基于pc104和arm的船舶自航控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種應(yīng)用于船舶自航模航行的船舶工程領(lǐng)域的控制技術(shù)，具體是一種基于PC104和ARM的船舶自航控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]船舶工程領(lǐng)域，在船舶設(shè)計階段通常要進(jìn)行船模試驗(yàn)，即使用和所設(shè)計的船舶幾何相似的船模進(jìn)行阻力性能、耐波性能等各種試驗(yàn)。操縱性能是船舶一個重要性能之一，在實(shí)船建造之前，利用自由自航船模的物理試驗(yàn)研宄船舶的操縱性能是一種重要且有效的方法，也是一種公認(rèn)比較可靠的方法。具體實(shí)現(xiàn)方法是為船模安裝運(yùn)動系統(tǒng)，即安裝合適的電機(jī)驅(qū)動螺旋槳、合適的舵機(jī)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動舵、無線遙控系統(tǒng)等等，使船模能夠自由自航，用自由自航船模在操縱性水池或者天然水環(huán)境中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)操縱性試驗(yàn)，由試驗(yàn)測得船模運(yùn)動參數(shù)、運(yùn)動軌跡等能夠表達(dá)船舶操縱性的數(shù)據(jù)，從而對船舶操縱性能進(jìn)行預(yù)報和評估。但是通常情況下每一條試驗(yàn)船模，都要進(jìn)行自航系統(tǒng)的搭建，這樣設(shè)計出來的自航系統(tǒng)不具有可移植性，費(fèi)時費(fèi)力。
[0003]經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻(xiàn)號CN103303452A公開(公告)日2013.09.18，公開了一種無舵自動走航的無人船，包括船體、兩側(cè)的浮筒、通訊單元、導(dǎo)航與定位單元、測量單元、動力及驅(qū)動單元、船體姿態(tài)測定單元、工控機(jī)、為上述各部分提供工作電源的電池。但該技術(shù)只針對無舵船模，不適用于帶有舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的船模；同時該系統(tǒng)沒有針對螺旋槳轉(zhuǎn)速、舵角數(shù)據(jù)的反饋，不適用于船舶自航模試驗(yàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的船模自航系統(tǒng)的可移植性、可重復(fù)使用方面的不足，提出一種基于PC104和ARM的船舶自航控制系統(tǒng)，通過應(yīng)用PC104總線技術(shù)和ARM微處理器技術(shù)，能夠重復(fù)使用、快速移植，并且方便用戶進(jìn)行軟件擴(kuò)展，節(jié)省船舶自航試驗(yàn)階段自航系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計時間?？蓱?yīng)用于使用直流電機(jī)、舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的這類自航船模。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明涉及一種基于PC104和ARM的船舶自航控制系統(tǒng)，包括:由電源模塊、作為核心處理單元的PC104工控機(jī)、作為底層驅(qū)動單元的ARM控制器、數(shù)據(jù)采集單元組成的船載系統(tǒng)以及用于建立局域網(wǎng)環(huán)境的岸基通訊系統(tǒng)，其中:電源模塊與核心處理單元、底層驅(qū)動單元、數(shù)據(jù)采集單元相連并提供電能，核心處理單元與底層驅(qū)動單元、數(shù)據(jù)采集單元相連并傳輸指令信息、船舶姿態(tài)信息、舵角信息、螺旋槳轉(zhuǎn)速信息，底層驅(qū)動單元與核心處理單元相連并傳輸指令信息、螺旋槳轉(zhuǎn)速信息、舵角信息，數(shù)據(jù)采集單元與底層驅(qū)動單元、核心處理單元相連并傳輸船舶姿態(tài)信息、舵角信息、螺旋槳轉(zhuǎn)速信息，岸基通訊系統(tǒng)通過無線通訊方式與船載系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集單元相連并傳輸GPS信號。
技術(shù)效果
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果包括:
[0008]1.PC104模塊、ARM微處理器模塊都具有體積小的特點(diǎn)，將它們整合在一起；將電源供電系統(tǒng)做成模塊化；將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)做成模塊化。整套系統(tǒng)可方便安裝和拆卸，節(jié)省空間。
[0009]2.本發(fā)明預(yù)留了多路PWM、GP1、UART接口，同時固化旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)。對于使用直流電機(jī)、舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的這類自航船模，其中:舵機(jī)數(shù)量不超過2個，直流電機(jī)數(shù)量不超過4個，步進(jìn)電機(jī)數(shù)量不超過2個，本發(fā)明可直接移植到這類船模上，只需做硬件連接、少部分程序修改，即可進(jìn)行試驗(yàn)。
[0010]3.本發(fā)明所設(shè)計的船舶自航控制系統(tǒng)采用的PC104工控機(jī)，使用經(jīng)典的WindowsXP操作系統(tǒng)，使用簡單易學(xué)的Python語言進(jìn)行上位機(jī)程序開發(fā)。方便用戶進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)，具有很好的可開發(fā)行、可拓展性。
[0011]4.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)在不同船模之間快速移植和更換，能夠重復(fù)多次使用。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明船載系統(tǒng)示意圖；
[0013]圖2為本發(fā)明岸基系統(tǒng)不意圖；
[0014]圖3為本發(fā)明底層驅(qū)動程序流程圖；
[0015]圖4為本發(fā)明核心處理單元控制系統(tǒng)軟件流程圖；
[0016]圖中:1鋰電池(12V)、2鋰電池(12V)、3DGPS天線、4開關(guān)、5開關(guān)、6數(shù)傳電臺、7變壓器、8核心處理單元、9存儲模塊、10DGPS移動站、11無線網(wǎng)卡、12MEMS姿態(tài)方位參考模塊、13底層驅(qū)動單元、14轉(zhuǎn)速反饋旋轉(zhuǎn)編碼器、15舵角反饋旋轉(zhuǎn)編碼器、16執(zhí)行機(jī)構(gòu)、17岸基電腦、18無線路由器、19DGPS天線、20數(shù)傳電臺、2IDGPS基站。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
[0018]如圖1所示，本實(shí)施例包括:由電源模塊、作為核心處理單元8的PC104工控機(jī)、作為底層驅(qū)動單元13的ARM控制器、數(shù)據(jù)采集單元組成的船載系統(tǒng)以及用于建立局域網(wǎng)環(huán)境的岸基通訊系統(tǒng)，其中:電源模塊與核心處理單元8、底層驅(qū)動單元13、數(shù)據(jù)采集單元相連并提供電能，核心處理單元8與底層驅(qū)動單元13、數(shù)據(jù)采集單元相連并傳輸指令信息、船舶姿態(tài)信息、舵角信息、螺旋槳轉(zhuǎn)速信息，底層驅(qū)動單元13與核心處理單元8相連并傳輸指令信息、螺旋槳轉(zhuǎn)速信息、舵角信息，數(shù)據(jù)采集單元與底層驅(qū)動單元13、核心處理單元8相連并傳輸船舶姿態(tài)信息、舵角信息、螺旋槳轉(zhuǎn)速信息，岸基通訊系統(tǒng)通過無線通訊方式與船載系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集單元相連并傳輸GPS信號。
[0019]所述的核心處理單元8包括:第一定時模塊、線程判斷模塊、按鍵檢測模塊、指令發(fā)送模塊和存儲模塊9，其中:第一定時模塊與存儲模塊9相連且周期性接收并保存來自數(shù)據(jù)采集單元的轉(zhuǎn)速反饋旋轉(zhuǎn)編碼器14、15數(shù)據(jù)、DGPS數(shù)據(jù)和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，線程判斷模塊與按鍵檢測模塊相連并傳輸控制指令，按鍵檢測模塊與指令發(fā)送模塊相連并在按鍵觸發(fā)時由指令發(fā)送模塊向底層驅(qū)動單元13輸出對應(yīng)指令。
[0020]所述的底層驅(qū)動單元13包括:第二定時模塊、串口數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊和控制指令生成模塊，其中:第二定時模塊與數(shù)據(jù)采集單元相連并定時將接收到的轉(zhuǎn)速反饋旋轉(zhuǎn)編碼器14、15數(shù)據(jù)發(fā)送到核心處理單元8的存儲模塊9，串口數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊分別與核心處理單元8的存儲模塊9、核心處理單元8的指令發(fā)送模塊和控制指令生成模塊相連，當(dāng)串口數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊接收到來自核心處理單元8的指令發(fā)送模塊數(shù)據(jù)時依次進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判斷以及數(shù)據(jù)種類判斷，并輸出判斷結(jié)果至控制指令生成模塊，控制指令生成模塊根據(jù)判斷結(jié)果向執(zhí)行機(jī)構(gòu)16 (如電機(jī)、舵機(jī)等)輸出對應(yīng)的控制信號；
[0021]所述的數(shù)據(jù)采集單元包括:差分GPS模塊、慣性導(dǎo)航模塊、螺旋槳轉(zhuǎn)速反饋模塊和舵角反饋模塊，其中:差分GPS模塊與核心處理單元8相連并傳輸船舶經(jīng)瑋度信息，慣性導(dǎo)航模塊與核心處理單元8相連并傳輸船舶姿態(tài)信息，螺旋槳轉(zhuǎn)速反饋模塊與底層驅(qū)動單元13相連并傳輸螺旋槳轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，舵角反饋模塊與底層驅(qū)動單元13相連并傳輸舵角度信息。
[0022]所述的差分GPS模塊包括:由帶有GPS天線19和數(shù)傳電臺20的基站處理器組成的基站21和由帶有GPS天線3和數(shù)傳電臺6的移動站處理器組成的移動站10，其中:基站在岸上固定位置保持靜止，基站與移動站之間通過各自數(shù)傳電臺6實(shí)現(xiàn)無線連接，移動站設(shè)置于移動目標(biāo)上實(shí)時得到移動目標(biāo)的首向角、運(yùn)動速度、經(jīng)瑋度數(shù)值。
[0023]所述的慣性導(dǎo)航模塊包括:MEMS姿態(tài)方位參考模塊12，其中:MEMS姿態(tài)方位參考模塊12通過串口協(xié)議向核心處理單元8發(fā)送三軸角加速度數(shù)據(jù)、三軸加速度數(shù)據(jù)以及三軸角度數(shù)據(jù)。
[0024]所述的螺旋槳轉(zhuǎn)速反饋模塊包括:轉(zhuǎn)速反饋旋轉(zhuǎn)編碼器14，該轉(zhuǎn)速反饋旋轉(zhuǎn)編碼器14分別與底層驅(qū)動單元13和電源模塊相連，向底層驅(qū)動單元13傳輸螺旋槳轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。
[0025]所述的舵角反饋模塊包括:舵角反饋旋轉(zhuǎn)編碼器15，該舵角反饋旋轉(zhuǎn)編碼器15分別與底層驅(qū)動單元13和電源模塊相連，向底層驅(qū)動單元13傳輸舵角度數(shù)據(jù)。
[0026]所述的岸基通訊系統(tǒng)包括:岸基電腦17和無線路由器18，其中:岸基電腦17通過建立的局域網(wǎng)與船載核心處理單元8相連并傳輸遠(yuǎn)程桌面信息，無線路由器18與電源相連向外界發(fā)送局域網(wǎng)絡(luò)信號。
[0027]所述的電源模塊包括:分別帶有第一開關(guān)4的第一鋰電池1、帶有第二開關(guān)5的第二鋰電池2以及變壓器7，其中:第二鋰電池2分別為所述的核心處理單元8中的PC104主板以及差分GPS移動站供電，第一鋰電池I 一方面直接向所述的數(shù)據(jù)采集單元中的慣性導(dǎo)航模塊供電，另一方面通過變壓器7降壓并輸出5V電壓，并分別