转动角度(α,β,γ)和操纵底座的当前转动角度(α′,β′,γ′)；

船体不晃动时，操纵底座的当前转动角度为(0,0,0)，此时操纵手柄的当前转动角度(α,β,γ)即为理论转动角度(α_x,β_y,γ_z)；当船体晃动时，α_x＝α-α₀-α′、β_y＝β-β₀-β′、γ_z＝γ-γ₀-γ′；

步骤五、计算操纵手柄转动后的空间向量v_rot，将操纵手柄相对于其绝对坐标X轴、Y轴和Z轴转动的空间向量分别记为v_x、v_y和v_z，v_x、v_y和v_z的计算表达式分别为：

v_x＝(cosθ_x)v+(1-cosθ_x)(v·k_x)k_x+(sinθ_x)k_x×v (1)

v_y＝(cosθ_y)v_x+(1-cosθ_y)(v_x·k_y)k_y+(sinθ_y)k_y×v_x (2)

v_z＝(cosθ_z)v_y+(1-cosθ_z)(v_y·k_z)k_z+(sinθ_z)k_z×v_y (3)

操纵手柄转动后的空间向量v_rot的表达式为：

v_rot＝v_z (4)

步骤六、计算操纵手柄当前的实际转动角度Angle，Angle的表达式为：

其中，式(1)～式(5)中，v为操纵手柄转动前的空间向量；k_x为以操纵手柄的绝对坐标X轴为旋转轴的单位向量；k_y为以操纵手柄的绝对坐标Y轴为旋转轴的单位向量；k_z为以操纵手柄的绝对坐标Z轴为旋转轴的单位向量；θ_x为空间向量v_x绕操纵手柄的绝对坐标X轴的转动角度，θ_x∈α_x；θ_y为空间向量v_y绕操纵手柄的绝对坐标Y轴的转动角度，θ_y∈β_y；θ_z为空间向量v_z绕操纵手柄的绝对坐标Z轴的转动角度，θ_z∈γ_z；|v_rot|为操纵手柄转动后的空间向量v_rot的模；|v|为操纵手柄转动前的空间向量的模；

步骤七、CAN通信电路将操纵手柄当前的实际转动角度Angle的数据传输至微控制器，由微控制器计算并确定操纵手柄当前的实际转动角度对应的实际油门档位，实现对船舶柴油发动机油门档位的远程操控和切换。

本发明控制方法通过第一MEMS运动传感器和第二MEMS运动传感器分别将操纵手柄当前的转动角速度数据和操纵底座当前的转动角速度数据实时传输至微控制器，由微控制器分别计算得到操纵手柄的当前转动角度和操纵底座的当前转动角度，再计算操纵手柄转动后的空间向量并计算操纵手柄当前的实际转动角度，通过CAN通信电路将操纵手柄当前的实际转动角度数据传输至微控制器，最终由微控制器计算并确定操纵手柄当前的实际转动角度对应的实际油门档位，实现对船舶柴油发动机油门档位的远程操控和切换。

本发明所用的第一MEMS运动传感器和第二MEMS运动传感器均有各自的X轴-Y轴-Z轴绝对坐标系，当旋转操纵手柄时，第一MEMS运动传感器的转动角度即当前档位下第一MEMS运动传感器的当前坐标系相对于其绝对坐标系发生的旋转角度。当船体在风浪等外力作用下发生晃动时，第一MEMS运动传感器和第二MEMS运动传感器相对船体而言发生相同角度的转动，通过第二MEMS运动传感器的转动角度抵消船体晃动所引起的操纵手柄上的第一MEMS运动传感器的转动角度，确保每次操纵手柄的转动都等同人为操作，从而保证对船舶柴油发动机油门档位的远程操控精度。

作为优选，所述的第一MEMS运动传感器和所述的第二MEMS运动传感器的型号均为MPU6050，所述的电源管理电路为TPS5410开关型降压供电电路，所述的CAN通信电路的型号为TJA1050，所述的微控制器的型号为STM32F103C8T6。

进一步地，所述的第一MEMS运动传感器和所述的第二MEMS运动传感器均包括16位ADC的3轴陀螺仪、16位ADC的3轴加速度计以及内置滤波算法的DMP数字运动处理引擎。上述第一MEMS运动传感器和第二MEMS运动传感器赋予数据驱动的装置扩展功能。利用第一MEMS运动传感器和第二MEMS运动传感器采集用户的操纵使用习惯，通过大数据分析，能够对用户的习惯进行建模，进一步优化产品。

作为优选，所述的限位装置将所述的操纵手柄的转动角度限制在0～120°范围内；步骤二中，设定船舶柴油发动机油门档位数量ρ＝11，每个档位下操纵手柄的转动角度范围为12°。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明船舶主机遥控操纵器油门档位的控制方法能够有效消除船体在风浪等外力作用下发生晃动所导致的操纵手柄的转动，确保每次操纵手柄的转动都等同人为操作，从而保证对船舶柴油发动机油门档位的远程操控精度；

2、本发明控制方法中，以数字式第一MEMS运动传感器和第二MEMS运动传感器替代了传统比例传动机械结构，使得操纵器旋转检测更精确，操控精度更高，且第一MEMS运动传感器和第二MEMS运动传感器体积小，无需考虑安装误差，安装方便，有利于操纵器的小型化，并使操纵器的结构更加简单有效；

3、本发明控制方法中所用主机遥控操纵器的使用年限长，相比于传统的电位器机械摩擦降低操纵器使用寿命，本发明采用的MEMS运动传感器对操纵器几乎没有寿命影响；同时本发明控制方法中所用主机遥控操纵器的防水等级可达IP65。

附图说明

图1为本发明所用主机遥控操纵器的外观示意图；

图2为本发明的原理示意图；

图3为第一MEMS运动传感器的绝对坐标系的示意图；

图4为第二MEMS运动传感器的绝对坐标系的示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例的一种船舶主机遥控操纵器油门档位的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、在船体安装主机遥控操纵器，如图1和图2所示，该主机遥控操纵器包括操纵手柄1、操纵底座2、第一MEMS运动传感器3和运动传感器处理模块4，运动传感器处理模块4包括第二MEMS运动传感器5、微控制器6、CAN通信电路7和电源管理电路8，电源管理电路8用于向第一MEMS运动传感器3、第二MEMS运动传感器5、微控制器6和CAN通信电路7供电，操纵底座2固定在船体上，运动传感器处理模块4安装在操纵底座2上，第一MEMS运动传感器3安装在操纵手柄1上，操纵手柄1可转动地安装在操纵底座2上，操纵底座2上设置有限位装置，限位装置将操纵手柄1的转动角度限制在0～120°范围内；

步骤二、设定船舶柴油发动机油门档位数量ρ＝11，ρ为正整数，每个档位下操纵手柄1的转动角度范围为δ/(ρ-1)＝120/(11-1)＝12°；

步骤三、将主机遥控操纵器初始化，上电，获取第一MEMS运动传感器3的绝对坐标系(如图3所示)与第二MEMS运动传感器5的绝对坐标系(如图4所示)之间的夹角(α₀,β₀,γ₀)，将其保存在微控制器6中，用于坐标系同步和校准；

步骤四、转动操纵手柄1，第一MEMS运动传感器3随操纵手柄1转动，第一MEMS运动传感器3采集操纵手柄1当前的转动角速度(ω_x,ω_y,ω_z)并将当前的转动角速度数据实时传输至微控制器6，第二MEMS运动传感器5采集操纵底座2当前的转动角速度(ω_x′,ω_y′,ω_z′)并将当前的转动角速度数据实时传输至微控制器6，由微控制器6分别计算得到操纵手柄1的当前转动角度(α,β,γ)和操纵底座2的当前转动角度(α′,β′,γ′)；

船体不晃动时，操纵底座2的当前转动角度为(0,0,0)，此时操纵手柄1的当前转动角度(α,β,γ)即为理论转动角度(α_x,β_y,γ_z)；当船体晃动时，α_x＝α-α₀-α′、β_y＝β-β₀-β′、γ_z＝γ-γ₀-γ′；

步骤五、计算操纵手柄1转动后的空间向量v_rot，将操纵手柄1相对于其绝对坐标X轴、Y轴和Z轴转动的空间向量分别记为v_x、v_y和v_z，v_x、v_y和v_z的计算表达式分别为：

v_x＝(cosθ_x)v+(1-cosθ_x)(v·k_x)k_x+(sinθ_x)k_x×v (1)

v_y＝(cosθ_y)v_x+(1-cosθ_y)(v_x·k_y)k_y+(sinθ_y)k_y×v_x (2)

v_z＝(cosθ_z)v_y+(1-cosθ_z)(v_y·k_z)k_z+(sinθ_z)k_z×v_y (3)

操纵手柄1转动后的空间向量v_rot的表达式为：

v_rot＝v_z (4)

步骤六、计算操纵手柄1当前的实际转动角度Angle，Angle的表达式为：

其中，式(1)～式(5)中，v为操纵手柄1转动前的空间向量；k_x为以操纵手柄1的绝对坐标X轴为旋转轴的单位向量；k_y为以操纵手柄1的绝对坐标Y轴为旋转轴的单位向量；k_z为以操纵手柄1的绝对坐标Z轴为旋转轴的单位向量；θ_x为空间向量v_x绕操纵手柄1的绝对坐标X轴的转动角度，θ_x∈α_x；θ_y为空间向量v_y绕操纵手柄1的绝对坐标Y轴的转动角度，θ_y∈β_y；θ_z为空间向量v_z绕操纵手柄1的绝对坐标Z轴的转动角度，θ_z∈γ_z；|v_rot|为操纵手柄1转动后的空间向量v_rot的模；|v|为操纵手柄1转动前的空间向量的模；

步骤七、CAN通信电路7将操纵手柄1当前的实际转动角度Angle的数据传输至微控制器6，由微控制器6计算并确定操纵手柄1当前的实际转动角度对应的实际油门档位，实现对船舶柴油发动机油门档位的远程操控和切换。

本实施例中，第一MEMS运动传感器3和第二MEMS运动传感器5的型号均为MPU6050，电源管理电路8为TPS5410开关型降压供电电路，CAN通信电路7的型号为TJA1050，微控制器6的型号为STM32F103C8T6；第一MEMS运动传感器3和第二MEMS运动传感器5均包括16位ADC的3轴陀螺仪、16位ADC的3轴加速度计以及内置滤波算法的DMP数字运动处理引擎，官方下载DMP固件库即可实现将3轴陀螺仪和加速度计的数据进行接收和处理，直接输出。

本发明控制方法的原理：过第一MEMS运动传感器3和第二MEMS运动传感器5分别将操纵手柄1的当前的转动角速度数据和操纵底座2的当前的转动角速度数据实时传输至微控制器6，由微控制器6分别计算得到操纵手柄1的当前转动角度和操纵底座2的当前转动角度，再计算操纵手柄1转动后的空间向量并计算操纵手柄1当前的实际转动角度，通过CAN通信电路7将操纵手柄1当前的实际转动角度数据传输至微控制器6，最终由微控制器6计算并确定操纵手柄1当前的实际转动角度对应的实际油门档位，实现对船舶柴油发动机油门档位的远程操控和切换。

本发明所用的第一MEMS运动传感器3和第二MEMS运动传感器5均有各自的X轴-Y轴-Z轴绝对坐标系，当旋转操纵手柄1时，第一MEMS运动传感器3的转动角度即当前档位下第一MEMS运动传感器3的当前坐标系相对于其绝对坐标系发生的旋转角度。

当船体在风浪等外力作用下发生晃动时，第一MEMS运动传感器3和第二MEMS运动传感器5相对船体而言发生相同角度的转动，通过第二MEMS运动传感器5的转动角度抵消船体晃动所引起的操纵手柄1上的第一MEMS运动传感器3的转动角度，确保每次操纵手柄1的转动都等同人为操作，从而保证对船舶柴油发动机油门档位的远程操控精度。

Claims (4)

1.一种船舶主机遥控操纵器油门档位的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在船体安装主机遥控操纵器，该主机遥控操纵器包括操纵手柄、操纵底座、第一MEMS运动传感器和运动传感器处理模块，所述的运动传感器处理模块包括第二MEMS运动传感器、微控制器、CAN通信电路和电源管理电路，所述的电源管理电路用于向所述的第一MEMS运动传感器、第二MEMS运动传感器、微控制器和CAN通信电路供电，所述的操纵底座固定在船体上，所述的运动传感器处理模块安装在所述的操纵底座上，所述的第一MEMS运动传感器安装在所述的操纵手柄上，所述的操纵手柄可转动地安装在所述的操纵底座上，所述的操纵底座上设置有限位装置，所述的限位装置将所述的操纵手柄的转动角度限制在0～δ度范围内；

步骤二、设定船舶柴油发动机油门档位数量ρ，ρ为正整数，每个档位下操纵手柄的转动角度范围为δ/(ρ-1)；

步骤三、将主机遥控操纵器初始化，上电，获取第一MEMS运动传感器的绝对坐标系与第二MEMS运动传感器的绝对坐标系之间的夹角(α₀，β₀，γ₀)，将其保存在微控制器中，用于坐标系同步和校准；

步骤四、转动操纵手柄，第一MEMS运动传感器随操纵手柄转动，第一MEMS运动传感器采集操纵手柄当前的转动角速度(ω_x，ω_y，ω_z)并将当前的转动角速度数据实时传输至微控制器，第二MEMS运动传感器采集操纵底座当前的转动角速度(ω_x′，ω_y′，ω_z′)并将当前的转动角速度数据实时传输至微控制器，由微控制器分别计算得到操纵手柄的当前转动角度(α，β，γ)和操纵底座的当前转动角度(α′，β′，γ′)；

船体不晃动时，操纵底座的当前转动角度为(0，0，0)，此时操纵手柄的当前转动角度(α，β，γ)即为理论转动角度(α_x，β_y，γ_z)；当船体晃动时，α_x＝α-α₀-α′、β_y＝β-β₀-β′、γ_z＝γ-γ₀-γ′；

步骤五、计算操纵手柄转动后的空间向量v_rot，将操纵手柄相对于其绝对坐标X轴、Y轴和Z轴转动的空间向量分别记为v_x、v_y和v_z，v_x、v_y和v_z的计算表达式分别为：

v_x＝(cosθ_x)v+(1-cosθ_x)(v·k_x)k_x+(sinθ_x)k_x×v (1)

v_y＝(cosθ_y)v_x+(1-cosθ_y)(v_x·k_y)k_y+(sinθ_y)k_y×v_x (2)

v_z＝(cosθ_z)v_y+(1-cosθ_z)(v_y·k_z)k_z+(sinθ_z)k_z×v_y (3)

操纵手柄转动后的空间向量v_rot的表达式为：

v_rot＝v_z (4)

步骤六、计算操纵手柄当前的实际转动角度Angle，Angle的表达式为：

其中，式(1)～式(5)中，v为操纵手柄转动前的空间向量；k_x为以操纵手柄的绝对坐标X轴为旋转轴的单位向量；k_y为以操纵手柄的绝对坐标Y轴为旋转轴的单位向量；k_z为以操纵手柄的绝对坐标Z轴为旋转轴的单位向量；θ_x为空间向量v_x绕操纵手柄的绝对坐标X轴的转动角度，θ_x∈α_x；θ_y为空间向量v_y绕操纵手柄的绝对坐标Y轴的转动角度，θ_y∈β_y；θ_z为空间向量v_z绕操纵手柄的绝对坐标Z轴的转动角度，θ_z∈γ_z；|v_rot|为操纵手柄转动后的空间向量v_rot的模；|v|为操纵手柄转动前的空间向量的模；

步骤七、CAN通信电路将操纵手柄当前的实际转动角度Angle的数据传输至微控制器，由微控制器计算并确定操纵手柄当前的实际转动角度对应的实际油门档位，实现对船舶柴油发动机油门档位的远程操控和切换。

2.根据权利要求1所述的一种船舶主机遥控操纵器油门档位的控制方法，其特征在于，所述的第一MEMS运动传感器和所述的第二MEMS运动传感器的型号均为MPU6050，所述的电源管理电路为TPS5410开关型降压供电电路，所述的CAN通信电路的型号为TJA1050，所述的微控制器的型号为STM32F103C8T6。

3.根据权利要求2所述的一种船舶主机遥控操纵器油门档位的控制方法，其特征在于，所述的第一MEMS运动传感器和所述的第二MEMS运动传感器均包括16位ADC的3轴陀螺仪、16位ADC的3轴加速度计以及内置滤波算法的DMP数字运动处理引擎。

4.根据权利要求1所述的一种船舶主机遥控操纵器油门档位的控制方法，其特征在于，所述的限位装置将所述的操纵手柄的转动角度限制在0～120°范围内；步骤二中，设定船舶柴油发动机油门档位数量ρ＝11，每个档位下操纵手柄的转动角度范围为12°。