基于ARM的小型船舶自动操舵系统的设计与实现.doc

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1、基于ARM的小型船舶自动操舵系统的设计与实现0基于ARM的小型船舶自动操舵系统的设计与实现2009年11月10日内容提要：介绍小型船舶自动舵系统的自主研发设计。该设计选用Philips公司的ARMLPC2214控制器、大电流MOS管IRF9540N、上海直川电子科技有限公司生产的ZCC04型磁罗经转换器等产品，并利用常开常闭继电器解决了手动-随动操舵转换，设计485总线接口电路解决舵角信号的传输。某渔船试用证实，该设计可靠性高、稳定性好，节能效果明显，有望改变国内小型船舶自动舵产品基本依赖进口的局面。关键词：船舶自动操舵装置手动-随动转换舵角信号

2、传输设计0引言自动舵是船舶控制系统中不可缺少的重要设备。它可以通过航向设定使船舶航迹更接近直线，避免了“蛇行”从而更节能更经济，还能节省人力资源。我国在从70年代就开始自动舵的研究，并取得了一定的成就，但国内自动舵的研究侧重于理论方面的算法仿真，很少做出实际产品。迄今为止，国内船舶安装的自动舵基本完全依赖进口。因此，我们自行开发了基于ARM的小型船舶自动舵系统，包括手动（应急）操舵、随动操舵、自动操舵三部分。1自动舵系统的工作原理及其系统结构设计船舶自动舵时，船舶航向控制系统模型一般采用如下所示的野本模型式中：ψ是航向；δ是舵角；T和K是模型的参

3、数。T和K，一般表示为：T=T'·L/V和K=K'·V/L其中：V是船速；L是船长；T'和K'是模型的无因次系数，是船型参数和装载状态等的函数，一般由海上实船试验获得。[1]根据上列舵角与航向关系式，设计自动舵闭环系统结构框图，见图1。随动操舵部分，不包括磁罗经传感器参与的外环，只包括角度传感器参与的内环，是单闭环系统。其工作原理是：①角度传感器检测实际舵角信号；②控制器比较实际舵角信号与给定舵角信号（偏航角）得出它们的偏差；③控制器根据偏差控制电磁阀驱动电路的相应电磁阀开闭；④液压舵机改变舵的方向和角度，直至实际舵角与给定舵角信号二者偏差为零。

4、自动操舵部分，包括磁罗经传感器参与的外环和角度传感器参与的内环，是一个双闭环控制系统。其工作原理是：①磁罗经传感器检测船舶实际航向信号；②控制器比较实际航向信号与给定航向信号的偏差即偏航角；③控制器根据偏航角用PID算法计算出偏舵角去控制舵机；④舵机改变舵的方向和角度使船舶改变航向，如此反复，直至实际航向与给定航向信号二者偏差为零。根据自动舵原理自行开发研制的自动舵系统，共分成以下几个部分（框图见图2）：·控制器；·输入信号，包括比例/积分/微分/海况信号、给定航向信号、实际航向信号、给定舵角信号、实际舵角信号等；·输出信号，包括HDT（艏向）信

5、号、电磁阀驱动电路、应急控制电路、手动-随动切换电路、显示等。2系统重点模块硬件电路简介2.1控制器选用Philips公司的ARM（32位微处理器）的LPC2214作为系统主控制器，因为：·其自身所带资源丰富，包括10位高精度的AD转换器、两个串行口、16K内部RAM、128K内部FLASH等，可满足整个自动操舵控制系统设计需要，不必再做外部扩展；·价格便宜，与普通单片机价格相差不多。[2]2.2电磁阀驱动电路目前船舶大多使用液压舵机，只需通过控制电磁阀启闭就可以控制舵的运动。舵机电磁阀开关频繁，驱动电流也比较大。若用继电器控制电磁阀，继电器易损

6、坏。所以本设计选用大电流MOS管IRF9540N控制电磁阀启闭，同时选用TLP521隔离电磁阀端的干扰信号。图3是某一路电磁阀的驱动电路，工作原理是：当P0.2低电平时，Wheel_Steering_R端为24V，电磁阀线圈得电闭合；反之，当P0.2高电平时，则电磁阀线圈失电开启。2.3手动操舵（应急）控制电路舵故障可能导致船舶失控，应急操舵（即手动操舵）是自动舵系统不可或缺的部分。应急操舵即手动操舵，不经过上述电磁阀驱动电路，直接控制电磁阀启闭，工作原理见图4。应急操舵手柄有左、中、右等三个档位（图4HandhandleJ1）。应急操舵手柄：·

7、处于中位，零位，舵不动；·处于右位，Hand_Steering_R接24V，Hand_Steering_L接地，继电器RLA2处于常闭状态，手动手柄直接控制舵机，使舵叶右转；·处于左位，Hand_Steering_L接24V，Hand_Steering_R接地，舵叶左转。2.4手动-随动切换电路手动操舵，当随动系统故障时的备用，具有最高优先权，即手动操舵时，系统必须立即切换到手动操舵模式，而不管是否正在随动操舵。因此，手动操舵与随动操舵这两个操舵系统如何结合在一起，并使手动操舵有最高的优先级，是本设计的关键之一。本设计利用常开常闭触点继电器：·继

8、电器线圈，由ARM控制器通过P0.4引脚控制其得电、失电；·应急操舵一个控制端Hand_Steering_R接在继电器的常闭触点上；·随