专利名称：船用自动驾驶仪的制作方法
技术领域：
本 发明涉及确定目标方位从而操纵行驶的系统，尤其涉及一种船用自动驾驶仪。
背景技术：
目前自动驾驶仪在国内船艇中很少使用，而少数船艇中所使用的自动驾驶仪都属于老一代的模拟电路和继电器式驾驶仪，存在着故障率高、功能少、操作困难、尤其是航线不准确等缺点，不能为广大用户所接受。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种航线准确、方便操控的船用自动驾驶仪。
本发明通过以下的技术方案来实现设计制造一种船用自动驾驶仪，包括用于采集、处理和监控船舶行驶方向的主机单元以及用于向主机单元发出操舵指令和显示船舶行驶状态的面板控制单元，所述主机单元包括中央处理器，用于读取和处理航行数据，指挥和控制航行方向；存储器，存放有偏航设置角度、舵限制角度、罗经修正量数据，供所述中央处理器调用；GPS信号单元，用于把GPS信号送入中央处理器进行识别处理，由中央处理器调解并输出导航方位信号；罗经信号处理单元，用于采集反映航行状态信息的罗经信号并把该罗经信号送入中央处理器进行处理，处理后的数字信号通过数据线输送到面板控制单元显示；左右舵监测、修正和控制单元，用于采集左右舵的方向信号，该左右舵的方向信号被分成两路，一路送到面板控制单元作为舵表指示，另一路通过左右舵比较电路、中央处理器和天气控制电路的比较和计算获得左右舵的方向修正量，由中央处理器发出左右舵的操作指令；报警电路，用于当所述中央处理器判断出现航向偏差或需要值班报警时发出警报声。
所述面板控制单元包括与主机单元的信号输入端连接的按键开关电路、舵角调节旋钮、反舵角调节旋钮、天气调节旋钮、航向指示、舵角指示和状态指示灯。
另外，本发明的船用自动驾驶仪还包括与主机单元有线或无线连接的遥控电路。
所述GPS信号单元包括与中央处理器的输入端连接的NMEA信号输入和耦合放大电路以及与中央处理器的输出端连接的放大电路和NMEA信号输出。
所述罗经信号处理单元包括罗经传感器、与所述罗经传感器输入端连接的振荡器和放大电路，所述罗经传感器的信号输出经LC滤波电路、整流电路、RC匹配电路、正、余比较电路连接所述中央处理器的信号输入端。
所述左右舵监测、修正和控制单元包括顺序单向连接的舵反应器、左右舵比较电路、运算比较电路和天气控制电路，该天气控制电路的输出端分成两路，一路接左舵控制电路、左舵驱动电路和左舵电磁阀，另一路接右舵控制电路、右舵驱动电路和右舵电磁阀；所述中央处理器的信号输入和输出端分别连接所述左右舵比较电路和运算比较电路，所述天气控制电路的输入端还连接面板控制单元。
所述报警电路包括与中央处理器的信号输入端连接的警报驱动电路和蜂鸣器以及与所述警报驱动电路的输出端连接的外接警报器。
所述中央处理器将所述罗经信号处理单元传送来的罗经方位信号与通过面板控制单元手动设置的方位、或通过遥控电路遥控设置的方位、或通过GPS信号单元接收的卫星信号的方位进行处理比较，然后在39脚输出比较信号电平给所述左右舵监测、修正和控制单元的运算比较电路与舵信号进行比较。
所述遥控电路包括由D91～D98、R91～R102、C91～C94组成的遥控匹配电路，当外接遥控器是方向盘或驾驶柄时，所述中央处理器将对遥控信号自动识别。
所述GPS信号单元的GPS信号经包括R71、D71、U5元件的光电耦合输入电路，在U5的6脚输出到中央处理器进行识别处理，由中央处理器调解出航线方位信号。
与现有技术相比较，本发明的自动驾驶仪将数字电路和模拟电路相结合，采用了高性能的8位微处理器进行各功能转换和处理，简化了电路元件和加强了可靠性，可设置磁罗经的方位角度进行自动行驶，并能进行航线监视并修改和报警，功能强大；同时设计了GPS(全球定位系统)输入电路，连接GPS单元的NMEA0183数据信号，使自动驾驶仪能按照GPS单元的航线行驶，因而航线更加准确；此外，还可连接有线遥控器在驾驶室外进行操舵，使驾驶员能简易、方便地操控船只，特别适合于各种中小型渔船中使用。
图1是本发明船用自动驾驶仪的面板控制单元2的外观图；图2是本发明船用自动驾驶仪的主机单元1的一级原理方框图；图3是本发明船用自动驾驶仪的主机单元1的二级原理方框图；图4是所述面板控制单元2的原理方框图；图5是所述主机单元1的电路原理图；图6是所述面板控制单元2的电路原理图。
具体实施例方式
下面结合附图及最佳实施例对本发明作进一步详尽的描述。
本发明的船用自动驾驶仪主要由用于采集、处理和监控船舶行驶方向的主机单元1以及用于向主机单元1发出操舵指令和显示船舶行驶状态的面板控制单元2组成，如图1所示，所述主机单元1包括中央处理器U101，用于读取和处理航行数据，指挥和控制航行方向；存储器U102，与中央处理器U101双向连接，存放有偏航设置角度、舵限制角度、罗经修正量数据，供所述中央处理器U101调用；GPS信号单元11，与中央处理器U101的双向连接，用于把GPS信号送入中央处理器U101进行识别处理，由中央处理器U101调解并输出导航方位信号；罗经信号处理单元12，与中央处理器U101的输入端连接，用于采集反映航行状态信息的罗经信号并把该罗经信号送入中央处理器U101进行处理，处理后的数字信号通过数据线输送到面板控制单元2显示；左右舵监测、修正和控制单元13，与中央处理器U101和面板控制单元2双向连接，用于采集左右舵的方向信号，该左右舵的方向信号被分成两路，一路送到面板控制单元2作为舵表指示，另一路通过左右舵比较电路、中央处理器U101和天气控制电路的比较和计算获得左右舵的方向修正量，由中央处理器U101发出左右舵的操作指令；报警电路14，与中央处理器U101的输出端连接，用于当所述中央处理器U101判断出现航向偏差或需要值班报警时发出警报声。
如图1和4所示，所述面板控制单元2的壳体通过螺丝28连接到支架29上，壳体内设置有与主机单元1的信号输入端连接的按键开关电路21、指示灯驱动电路、数字显示电路等；其控制面板上设置有所述按键开关电路21的按键组211、舵角调节旋钮22、反舵角调节旋钮23、天气调节旋钮24、航向指示25、舵角指示26、状态指示灯27和航向调节旋钮20。上述各调节旋钮与主机单元1的信号输入端连接，舵角指示26则与主机单元1双向连接。矩阵按键开关电路由K01-K08和A0-A2组成，可完成各种功能转换和设置，设置数据可存入EEPROM存储器，不易丢失资料。
本发明的船用自动驾驶仪的工作原理参见图5所示的主机单元1的电路原理图和图6所示的面板控制单元2的电路原理图。
一、电源部分当船用供电加入驾驶仪时，经15A保险丝到调整管Q201的E极，在C极调整输出+11VDC向U2、U3、U4运算放大电路等电路提供工作电压。Q202和ZD201等构成Q201的偏置电路，电阻R204、R205、Q203组成比较电路。
当电源开关K201接通时，Q202的E极经电阻R203接地，Q202开始工作，将Q201的B极电位拉低使其导通。Q201的C极输出电压另一路经Q203的E极输出比较电压，调节Q202的E极电位，从而达到稳压目的。在Q201的C极输出+11VDC另一路经U201三端稳压器稳压为+5VDC，供给中央处理器和面板显示电路等的工作电压。如图5所示。
二、整机工作原理如图3、图5和图6所示，主机单元1的所有功能都由中央处理器U101(KZ3853L)读取和控制。当开始工作时，X101提供中央处理器U101的工作频率3.68MHZ，中央处理器U101初始化程序后读取存储器U102(93C46)的数据，该存储器U102可存放偏航设置角度、舵限制角度、罗经修正等数据。然后中央处理器U101将送来的罗经信号进行A-D处理后显示出罗经方位和各功能指示灯，将仪器置于待机模式，然后等待操作指令。
所述罗经信号处理单元12包括依次单向连接至中央处理器U101信号输入端的振荡器、放大电路、罗经传感器、滤波电路、整流电路、RC匹配电路和正、余弦比较电路。振荡器为由U1(MC14060)、X1(800KHZ)等组成的1.5KHZ的频率振荡电路，振荡脉冲经Q1、Q2、Q3放大后输送给外部罗经传感器以切割磁场，使罗经传感器的感应信号精确度提高，由罗经返回的磁场信号经滤波电路LC1、LC2、LC3、LC4滤波，由D5-D12将其整流成电平信号，经U2A、U2B(LM324)比较放大后输出的正弦和余弦信号送入中央处理器U101进行处理和监视，经中央处理器U101处理后方位数字信号通过数据线输送到面板控制单元2的显示电路，由控制单元2的控制面板上的数字管显示出当前的航向度数，使驾驶员能非常清楚地看到本船的航向。此外，本发明的自动驾驶仪还设计了软件磁性补偿，如果罗经在不同方位有不同偏差时(特别是钢铁船)，可由中央处理器U101进行磁性补偿。
所述面板控制单元2的显示电路由U1、U2、U3(SL74HC573)和LED1、LED2、LED3等组成，中央处理器U101送来的数字信号经U1、U2、U3进行转换，驱动LED1、LED2、LED3以显示相应的数字。当中央处理器U101送来的数据信号中包含有舵限制信号时，U1、U2、U3将驱动LED1、LED2、LED3显示舵限制信息S_L或P_L字样，同时输出左、右舵限制信号至舵控制电路进行控制。
所述中央处理器U101将罗经信号处理单元12传送来的罗经方位信号与通过面板控制单元2手动设置的方位(自动模式)、或通过遥控电路15遥控设置的方位(遥控模式)、或通过GPS信号单元11接收的卫星信号的方位(卫星模式)进行处理比较，然后在39脚输出比较信号电平给所述左右舵监测、修正和控制单元13的运算比较电路与舵信号进行比较。
所述左右舵监测、修正和控制单元13包括顺序单向连接的舵反应器、左右舵比较电路、运算比较电路和天气控制电路，该天气控制电路的输出端分成两路，一路接左舵控制电路、左舵驱动电路和左舵电磁阀，另一路接右舵控制电路、右舵驱动电路和右舵电磁阀。所述中央处理器U101的信号输入和输出端分别连接所述左右舵比较电路和运算比较电路，所述天气控制电路的输入端还连接面板控制单元2。外部舵反应器输入的舵信号分为二路，一路送到面板控制单元2的舵角指示26，另一路经U3B运算器差分出左、右舵信号电平。一路送到中央处理器U101检测舵度数，当出现航向偏差，舵度数超过设置的舵限制度数时，中央处理器U101将输出舵限制信号，同时发出警报；另一路送入U3D(LM324)等元件组成的比较电路，与中央处理器U101的39脚送来的差别信号电平进行比较，比较出来的修正信号再送入由U4A、U4B(LM324)等元件组成的天气控制电路，由面板控制单元2控制面板上的天气控制旋钮24调节其灵敏度。调节好的修正信号电平送到由U4C、U4D(LM324)等元件组成的左、右舵控制电路，通过电磁阀驱动电路驱动电磁阀门，使油压舵转动而达到修正的目的。如无限制信号时，U4C、U4D的8脚或14脚将输出驱动电压控制左、右舵的电磁阀驱动电路。其中，由Q10、Q12、Q13等组成右舵驱动电路，Q11、Q14、Q15等组成左舵驱动电路。由于电磁阀驱动电路需要频繁的大电流工作，它由4只大功率的E-FET场效应管组成推挽式电路，提高了可靠性和稳压性。
所述报警电路14包括与中央处理器U101的信号输入端连接的警报驱动电路和蜂鸣器以及与所述警报驱动电路的输出端连接的外接警报器。该报警电路14设计了时钟警报器，可在适当的时间给驾驶员一个提醒。当出现航向偏差或值班等报警时，中央处理器U101的38脚将输出报警信号到由U2C、U2D(LM324)等元件组成的报警电路驱动蜂鸣器进行声音报警。
所述GPS信号单元11包括与中央处理器U101的输入端连接的NMEA信号输入和耦合放大电路以及与中央处理器U101的输出端连接的放大电路和NMEA信号输出。所述GPS信号单元11的GPS信号经包括R71、D71、U5元件的光电耦合输入电路，在U5的6脚输出到中央处理器U101进行识别处理，由中央处理器U101调解出MNEA信号中的航线方位信号。
本发明还包括与主机单元1有线或无线连接的遥控电路15，实现了在驾驶室外进行操舵，大大方便了驾驶人员。所述遥控电路15由D91-D98、R91-R102、C91-C94组成输入匹配电路，当外接遥控器是方向盘或驾驶柄时，中央处理器U101将对其自动识别，使其都能正常操作。
权利要求
1.一种船用自动驾驶仪，包括用于采集、处理和监控船舶行驶方向的主机单元(1)以及用于向主机单元(1)发出操舵指令和显示船舶行驶状态的面板控制单元(2)，其特征在于，所述主机单元(1)包括中央处理器(U101)，用于读取和处理航行数据，指挥和控制航行方向；存储器(U102)，存放有偏航设置角度、舵限制角度、罗经修正量数据，供所述中央处理器(U101)调用；GPS信号单元(11)，用于把GPS信号送入中央处理器(U101)进行识别处理，由中央处理器(U101)调解并输出导航方位信号；罗经信号处理单元(12)，用于采集反映航行状态信息的罗经信号并把该罗经信号送入中央处理器(U101)进行处理，处理后的数字信号通过数据线输送到面板控制单元(2)显示；左右舵监测、修正和控制单元(13)，用于采集左右舵的方向信号，该左右舵的方向信号被分成两路，一路送到面板控制单元(2)作为舵表指示，另一路通过左右舵比较电路、中央处理器(U101)和天气控制电路的比较和计算获得左右舵的方向修正量，由中央处理器(U101)发出左右舵的操作指令；报警电路(14)，用于当所述中央处理器(U101)判断出现航向偏差或需要值班报警时发出警报声。
2.根据权利要求1所述的船用自动驾驶仪，其特征是所述面板控制单元(2)包括与主机单元(1)的信号输入端连接的按键开关电路(21)、舵角调节旋钮(22)、反舵角调节旋钮(23)、天气调节旋钮(24)、航向指示(25)、舵角指示(26)和状态指示灯(27)。
3.根据权利要求1或2所述的船用自动驾驶仪，其特征在于还包括与主机单元(1)有线或无线连接的遥控电路(15)。
4.根据权利要求1或2所述的船用自动驾驶仪，其特征在于所述GPS信号单元(11)包括与中央处理器(U101)的输入端连接的NMEA信号输入和耦合放大电路以及与中央处理器(U101)的输出端连接的放大电路和NMEA信号输出。
5.根据权利要求1或2所述的船用自动驾驶仪，其特征在于所述罗经信号处理单元(12)包括罗经传感器、与所述罗经传感器输入端连接的振荡器和放大电路，所述罗经传感器的信号输出经LC滤波电路、整流电路、RC匹配电路、正、余弦比较电路连接所述中央处理器(U101)的信号输入端。
6.根据权利要求1或2所述的船用自动驾驶仪，其特征在于所述左右舵监测、修正和控制单元(13)包括顺序单向连接的舵反应器、左右舵比较电路、运算比较电路和天气控制电路，该天气控制电路的输出端分成两路，一路接左舵控制电路、左舵驱动电路和左舵电磁阀，另一路接右舵控制电路、右舵驱动电路和右舵电磁阀；所述中央处理器(U101)的信号输入和输出端分别连接所述左右舵比较电路和运算比较电路，所述天气控制电路的输入端还连接面板控制单元(2)。
7.根据权利要求1或2所述的船用自动驾驶仪，其特征在于所述报警电路(14)包括与中央处理器(U101)的信号输入端连接的警报驱动电路和蜂鸣器以及与所述警报驱动电路的输出端连接的外接警报器。
8.根据权利要求1或2所述的船用自动驾驶仪，其特征在于所述中央处理器(U101)将所述罗经信号处理单元(12)传送来的罗经方位信号与通过面板控制单元(2)手动设置的方位、或通过遥控电路(15)遥控设置的方位、或通过GPS信号单元(11)接收的卫星信号的方位进行处理比较，然后在39脚输出比较信号电平给所述左右舵监测、修正和控制单元(13)的运算比较电路与舵信号进行比较。
9.根据权利要求1或2所述的船用自动驾驶仪，其特征在于所述遥控电路包括由D91～D98、R91～R1 02、C91～C94组成的遥控匹配电路，当外接遥控器是方向盘或驾驶柄时，所述中央处理器(U101)将对遥控信号自动识别。
10.根据权利要求4所述的船用自动驾驶仪，其特征在于所述GPS信号单元(11)的GPS信号经包括R71、D71、U5元件的光电耦合输入电路，在U5的6脚输出到中央处理器(U101)进行识别处理，由中央处理器(U101)调解出航线方位信号。
全文摘要
一种船用自动驾驶仪，包括用于采集、处理和监控船舶行驶方向的主机单元(1)以及用于向主机单元(1)发出操舵指令和显示船舶行驶状态的面板控制单元(2)，所述主机单元(1)包括中央处理器(U101)、存储器(U102)、GPS信号单元(11)、罗经信号处理单元(12)、左右舵监测、修正和控制单元(13)和报警电路(14)。本发明的自动驾驶仪可实现船舶的自动行驶，无需手动操舵，适合于各种船舶使用。
文档编号G05D1/02GK1877476SQ20061006090
公开日2006年12月13日 申请日期2006年5月30日 优先权日2006年5月30日
发明者陈华平, 黄冠南, 庄惠林 申请人:陈华平