[發(fā)明專利]基于PC104和ARM的船舶自航控制系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410720532.2
• 申請日: 2014-12-02
• 公開（公告）號: CN104615134B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 易宏;王健;羅瀟;魏成柱;龐師坤;劉旌揚(yáng);張?jiān)７?/a>
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 上海交達(dá)專利事務(wù)所31201
• 代理人: 王毓理,王錫麟

技術(shù)領(lǐng)域

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)

船舶工程領(lǐng)域，在船舶設(shè)計(jì)階段通常要進(jìn)行船模試驗(yàn)，即使用和所設(shè)計(jì)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(gè)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)研究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(dòng)系統(tǒng)，即安裝合適的電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳、合適的舵機(jī)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)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(bào)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(jì)出來的自航系統(tǒng)不具有可移植性，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

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(dòng)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(dòng)力及驅(qū)動(dòng)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(shí)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

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(jì)時(shí)間。可應(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。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果包括：

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。

2.本發(fā)明預(yù)留了多路PWM、GPIO、UART接口，同時(shí)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(gè)，直流電機(jī)數(shù)量不超過4個(gè)，步進(jìn)電機(jī)數(shù)量不超過2個(gè)，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)。

3.本發(fā)明所設(shè)計(jì)的船舶自航控制系統(tǒng)采用的PC104工控機(jī)，使用經(jīng)典的Windows?XP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。

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

圖1為本發(fā)明船載系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明岸基系統(tǒng)示意圖；

圖3為本發(fā)明底層驅(qū)動(dòng)程序流程圖；

圖4為本發(fā)明核心處理單元控制系統(tǒng)軟件流程圖；

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(dòng)站、11無線網(wǎng)卡、12MEMS姿態(tài)方位參考模塊、13底層驅(qū)動(dòng)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、21DGPS基站。

具體實(shí)施方式

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