專利名稱：數(shù)字式自動操舵儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及船舶自動控制領(lǐng)域，尤其是一種自動操舵儀。
(二)
背景技術(shù)：
自動操舵儀(俗稱"自動舵")是船舶操控系統(tǒng)中的重要設(shè)備， 直接關(guān)系到船舶運營的安全性與經(jīng)濟性。
現(xiàn)有自動操舵儀可選擇的導(dǎo)航設(shè)備接口少，用戶不能根據(jù)實際需 求選擇導(dǎo)航方式，且價格較高。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有的操舵儀的導(dǎo)航接口少、不能選擇導(dǎo)航方式、成本 高的不足,本發(fā)明提供一種具有多種導(dǎo)航接口、既可進行組合導(dǎo)航、也 可單獨導(dǎo)航、降低成本的數(shù)字式自動操舵儀。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種數(shù)字式自動操舵儀，包括用于讀取和解算導(dǎo)航信號并執(zhí)行控 制算法的控制器單元，用于接收控制器輸出信號、控制執(zhí)行機構(gòu)動作 的輸出控制單元，用于采集舵角信號，送至控制器進行數(shù)據(jù)處理的舵 角接口單元；用于將外部供電電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)工作時需要的各種電壓 的供電單元，所述舵角接口單元連接控制器單元，所述自動操舵儀還
包括GPS (Global Positioning System,全球定位系統(tǒng))接口單元， 用于接收GPS信號，并將GPS信號輸入控制器，供控制器解算；電 羅經(jīng)接口單元，用于接收電羅經(jīng)信號，并將電羅經(jīng)信號輸入控制器， 供控制器解算；電子羅盤接口單元，用于接收電子羅盤信號，并將電
子羅盤信號輸入控制器，供控制器解算；模式轉(zhuǎn)換單元，用于在電子 羅盤與GPS組合導(dǎo)航模式、電羅經(jīng)與GPS組合導(dǎo)航模式、隨動模式、 手動模式之間的轉(zhuǎn)換；所述的GPS接口單元、電羅經(jīng)接口單元、電子 羅盤接口單元連接控制器單元，所述的模式轉(zhuǎn)換單元連接控制器單元。
進一步，所述的自動操舵儀還包括參數(shù)調(diào)節(jié)單元，用于外部環(huán) 境因素變化時的控制器參數(shù)設(shè)定，所述參數(shù)調(diào)節(jié)單元連接控制器單元。
再進一步，所述的自動操舵儀還包括隨動接口單元，用于外部 方向盤或遙控機信號輸入。
所述的自動操舵儀還包括人機界面單元，用于航向、舵角的設(shè) 定以及信息的顯示；所述的控制器單元連接人機界面單元。
所述的自動操舵儀還包括報警及指示單元，用于偏航報警、左
舵與右舵的操舵指示。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為本發(fā)明設(shè)計一種新型的數(shù)字式自動操舵儀， 具備電子羅盤、電羅經(jīng)、GPS三種導(dǎo)航設(shè)備接口，既可進行組合導(dǎo)航， 也可單獨導(dǎo)航，有效提高了船舶自動航行時的航向精度和可靠性高。 同時其人機界面友好，操作方便。
該自動操舵機包括控制器單元U1，用于讀取和解算導(dǎo)航信號，執(zhí) 行控制算法，是本控制系統(tǒng)的核心部分；GPS接口單元U2，用于接 收GPS信號，并將GPS信號輸入控制器，供控制器解算；電羅經(jīng)接 口單元U3，用于接收電羅經(jīng)信號，并將電羅經(jīng)信號輸入控制器，供控 制器解算；電子羅盤接口單元U4，用于接收電子羅盤信號，并將電子 羅盤信號輸入控制器，供控制器解算；模式轉(zhuǎn)換單元U5，用于自動l 模式(電子羅盤與GPS組合導(dǎo)航)、自動2模式(電羅經(jīng)與GPS組合 導(dǎo)航)、隨動模式、手動模式的轉(zhuǎn)換。
控制器單元U1的控制過程為控制器首先檢測系統(tǒng)處于手動模 式、隨動模式、自動1模式、自動2模式的哪種工作模式，根據(jù)不同 的工作模式執(zhí)行不同的控制過程。若為手動模式，控制器檢測是否有
動作信號輸入，如果沒有則不輸出任何控制信號，繼續(xù)檢測；如果有
動作信號輸入，判斷左舵還是右舵，根據(jù)判斷輸出相應(yīng)的控制信號， 動作信號取消時，輸出的控制信號隨即停止。若為隨動模式，控制器 檢測實際舵角與設(shè)定舵角，并將兩者比較，看是否一致，如果一致， 則不輸出任何控制信號，繼續(xù)檢測，如果不一致，檢測是左偏差還是 右偏差，輸出相應(yīng)的控制信號，直到兩者一致為止，此時，控制過程
結(jié)束。若為自動1模式，控制器檢測電子羅盤與GPS是否都工作正常， 如果都正常，則調(diào)用電子羅盤與GPS組合導(dǎo)航函數(shù)；如果電子羅盤工
作正常，GPS工作不正常，則調(diào)用電子羅盤導(dǎo)航函數(shù)，同時顯示GPS 無效；如果電子羅盤工作不正常，GPS工作正常，則調(diào)用GPS導(dǎo)航函 數(shù)，同時顯示電子羅盤無效；如果都不正常，則提示無導(dǎo)航信號。若 為自動2模式，控制器檢測電羅經(jīng)與GPS是否都工作正常，如果都工 作正常，則調(diào)用電羅經(jīng)與GPS組合導(dǎo)航函數(shù)；如果電羅經(jīng)工作正常， GPS工作不正常，則調(diào)用電羅經(jīng)導(dǎo)航函數(shù)，同時顯示GPS無效；如果 電羅經(jīng)工作不正常，GPS工作正常，則調(diào)用GPS導(dǎo)航函數(shù)，同時顯示 電羅經(jīng)無效；如果都不正常，則提示無導(dǎo)航信號。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、包含多種導(dǎo)航設(shè)備接口，既可 進行組合導(dǎo)航，也可單獨導(dǎo)航；2、降低了成本；3、有效提高了船舶 自動航行時的航向精度和可靠性高；4、人機界面友好，操作方便。

圖1是本發(fā)明數(shù)字式自動操舵儀的原理結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是本發(fā)明數(shù)字式自動操舵儀的系統(tǒng)原理圖。 圖3是本發(fā)明數(shù)字式自動操舵儀的控制流程圖。 具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
參照圖1， 一種數(shù)字式自動操舵儀，包括用于讀取和解算導(dǎo)航信 號并執(zhí)行控制算法的控制器單元U1，用于接收控制器輸出信號、控 制執(zhí)行機構(gòu)動作的輸出控制單元U2，用于采集舵角信號，送至控制器 進行數(shù)據(jù)處理的舵角接口單元U12;用于將外部供電電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng) 工作時需要的各種電壓的供電單元U13，所述舵角接口單元U12連接 控制器單元U1，所述自動操舵儀還包括GPS接口單元U2，用于接 收GPS信號，并將GPS信號輸入控制器，供控制器解算；電羅經(jīng)接 口單元U3，用于接收電羅經(jīng)信號，并將電羅經(jīng)信號輸入控制器，供控 制器解算；電子羅盤接口單元U4，用于接收電子羅盤信號，并將電子 羅盤信號輸入控制器，供控制器解算；模式轉(zhuǎn)換單元U5，用于在電 子羅盤與GPS組合導(dǎo)航模式、電羅經(jīng)與GPS組合導(dǎo)航模式、隨動模 式、手動模式之間的轉(zhuǎn)換；所述的GPS接口單元U3、電羅經(jīng)接口單 元U4、電子羅盤接口單元U5連接控制器單元Ul，所述的模式轉(zhuǎn)換 單元U5連接控制器單元Ul 。
所述的自動操舵儀還包括參數(shù)調(diào)節(jié)單元U7，用于外部環(huán)境因素 變化時的控制器參數(shù)設(shè)定，所述參數(shù)調(diào)節(jié)單元U7連接控制器單元Ul 。
所述的自動操舵儀還包括隨動接口單元UIO，用于外部方向盤 或遙控機信號輸入；人機界面單元U9，用于航向、舵角的設(shè)定以及信 息的顯示；所述的控制器單元U1連接人機界面單元U9。所述的自動
操舵儀還包括報警及指示單元Ull，用于偏航報警、左舵與右舵的 操舵指示。
本實施例的自動操舵機還包括NMEA(National Marine Electronics Association,美國國家航海電子協(xié)會)輸出單元U8，用于將自動操 舵儀工作狀態(tài)、操舵信息以NMEA0183格式傳給船橋系統(tǒng)或者VDR (Voyage Data Recorder,航行數(shù)據(jù)記錄儀)。所述供電單元U13將外 部24V直流輸入，經(jīng)穩(wěn)壓、濾波處理后供給DC/DC模塊，轉(zhuǎn)出+ 12V、 + 5V等工作電壓。
控制器單元U1，用于讀取和解算導(dǎo)航信號，執(zhí)行控制算法。由嵌 入式控制器(MCU)、晶振、起振電容、上拉電阻、復(fù)位按鈕組成。 電容接晶振兩端后與控制器的晶振輸入引腳連接，復(fù)位按鈕一端接控 制器的reset引腳，另一端接地，電阻的一端接控制器reset引腳，另 一端接5V電源。
GPS接口單元U2由RS232電平轉(zhuǎn)換芯片，雙向緩沖寄存器，光 電耦合器組成。GPS信號接RS232電平轉(zhuǎn)換芯片的輸入端，由其輸出 端經(jīng)雙向緩沖寄存器后接光電耦合器的輸入端，經(jīng)光耦后與控制器的 I/O 口連接。
電羅經(jīng)接口單元U3由RS485電平轉(zhuǎn)換芯片，雙向緩沖寄存器，光 電耦合器組成。電羅經(jīng)信號接RS485電平轉(zhuǎn)換芯片的輸入端，由其輸 出端經(jīng)雙向緩沖寄存器后接光電耦合器的輸入端，經(jīng)光耦后與控制器 的1/0 口連接。
電子羅盤接口單元U4由RS232電平轉(zhuǎn)換芯片，雙向緩沖寄存器， 光電耦合器組成。電子羅盤信號接RS232電平轉(zhuǎn)換芯片的輸入端，由 其輸出端經(jīng)雙向緩沖寄存器后接光電耦合器的輸入端，經(jīng)光耦后與控
制器的i/o口連接。
模式轉(zhuǎn)換單元U5由多檔轉(zhuǎn)換開關(guān)，電阻、去抖芯片組成。電阻一 端接5V電源，另一端接多檔轉(zhuǎn)換開關(guān)輸入端，轉(zhuǎn)換開關(guān)的公共端接 地，同時轉(zhuǎn)換開關(guān)的輸入端接去抖芯片的輸入端，信號經(jīng)去抖芯片輸 出端輸出后接控制器的1/0 口。
輸出控制單元U6由電阻、場效應(yīng)管組成?？刂破鞯妮敵鲂盘柦?jīng)電 阻后接場效應(yīng)管的控制端，控制場效應(yīng)管的導(dǎo)通與截止。
參數(shù)調(diào)節(jié)單元U7由3個電位器組成，分別對靈敏度(天氣調(diào)節(jié))、 壓舵角、偏航角進行調(diào)節(jié)。電位器的一段接地，另一端接電源，中間 端接控制器的I/0 口。
NMEA輸出單元U8由緩沖寄存器、光電耦合器，RS232電平轉(zhuǎn)換 芯片組成?？刂破鳟a(chǎn)生的NMEA信號經(jīng)緩沖寄存器后接光電耦合器的 輸入端，光電耦合器的輸出端接RS232電平轉(zhuǎn)換芯片的輸入端,RS232 的輸出端與所需NMEA信號的外部設(shè)備連接。
人機界面單元U9由液晶屏、電位器、按鈕、設(shè)定開關(guān)組成。按鈕 用于信息輸入時的確認(rèn)與取消。設(shè)定開關(guān)與模式轉(zhuǎn)換開關(guān)配合使用， 自動模式時，設(shè)定開關(guān)用于航向設(shè)定；手動模式時，用于手動操舵(簡 單操舵)。液晶屏的數(shù)據(jù)線與控制器的I/0口直接相連，亮度控制端、 對比度控制端分別與電位器的中端相連，電位器的兩端分別接電源與
地。按鈕與設(shè)定開關(guān)的兩端都直接連控制器的i/o口。
隨動接口單元U10由共模電感、電位器組成。電位器一端接地，
一端接電源，中間端接共模電感。共模電感另一端接控制器的i/o口。
報警及指示單元Ull由電阻、揚聲器、發(fā)光二極管組成。當(dāng)實際 航向偏離設(shè)定航向時，揚聲器發(fā)出報警聲音，同時二極管發(fā)光。左舵
或右舵動作時，二極管發(fā)光給出指示信號。電阻的一端接控制器的I/O
口，另一端接揚聲器的一端，揚聲器的另一端接地。發(fā)光二極管的正
端接控制器的i/o口，負(fù)端接地。
舵角接口單元U12由RC濾波電路組成。外部舵角信號經(jīng)RC濾波 電路后與控制器1/0 口相連。
供電單元U13由熔斷器、保護二極管、電解電容、DC/DC模塊電 源等組成。外部輸入直流電源經(jīng)5A熔斷器后接保護二極管正端，二 極管負(fù)端接電解電容的正端，電解電容負(fù)端接地。同時電解電容正端 與DC/DC模塊電源輸入端連接，DC/DC的輸出端接各個芯片的電源 端。
權(quán)利要求
1、一種數(shù)字式自動操舵儀，包括用于讀取和解算導(dǎo)航信號并執(zhí)行控制算法的控制器單元，用于接收控制器輸出信號、控制執(zhí)行機構(gòu)動作的輸出控制單元，用于采集舵角信號，送至控制器進行數(shù)據(jù)處理的舵角接口單元；用于將外部供電電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)工作時需要的各種電壓的供電單元，所述舵角接口單元連接控制器單元，其特征在于所述自動操舵儀還包括GPS接口單元，用于接收GPS信號，并將GPS信號輸入控制器，供控制器解算；電羅經(jīng)接口單元，用于接收電羅經(jīng)信號，并將電羅經(jīng)信號輸入控制器，供控制器解算；電子羅盤接口單元，用于接收電子羅盤信號，并將電子羅盤信號輸入控制器，供控制器解算；模式轉(zhuǎn)換單元，用于在電子羅盤與GPS組合導(dǎo)航模式、電羅經(jīng)與GPS組合導(dǎo)航模式、隨動模式、手動模式之間的轉(zhuǎn)換；所述的GPS接口單元、電羅經(jīng)接口單元、電子羅盤接口單元連接控制器單元，所述的模式轉(zhuǎn)換單元連接控制器單元。
2、 如權(quán)利要求l所述的數(shù)字式自動操舵儀，其特征在于所述的自動 操舵儀還包括參數(shù)調(diào)節(jié)單元，用于外部環(huán)境因素變化時的控制器參 數(shù)設(shè)定，所述參數(shù)調(diào)節(jié)單元連接控制器單元。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的數(shù)字式自動操舵儀，其特征在于所述的 自動操舵儀還包括隨動接口單元，用于外部方向盤或遙控機信號輸 入。
4、 如權(quán)利要求3所述的數(shù)字式自動操舵儀，其特征在于所述的自動 操舵儀還包括人機界面單元，用于航向、舵角的設(shè)定以及信息的顯 示；所述的控制器單元連接人機界面單元。
5、 如權(quán)利要求3所述的數(shù)字式自動操舵儀，其特征在于所述的自動 操舵儀還包括報警及指示單元，用于偏航報警、左舵與右舵的操舵 指示。
全文摘要
一種數(shù)字式自動操舵儀，包括用于讀取和解算導(dǎo)航信號并執(zhí)行控制算法的控制器單元，用于接收控制器輸出信號、控制執(zhí)行機構(gòu)動作的輸出控制單元，用于采集舵角信號，送至控制器進行數(shù)據(jù)處理的舵角接口單元；用于將外部供電電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)工作時需要的各種電壓的供電單元，所述舵角接口單元連接控制器單元，所述自動操舵儀還包括GPS接口單元、電羅經(jīng)接口單元、電子羅盤接口單元以及模式轉(zhuǎn)換單元；GPS接口單元、電羅經(jīng)接口單元、電子羅盤接口單元連接控制器單元，模式轉(zhuǎn)換單元連接控制器單元。本發(fā)明提供一種具有多種導(dǎo)航接口、既可進行組合導(dǎo)航、也可單獨導(dǎo)航、降低成本的數(shù)字式自動操舵儀。
文檔編號G05D3/12GK101114172SQ20071007030
公開日2008年1月30日 申請日期2007年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月24日
發(fā)明者偉 何, 立 俞, 馮遠靜, 鉷 宋, 浩 封, 徐建明, 游 滕, 熊遠生 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)