DE102010052026A1 - Method for controlling semi-scale ship model over rotating drives of three sixty degrees, involves connecting channels to control unit, detecting actual position of servos, and passing actual position to control unit for evaluation - Google Patents

Method for controlling semi-scale ship model over rotating drives of three sixty degrees, involves connecting channels to control unit, detecting actual position of servos, and passing actual position to control unit for evaluation Download PDF

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Abstract

The method involves connecting an X-channel of a received signal of a remote controller to a control unit e.g. microcontroller, for evaluation. A Y-channel of the received signal of the remote controller is connected to the control unit for evaluation. An actual position of servos is detected by an angle sensor and passed to the control unit for evaluation. Pulse-width modulation (PWM) pulses are output from the control unit to actuate a speed controller to control a drive motor for a semi-scale ship model.

Description

Eine weitverbreitete Antriebsart auf Schiffen sind Antriebe, die in einer Art Gondel unterhalb des Schiffs angebracht und über 360 Grad hinaus durchgehend drehbar sind. Hauptsächlich gehören dazu POD-Antriebe (pod; engl. Gondel), aber auch Pump-Jet Antriebe, die sich aufgrund ihrer Bauart wesentlich von der konventionellen Antriebstechnik, mit einer feststehenden Antriebswelle, unterscheiden. POD Antriebe werden über eine Art Joystick bedient, über die sowohl die Antriebsleistung als auch der Winkel der Gondel verändert werden kann. Solche Antriebe werden von verschiedenen Firmen und unter den unterschiedlichsten Bezeichnungen vertrieben, so wie:
Ruderpropeller
Schottel-Antrieb
Twin-Propeller
Combi Drive
Propulsor
Propellergondel
Pod-Antrieb
Azipod® – registrierte Bezeichnung der Firma ABB
Pump-JetA common type of propulsion on ships is propulsion systems mounted in a kind of nacelle below the ship and rotatable through 360 degrees. This mainly includes POD drives (pod), but also pump-jet drives, which differ significantly from the conventional drive technology, with a fixed drive shaft due to their design. POD drives are operated via a kind of joystick, which can change both the drive power and the angle of the nacelle. Such drives are distributed by various companies and under a variety of names, such as:
Rudderpropeller
Schottel drive
Twin Propeller
Combi Drive
propulsor
Azipod
Pod drive
Azipod ® - registered name of the company ABB
Pump-Jet

Zum Steuern von Schiffsmodellen werden normalerweise handelsübliche Fernsteuerungen benutzt, wobei meistens ein Proportionalkanal für die Änderung der Fahrleistung (vor- und rückwärts) benutzt wird, sowie der zweite Proportionalkanal für die Fahrtrichtungsänderung nach links oder rechts.To control ship models usually commercial remote controls are used, usually a proportional channel for the change of driving performance (forward and reverse) is used, and the second proportional channel for the direction of change to the left or right.

Meistens werden dazu Joysticks verwendet, die im Sender integriert sind. Jede Position des Joysticks wird dazu in X- und Y-Richtung erfasst und über zwei Proportionalkanäle an den Empfänger im Modell übertragen.Mostly joysticks are used, which are integrated in the transmitter. Each position of the joystick is detected in the X and Y direction and transmitted via two proportional channels to the receiver in the model.

Der Empfänger wandelt diese Information in PWM Signale (engl. Pulse Width Modulation) um. Dabei erzeugt der Empfänger pro Kanal ein periodisches PWM Signal, das sich alle ca. 20 ms wiederholt und dabei – je nach Position des Joysticks – in der Impulslänge zwischen ca. 1,0 bis 2,0 ms variiert. Entsprechend der Mittelstellung des Joysticks, erzeugt der Empfänger einen PWM Impuls von ca. 1,5 ms.The receiver converts this information into PWM signals (Pulse Width Modulation). The receiver generates a periodic PWM signal per channel, which repeats every 20 ms and varies depending on the position of the joystick in the pulse length between approx. 1.0 to 2.0 ms. According to the center position of the joystick, the receiver generates a PWM pulse of approx. 1.5 ms.

An diesen PWM Signalen können Aktoren, wie Servos, Fahrtregler o. ä. angeschlossen werden.Actuators such as servos, speed controllers or similar can be connected to these PWM signals.

Die Impulsdiagramme zweier PWM Ausgänge eines Empfängers sind in der Zeichnung 1 ersichtlich. Aus einer Mittelstellung des Joysticks heraus verändern sich die Impulslängen zwischen 1,5 und 2,0 ms sowie zwischen 1,5 bis 1,0 ms.The pulse diagrams of two PWM outputs of a receiver can be seen in the drawing 1. From a middle position of the joystick, the pulse lengths change between 1.5 and 2.0 ms and between 1.5 and 1.0 ms.

Servos wandeln die variierende PWM Impulslänge in eine proportionale mechanische Bewegung um. Dabei erfolgt ein ständiger Abgleich zwischen der Sollposition und der Istposition, Regelabweichungen werden durch eine interne Regelung versucht auf Null auszuregeln. Der Stellbereich ist jedoch begrenzt, daher befindet sich der Servo bei einer PWM Impulslänge von ca. 1,5 ms in Mittelstellung.Servos convert the varying PWM pulse length into a proportional mechanical motion. In this case, there is a constant adjustment between the setpoint position and the actual position, control deviations are attempted by an internal control to zero out. However, the setting range is limited, so the servo is in the middle position with a PWM pulse length of approx. 1.5 ms.

Fahrtregler benutzen das PWM Signal vom Empfänger, um z. B. Antriebsmotoren stufenlos in beide Drehrichtungen zu steuern. Hier bedeutet meistens bei einer Mittelstellung des Joysticks (ca. 1,5 ms PMW Impulslänge), dass der Antriebsmotor sich nicht dreht. Abweichungen davon lassen den Antriebsmotor, je nach Impulslänge, links- oder rechts herum laufen.Speed controllers use the PWM signal from the receiver to B. steplessly drive motors in both directions of rotation. Here, usually with a middle position of the joystick (about 1.5 ms PMW pulse length), the drive motor does not turn. Deviations from this allow the drive motor to run left or right, depending on the pulse length.

Bisher ist eine Modellsteuerung von POD-Antrieben (Zeichnung 2) dadurch geprägt, dass der Stellbereich der Servos (1) begrenzt ist und damit ein unbegrenztes Drehen der Gondel (2) über 360 Grad hinaus nicht möglich ist. Dabei wird direkt ein Kanal zur Steuerung des Antriebsmotors (3), sowie der zweite Kanal zur Winkelverstellung der Gondel (2) benutzt.So far, a model control of POD drives (drawing 2) is characterized in that the adjustment range of the servos ( 1 ) and thus an unlimited turning of the nacelle ( 2 ) beyond 360 degrees is not possible. It is directly a channel for controlling the drive motor ( 3 ), as well as the second channel for the angular adjustment of the nacelle ( 2 ) used.

Der Stellweg der Gondel (2) wird über den Servo (1) gesteuert. Die Gondel (2) sowie der Servo (1) sind miteinander gekoppelt. Der Stellbereich der Gondel (2) ist jedoch aufgrund der Verwendung von Servos (1) begrenzt.The travel of the gondola ( 2 ) is via the servo ( 1 ) controlled. The gondola ( 2 ) as well as the servo ( 1 ) are coupled together. The adjustment range of the gondola ( 2 ) is due to the use of servos ( 1 ) limited.

Gerade diese unbegrenzten Ruderausschläge/Stellwinkel sind für ein vorbildähnliches Steuern von Schiffsmodellen mit POD-Antrieb erforderlich. Das Ziel ist es daher, ein vorbildähnliches Steuern über zwei Proportionalkanäle, mit den üblichen Fernsteuerungen, zu ermöglichen.Just these unlimited rudder / angle are required for a model-like control of ship models with POD drive. The aim is therefore to enable a model-like control over two proportional channels, with the usual remote controls.

Um das zu erreichen, müssen beide Proportionalkanäle der Fernsteuerung zusammenhängend ausgewertet werden. Parallel dazu muss die Istposition der Gondel (2) über einen Winkelsensor (7) erfasst werden.To achieve this, both proportional channels of the remote control must be evaluated coherently. In parallel, the actual position of the nacelle ( 2 ) via an angle sensor ( 7 ).

Anhand dieser Informationen lässt sich mithilfe einer Steuereinheit (z. B. über einen Mikrocontroller) bestimmen, in welche Richtung und Winkel die Gondel (2) ausgerichtet werden soll. Die Steuereinheit gibt je nach Größe der Soll-/Istabweichung einen PWM-Impuls von ca. 1,0 bis 2,0 ms Länge aus, um damit einen Fahrtregler (5) anzusteuern. An dem Fahrtregler (5) wird ein Stellmotor (4) angeschlossen, der die Gondel (2) in ihre Sollposition dreht. Dabei wird über die Steuereinheit versucht, die Soll-/Istabweichung möglichst auf Null auszuregeln.Using this information, a control unit (eg via a microcontroller) can be used to determine the direction and angle of the nacelle ( 2 ) should be aligned. Depending on the size of the setpoint / actual deviation, the control unit emits a PWM pulse of approximately 1.0 to 2.0 ms in length in order to use a speed controller ( 5 ) head for. At the speed controller ( 5 ) is a servomotor ( 4 ), which connects the gondola ( 2 ) turns into its set position. It is attempted via the control unit, the target / actual deviation as possible to zero out.

Ebenso wird aus der Kombination der X- und Y-Werte ermittelt, mit welcher Leistung der Antriebsmotor (3) drehen soll. Dabei ist es unerheblich, in welche Richtung der Joystick (8) verändert wird, die Drehrichtung des Antriebsmotors (3) ist immer dieselbe. Beim Entfernen des Joysticks (8) aus der Mittelstellung heraus, erfolgt eine Steigerung der Antriebsleistung bis auf Volllast, analog des Stellwegs bis zum Endanschlag. Auch hier dient ein PWM-Signal zur Ansteuerung eines Fahrtreglers (6), der wiederum den Antriebsmotor (3) ansteuert.Likewise, from the combination of the X and Y values, the power with which the drive motor ( 3 ) should turn. It does not matter in which direction the joystick ( 8th ), the direction of rotation of the drive motor ( 3 ) is always the same. When removing the joystick ( 8th ) from the middle position, there is an increase in the drive power up to full load, analogous to the travel to the end stop. Again, a PWM signal is used to control a cruise control ( 6 ), which in turn drives the drive motor ( 3 ).

Hier zwei Beispiele, wie die Steuerung von Modellschiffen vorbildähnlich aussehen soll.Here are two examples of how the control of model ships should look like a prototype.

In den Zeichnungen 3 und 4 sind jeweils die Draufsichten auf einen Joystick (8), sowie die Draufsichten auf die Gondel (2) mit dem angeschlossenen Propeller dargestellt. Dabei wird die Gondel (2) analog des Winkels vom Joystick (8) ausgerichtet (von der Neutral- oder Mittelstellung aus betrachtet).

  • 1. Beispiel, siehe Zeichnung 3: Antriebsleistung ca. 50%/Stell- oder Fahrtwinkel ca. 285 Grad
  • 2. Beispiel, siehe Zeichnung 4: Antriebsleistung ca. 100%/Stell- oder Fahrtwinkel ca. 165 Grad
In the drawings 3 and 4 are respectively the top views of a joystick ( 8th ), as well as the top views of the nacelle ( 2 ) with the connected propeller. The gondola ( 2 ) analogous to the angle of the joystick ( 8th ) (viewed from the neutral or center position).
  • Example 1, see drawing 3: Drive power approx. 50% / setting or travel angle approx. 285 degrees
  • Example 2, see drawing 4: Drive power approx. 100% / setting or travel angle approx. 165 degrees

Damit das Steuern und Fahren vorbildähnlich und in der Bedienung möglichst sicher wird, ist zumindest ein Toleranzbereich um die Mittelstellung des Joysticks (8) notwenig, da sich die Gondel (2) ansonsten durch minimale Änderungen an den beiden Steuersignalen unkontrolliert bewegen kann. Kleine Stelländerungen bewirken in diesem Bereich daher keine Positionsänderungen der Gondel (2).So that the control and driving is model-like and as safe as possible during operation, at least one tolerance range around the center position of the joystick ( 8th ), because the nacelle ( 2 ) can otherwise move uncontrolled by minimal changes to the two control signals. Small changes in position cause in this area therefore no changes in position of the nacelle ( 2 ).

Im Original ist eine Positionsänderung der Gondel (2) auch ohne Fahrleistung möglich, da sich der Joystick (8) vom Original im Vergleich zur Fernsteuerung etwas differenziert. Um auch dieses umzusetzen, wird ein weiterer Toleranzbereich benötigt, in dem Positionsänderungen der Gondel (2) – auch ohne Fahrleistung – möglich sind.In the original is a change in position of the gondola ( 2 ) even without driving performance, as the joystick ( 8th ) slightly differentiated from the original in comparison to the remote control. In order to implement this, another tolerance range is needed in which position changes of the nacelle ( 2 ) - even without driving performance - are possible.

Beide Toleranzbereiche sind in einem beschränkten Maß parametrierbar. Der Toleranzbereich R ist auf Null reduzierbar.

  • • Neutralbereich (N) = keine Positionsänderung der Gondel (2) und ohne Antriebsleistung
  • • Rotationsbereich (R) = Positionsänderung der Gondel (2) ohne Antriebsleistung
  • • Leistungsbereich (L) = Positionsänderung der Gondel (2) mit Antriebsleistung
Both tolerance ranges can be parameterized to a limited extent. The tolerance range R can be reduced to zero.
  • • Neutral range (N) = no position change of the nacelle ( 2 ) and without drive power
  • • Rotation range (R) = position change of the nacelle ( 2 ) without drive power
  • • Power range (L) = position change of the nacelle ( 2 ) with drive power

In der Zeichnung 6 (rechter Teil) ist auch ersichtlich, welche Bereiche veränderbar sind und wie sich die Impulslänge durch ein Verschieben des Joysticks (8) ändern.In the drawing 6 (right part) is also visible, which areas are changeable and how the pulse length by moving the joystick ( 8th ) to change.

Claims (2)

Das Verfahren zur vorbildähnlichen Steuerung von Schiffsmodellen mit über 360 Grad drehenden Antrieben ist dadurch gekennzeichnet, dass man folgende Informationen in einer Steuereinheit (z. B. einem Mikrocontroller) zusammenführt: a.) den X-Kanal des empfangenen Signals der Fernsteuerung zur Auswertung an eine Steuereinheit (z. B. einem Mikrocontroller) anbindet. b.) den Y-Kanal des empfangenen Signals der Fernsteuerung zur Auswertung an eine Steuereinheit (z. B. einem Mikrocontroller) anbindet. c.) die Ist-Position des Servos über einen Winkelsensor erfasst wird und an eine Steuereinheit (z. B. einem Mikrocontroller) zur Auswertung übergeben wird.The method for model-like control of ship models with drives rotating over 360 degrees is characterized in that the following information is combined in a control unit (eg a microcontroller): a) the X channel of the received signal of the remote control for evaluation to a Control unit (eg a microcontroller) binds. b.) the Y-channel of the received signal of the remote control for evaluation to a control unit (eg., A microcontroller) binds. c.) the actual position of the servo is detected via an angle sensor and transferred to a control unit (eg a microcontroller) for evaluation. Das Verfahren nach Anspruch 1, ist dadurch gekennzeichnet, dass man berechnete PWM-Impulse aus der Steuereinheit (z. B. eines Mikrocontrollers) ausgibt: d.) um einen Fahrtregler anzusteuern, der wiederum einen Antriebsmotor fürs Modell steuert. e.) um einen Fahrtregler anzusteuern, der wiederum einen Stellmotor ansteuert, um die Gondelposition zu verändern.The method according to claim 1, characterized in that one outputs calculated PWM pulses from the control unit (eg of a microcontroller): d.) to control a speed controller, which in turn controls a drive motor for the model. e.) to control a speed controller, which in turn controls a servomotor to change the nacelle position.
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