基于pc104和arm的船舶自航控制装置制造方法
【专利摘要】一种基于PC104和ARM的船舶自航控制装置，包括：由电源、PC104工控机、ARM控制器、数据采集器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：电源与PC104工控机、ARM控制器、数据采集器相连，PC104工控机与ARM控制器、数据采集器相连，ARM控制器与PC104工控机相连，数据采集器与ARM控制器、PC104工控机相连，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器相连。本实用新型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。
【专利说明】基于PC104和ARM的船舶自航控制装置
【技术领域】
[0001]本实用新型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的船舶自航控制装置。
【背景技术】
[0002]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宄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。
[0003]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。
实用新型内容
[0004]本实用新型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的船舶自航控制装置，通过应用PC104总线技术和ARM微处理器技术，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。
[0005]本实用新型是通过以下技术方案实现的:
[0006]本实用新型涉及一种基于PC104和ARM的船舶自航控制装置，包括:由电源、PC104工控机、ARM控制器、数据采集器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:电源与PC104工控机、ARM控制器、数据采集器相连，PC104工控机与ARM控制器、数据采集器相连，ARM控制器与PC104工控机相连，数据采集器与ARM控制器、PC104工控机相连，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器相连。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1为本实用新型船载系统示意图；
[0008]图2为本实用新型岸基系统不意图；
[0009]图3为本实用新型底层驱动程序流程图；
[0010]图4为本实用新型PC104工控机控制系统软件流程图；
[0011]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、8PC104工控机、9存储器、10DGPS移动站、11无线网卡、12MEMS姿态方位参考模块、13ARM控制器、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】
[0012]下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型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，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
[0013]实施例1
[0014]如图1所示，本实施例包括:由电源、作为PC104工控机8的PC104工控机、作为ARM控制器13的ARM控制器、数据采集器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:电源与PC104工控机8、ARM控制器13、数据采集器相连并为它们提供电能，PC104工控机8与ARM控制器13、数据采集器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，ARM控制器13与PC104工控机8相连并传输指令信息、螺旋桨转速信息、舵角信息，数据采集器与ARM控制器13、PC104工控机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器相连并传输GPS信号。
[0015]所述的PC104工控机8包括:第一定时器、线程判断器、按键检测器、指令发送器和存储器9，其中:第一定时器与存储器9相连且周期性接收并保存来自数据采集器的转速反馈旋转编码器14、15数据、DGPS数据和惯导数据，线程判断器与按键检测器相连并传输控制指令，按键检测器与指令发送器相连并在按键触发时由指令发送器向ARM控制器13输出对应指令。
[0016]所述的ARM控制器13包括:第二定时器、串口数据监测模块和控制指令发生器，其中:第二定时器与数据采集器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PC104工控机8的存储器9，串口数据监测模块分别与PC104工控机8的存储器9、PC104工控机8的指令发送器和控制指令发生器相连，当串口数据监测模块接收到来自PC104工控机8的指令发送器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发生器，控制指令发生器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；
[0017]所述的数据采集器包括: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PC104工控机8相连并传输船舶经玮度信息，惯性导航模块与PC104工控机8相连并传输船舶姿态信息，螺旋桨转速反馈模块与ARM控制器13相连并传输螺旋桨转速数据，舵角反馈模块与ARM控制器13相连并传输舵角度信息。
[0018]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、经玮度数值。
[0019]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PC104工控机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。
[0020]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ARM控制器13和电源相连，向ARM控制器13传输螺旋桨转速数据。
[0021]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ARM控制器13和电源相连，向ARM控制器13传输舵角度数据。
[0022]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PC104工控机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。
[0023]所述的电源包括: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PC104工控机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器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ARM控制器13中的ARM控制器13、数据采集器的转速反馈旋转编码器14、舵角反馈旋转编码器15供电。
[0024]如图3所示，所述的ARM控制器13工作过程如下:
[0025]S1初始化:串口初始化、GP1初始化、定时器初始化、PWM初始化；
[0026]S2ARM控制器13分别判断定时时间、串口是否收到数据，具体为:
[0027]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；
[0028]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；
[0029]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；
[0030]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；
[0031]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；
[0032]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。
[0033]如图4所示，所述的PC104工控机8工作过程如下:
[0034]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，GP1初始化，定时器初始化，PWM初始化；
[0035]S2ARM控制器13分别判断定时时间、键盘线程是否收到数据，具体为:
[0036]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器；否则继续等待；
[0037]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；
[0038]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；
[0039]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；
[0040]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；
[0041]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；
[0042]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；
[0043]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；
[0044]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；
[0045]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。
【权利要求】
1.一种基于PC104和ARM的船舶自航控制装置，其特征在于，包括:由电源、PC104工控机、ARM控制器、数据采集器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:电源与PC104工控机、ARM控制器、数据采集器相连，PC104工控机与ARM控制器、数据采集器相连，ARM控制器与PC104工控机相连，数据采集器与ARM控制器、PC104工控机相连，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器相连。
2.根据权利要求1所述的基于PC104和ARM的船舶自航控制装置，其特征是，所述的PC104工控机包括:第一定时器、线程判断器、按键检测器、指令发送器和存储器，其中:第一定时器与存储器相连，线程判断器与按键检测器相连，按键检测器与指令发送器相连。
3.根据权利要求1所述的基于PC104和ARM的船舶自航控制装置，其特征是，所述的ARM控制器包括:第二定时器、串口数据监测模块和控制指令发生器，其中:第二定时器与数据采集器相连，串口数据监测模块分别与PC104工控机的存储器、PC104工控机的指令发送器和控制指令发生器相连。
4.根据权利要求1所述的基于PC104和ARM的船舶自航控制装置，其特征是，所述的数据采集器包括: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PC104工控机相连，惯性导航模块与PC104工控机相连，螺旋桨转速反馈模块与ARM控制器相连，舵角反馈模块与ARM控制器相连。
5.根据权利要求4所述的基于PC104和ARM的船舶自航控制装置，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。
6.根据权利要求4所述的基于PC104和ARM的船舶自航控制装置，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姿态方位参考模块与PC104工控机相连。
7.根据权利要求4所述的基于PC104和ARM的船舶自航控制装置，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微处理器和单元相连。
8.根据权利要求4所述的基于PC104和ARM的船舶自航控制装置，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微处理器和电源相连。
9.根据权利要求1所述的基于PC104和ARM的船舶自航控制装置，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PC104工控机相连，无线路由器与电源相连。
10.根据权利要求1所述的基于PC104和ARM的船舶自航控制装置，其特征是，所述的电源包括:带有开关的锂电池以及变压器。
【文档编号】G05D1/02GK204241963SQ201420745355
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】易宏, 王健, 罗潇, 魏成柱, 庞师坤, 刘旌扬, 张裕芳 申请人:上海交通大学