专利名称：一种船用自动操舵系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种船用自动操舵系统。
背景技术：
目前，自动操舵仪在国内舰船中安装使用量逐渐增大，但多数舰船上已安装使用的自操舵仪都属于传统落后的模拟电路式比例操舵，存在着高故障、低精度、绕弯路、功能过于简单的问题；船舶航行过程中具有很大的惯性作用，由于未测量船艏角速度值(也就是船艏转速值)，导致航向控制不及时，船舶在设定航线上绕弯路等问题，使得燃油白白损耗，不能满足现代舰船的经济效益要求。
实用新型内容针对上述技术问题，本实用新型提供了一种操作简单、控制航向准确、节约燃油以及提高船舶航行经济效益的船用自动操舵系统。本实用新型提供的技术方案为:一种船用自动操舵系统，包括:电子罗经，其包括有陀螺仪、三轴磁场加速度计和单片机，其中，所述单片机与所述陀螺仪以及所述三轴磁场加速度计连接；舵角传感器；主机单元，其包括微处理器、转舵控制单元和驱动电路，其中，所述微处理器与所述电子罗经以及舵角传感器连接，接收所述单片机的船舶航向信号、姿态角信号和船艏转速信号以及舵角传感器的舵角位置信号，所述微处理器还与所述转舵控制单元连接，向所述转舵控制单元输出转舵信号，所述转舵控制单元与所述驱动电路连接，向所述驱动电路输出控制信号；液压舵机，其与所述驱动电路连接，受所述驱动电路驱动。优选的是，所述的船用自动操舵系统，还包括:GPS模块；所述微处理器与所述GPS模块连接，接收所述GPS模块的船舶位置信号以及航速信号。优选的是，所述的船用自动操舵系统，还包括:测量信号处理单元，其与所述陀螺仪、电子罗经、GPS模块和舵角传感器连接，接收所述电子罗经的船舶航向信号和船艏转速信号、舵角传感器的舵角位置信号以及GPS模块的船舶位置信号以及航速信号，所述微处理器与所述测量信号处理单元连接。优选的是，所述的船用自动操舵系统中，所述主机单元还包括人机界面处理单元，所述人机界面处理单元与所述微处理器连接；还包括:[0018]键盘控制面板，其与所述人机界面处理单元连接，通过所述人机界面处理单元向所述微处理器输入操作信号。优选的是，所述的船用自动操舵系统，还包括:遥控器，其与所述微处理器无线通信连接，向所述微处理器输入操作信号以及接收所述微处理器的显示信号。优选的是，所述的船用自动操舵系统中，所述主机单元还包括存储单元，所述存储单元与所述微处理器连接。优选的是，所述的船用自动操舵系统中，所述主机单元还包括报警处理单元，所述报警处理单元与所述微处理器连接，接收所述微处理器的控制信号；还包括:报警器，其与所述报警处理单元连接，受所述报警处理单元的信号驱动。优选的是，所述的船用自动操舵系统，还包括:液晶显示器，其与所述人机界面处理单元连接，通过所述人机界面处理单元接收所述微处理器的显示信号。本实用新型所述的船用自动操舵系统包括有电子罗经、GPS模块、舵角传感器、主机单元以及液压舵机，电子罗经包括有陀螺仪、三轴磁场加速度计和单片机，可以测量确定船艏转速、船舶航向以及姿态角，GPS模块测量船舶位置以及航速，微处理器接收上述数值，以船艏转速和船舶航向为输入，计算船舶的转舵量，该转舵量作为转舵信号输入至转舵控制单元，由驱动电路驱动液压舵机，上述过程实现了船舶的操舵，操作简单，控制航向准确，节约燃油，提高了船舶航行的经济效益。
图1为本实用新型所述的船用自动操舵系统的键盘控制面板的结构示意图；图2为本实用新型所述的船用自动操舵系统的原理框图；图3为本实用新型所述的船用自动操舵系统的航向控制原理框图；图4为本实用新型所述的船用自动操舵系统的大圆航线法原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。如图1所示，本实用新型提供一种船用自动操舵系统，包括:电子罗经，其包括有陀螺仪、三轴磁场加速度计和单片机，其中，所述单片机与所述陀螺仪以及所述三轴磁场加速度计连接；舵角传感器；主机单元，其包括微处理器、转舵控制单元和驱动电路，其中，所述微处理器与所述电子罗经以及舵角传感器连接，接收所述单片机的船舶航向信号、姿态角信号和船艏转速信号以及舵角传感器的舵角位置信号，所述微处理器还与所述转舵控制单元连接，向所述转舵控制单元输出转舵信号，所述转舵控制单元与所述驱动电路连接，向所述驱动电路输出控制信号；液压舵机，其与所述驱动电路连接，受所述驱动电路驱动。所述的船用自动操舵系统，还包括:GPS模块；所述微处理器与所述GPS模块连接，接收所述GPS模块的船舶位置信号以及航速信号。所述的船用自动操舵系统，还包括:测量信号处理单元，其与所述陀螺仪、电子罗经、GPS模块和舵角传感器连接，接收所述电子罗经的船舶航向信号和船艏转速信号、舵角传感器的舵角位置信号以及GPS模块的船舶位置信号以及航速信号，所述微处理器与所述测量信号处理单元连接。所述的船用自动操舵系统中，所述主机单元还包括人机界面处理单元，所述人机界面处理单元与所述微处理器连接；还包括:键盘控制面板，其与所述人机界面处理单元连接，通过所述人机界面处理单元向所述微处理器输入操作信号。所述的船用自动操舵系统，还包括:遥控器，其与所述微处理器无线通信连接，向所述微处理器输入操作信号以及接收所述微处理器的显示信号。所述的船用自动操舵系统中，所述主机单元还包括存储单元，所述存储单元与所述微处理器连接。所述的船用自动操舵系统中，所述主机单元还包括报警处理单元，所述报警处理单元与所述微处理器连接，接收所述微处理器的控制信号；还包括:报警器，其与所述报警处理单元连接，受所述报警处理单元的信号驱动。所述的船用自动操舵系统，还包括:液晶显示器，其与所述人机界面处理单元连接，通过所述人机界面处理单元接收所述微处理器的显示信号。本实用新型包括用于数据采集处理、船舶操舵监控的主机单元、键盘控制面板以及船舶电子罗经、GPS模块、舵角传感器和便携摇控器。主机单元包括:电源管理单元，用于为操舵系统各模块提供稳定的工作电压；微处理器，用于综合测量信号处理单元输入的信息和人机界面处理单元输入的键盘操作指令，以及依照模糊控制算法进行运算，输出舵角修正指令给转舵控制单元，从而操纵船舶运动；存储单元与微处理器双向连接，用于存储舵角零位补偿系数、舵角可调角度限制、罗差补偿系数、陀螺仪零位补偿系数、转舵灵敏度等控制算法中相关的控制参数；测量信号处理单元与微处理器的输入端相连接，与船舶电子罗经、GPS模块、舵角传感器的输出端相连接，用于与外围传感器模块相通讯，获取船舶航向、姿态角、转速、GPS等测量信息，并进行数字滤波，为微处理器的运算提供实时有效的数据；转舵控制单元与微处理器的输出端相连接，与电磁阀驱动电路的输入端相连接，用于解析微处理器的舵角指令，并结合转舵灵敏度值驱动液压舵机转舵；报警处理单元与微处理器的输出端相连接，与报警器的输入端相连接，用于值班报警以及实时监测操舵仪和船舶的工况，一旦发现故障和紧急情况，立刻发出声光报警，提醒船员进行检查、维修和手动模式操纵船舶；人机界面处理单元与微处理器双向连接，与键盘控制面板的输出端相连接，与液晶显示器的输入端相连接，用于按键修改目标航向、操舵模式等操作和船舶实际航向、舵角等信息显示。键盘控制面板通过相应按键操作，可开机/关机、转换手动/自动操舵模式、修改目标航向、校正舵角传感器零位、校正罗差、校正陀螺仪零位等；液晶显示器将显示操舵模式、目标航向、实际航向、实际舵角、经纬度信息等。船舶电子罗经测得船舶航向和船舶姿态角。电子罗经内部包含一片单片机STM32、一个三轴磁场加速计LSM303和一个数字式陀螺仪MPU6050。三轴磁场加速度模块检测出地磁场强度和重力加速度在三维坐标轴上的分量，数字式陀螺仪测得三轴上的加速度值，经I2C串行通讯，将测量值传入单片机。单片机获得测量值，依据磁阻效应和地磁导航原理计算船舶航向、船舶姿态角和转艏角速度，并考虑磁场干扰，对航向值进行罗差补偿。当主机向电子罗经索取船舶航向、船舶姿态角和转艏角速度值时，单片机再将这些测量值经I2C通讯传给主机。ET-314SIRF-GPS模块与主机的串口相连接，其与卫星通讯获得包含船舶经纬度、船速等信息的信息包，经串口传给主机，主机对该信息包进行解析，得到船舶实际经纬度和航速。在GPS模式下，操作人员可旋转调节旋钮设置目标经纬度、目标航向，同时液晶显示器实时显示目标经纬度、目标航向、实际经纬度、实际航向、实际舵角、与目的地的直线距离和当前船速等信息。舵角传感器是电位器式，经过微处理器与主机的转舵控制单元的输入端相连接，为转舵控制单元提供舵角反馈值。便携式无线摇控器由无线收发模块SI4432、键盘模块、液晶模块和单片机STM32组成，与微处理器无线连接，操纵船舶运动。无线摇控器可实时接收、显示主机发送来的船舶航向、舵角大小、经纬度等信息，同时可主动通信，发送指令到自动操舵仪的主机，切换手动/自动模式、改变舵角、改变航向等操作，方便船员在驾驶室外进行操舵，更重要的是船员在发现紧急情况时能够及时操纵船舶避免事故。图1为键盘控制面板的结构示意图。键盘控制面板与液晶显示器2设置于同一壳体内，并通过支架I装于船舶上。本实用新型的工作原理如下。首先，主机单元上电进行初始化、自检，确保各模块处于正常的工作状态，从存储单元中读取舵角零位、舵限、转舵灵敏度、罗差补偿系数、陀螺仪零位补偿系数等控制算法中相关的控制参数，然后经测量信号处理单元与GPS模块、舵角传感器、陀螺仪、电子罗经等外围模块通讯，分别取得船舶经纬度位置、实际舵角、船艏转速、实际航向值等测量值，经滤波后送入人机界面处理单元，并由液晶显示器显示。操作人员通过键盘控制面板操作，转换手动模式到自动模式、修改目标航向、校正舵角传感器零位、校正罗差、校正陀螺仪零位等。点击键盘控制面板上的“STBY”按钮，进入手动模式，液晶显示器显示手动模式操作界面，显示实际航向、实际舵角，操作人员通过转动操作台上的手轮，改变舵叶位置，从而改变船舶航向。在手动模式下，自动操舵系统独立于舵机系统，船舶行驶状况完全由人工操舵决定。此时，操作人员还可进行手动罗差校正。操作过程为:将船开到6节船速以上直航一段距离，然后点击“菜单”按钮，选择手动罗差校正，再点击“闪避”按钮，界面显示“校正中”，此时手动操纵船舶旋转一圈，微处理器STM32将在此过程中计算罗差，等待船体转向360度后，再次点击“闪避”按钮，界面将显示“校正结束”，STM32更新存储罗差补偿系数，完成手动罗差校正。以后计算船舶航向时，将采用更新的罗差补偿系数进行计算，消减航向误差。点击键盘控制面板上的“AUT0”按钮，进入自动模式，液晶显示器显示自动模式操作界面，显示目标航向、实际航向、实际舵角，自动操舵系统将根据设定的目标航向，自动控制舵角变化，使船舶行驶在设定航向上。在自动模式下，主机单元的微处理器STM32读取测量信号处理单元采集、滤波的各测量变量值，并从存储器读出各控制参数后，调用模糊航向控制函数(模糊航向控制方法简述见模糊航向控制原理一节)，计算出操纵船舶改变航向或保持航向所需要的转舵量，下达转舵指令给转舵控制单元，转舵控制单元产生控制信号，控制信号经电磁阀驱动电路放大，驱动电磁阀液压舵机工作，同时舵角检测电路将实际舵角反馈回转舵控制单元，实现舵角控制，从而实现了自动操纵船舶改变航向或保持航向。此时同样可进行罗差校正，与手动罗差校正操作不同的是，无需人工操舵，自动操舵系统能够控制船体将自动旋转一圈，同时自动判断船体是否转过360度而结束校正。点击键盘控制面板上的“GPS”按钮，进入GPS导航模式，实时显示目标经纬度、目标航向、实际经纬度、实际航向、实际舵角、与目的地的直线距离和当前船速等信息。当主机设置为GPS导航模式时，ET-314SIRF-GPS模块与卫星通讯，获得包含船舶经纬度、船速等信息的信息包，经串口传给主机，主机对该信息包进行解析，得到船舶实际经纬度和航速。操作人员可旋转调节旋钮设置目标经纬度，自动操舵仪将依据大圆航线法解算出离目标船位路程最短的航向，船舶在此航向上行驶到目标点所经过的路程是最短的，节省了燃油。不论在何种操作模式下，主机单元将实时扫描各模块模块工况，发现异常时，对报警事件实时处理，同时可设置是否值班报警。微处理器采用模块控制的方法确定转舵量。模糊控制是基于专家知识和模糊推理的过程，基本思想是把输入数据模糊化，结合IF-THEN规则表述的专家知识进行模糊推理得到控制作用集，再经解模糊器转化为实际量值作用于被控系统。在图3所示航向控制原理框图中，用模糊控制思想设计其中的航向控制器。我们依据人工操舵经验拟定一组IF-THEN控制规则(“如果——则”的表达形式)，模糊航向控制器将依据这组控制规则，经模糊推理得到舵角控制指令。由于控制规则是专家操纵船舶经验的总结，因此控制具有航向控制准确度最优和打舵舵效最优性。本实用新型所用的模糊航向控制器在微处理器中模糊控制函数中调用实现，是一个二维模糊控制器。函数的两个输入变量分别是——航向偏差(_3(Γ+30)和转艏角速度(-1 +1)，输出是转舵角度(-35 +35)，共有49条控制规则。其中一条控制规则表达如下:如果航向偏差为“零”，并且转艏角速度为“零”，则转舵角度为“零”；语言变量“零”即是指集合:{ixSb 或 x<a 时，Ζ = 0;当 a<x<0 时，Z = x/ a+1;当 0<x<b 时，Z=χ/b+l}。这条规则说明，当航向偏差小于I度，转艏角速度小于0.1度/秒，船舶已被控制在目标航向上而不需要转舵。以此类推，可得到这样的49条控制规则组成的专家经验知识库。因此，只要已知航向偏差与转艏角速度，模糊控制器依据规则库推理就可以得到舵角输出，实现模糊航向控制。图4为GPS大圆航线法原理图。记经度为λ，纬度为φ，目标方位为点Ψβ),起始方位为点)，从点P到点B的最短路径为大圆(指过点P、点B的圆心在球心处的圆)劣弧段，该劣弧弧长即是船舶从起始方位点P到目标方位点B的最短航程。记地
球半径为R，则该大圆航程计算公式为:
S =- R.cos ! [cosp" * cos φ } cos(Ay., - λ })+ sin φρ.sin φΒ ][0063]船舶沿着该大圆航线行驶到目标方位点的路程是最短的，但行驶过程中，其航向角是不断变化的，航向角a可由下列公式计算得到:
权利要求1.一种船用自动操舵系统，其特征在于，包括: 电子罗经，其包括有陀螺仪、三轴磁场加速度计和单片机，其中，所述单片机与所述陀螺仪以及所述三轴磁场加速度计连接； 舵角传感器； 主机单元，其包括微处理器、转舵控制单元和驱动电路，其中，所述微处理器与所述电子罗经以及舵角传感器连接，接收所述单片机的船舶航向信号、姿态角信号和船艏转速信号以及舵角传感器的舵角位置信号，所述微处理器还与所述转舵控制单元连接，向所述转舵控制单元输出转舵信号，所述转舵控制单元与所述驱动电路连接，向所述驱动电路输出控制信号； 液压舵机，其与所述驱动电路连接，受所述驱动电路驱动。
2.如权利要求1所述的船用自动操舵系统，其特征在于， 还包括:GPS模块； 所述微处理器与所述GPS模块连接，接收所述GPS模块的船舶位置信号以及航速信号。
3.如权利要求2所述的船用自动操舵系统，其特征在于，还包括: 测量信号处理单元，其与所述陀螺仪、电子罗经、GPS模块和舵角传感器连接，接收所述电子罗经的船舶航向信号和船艏转速信号、舵角传感器的舵角位置信号以及GPS模块的船舶位置信号以及航速信号，所述微处理器与所述测量信号处理单元连接。
4.如权利要求1所述的船用自动操舵系统，其特征在于， 所述主机单元还包括人机界面处理单元，所述人机界面处理单元与所述微处理器连接； 还包括: 键盘控制面板，其与所述人机界面处理单元连接，通过所述人机界面处理单元向所述微处理器输入操作信号。
5.如权利要求4所述的船用自动操舵系统，其特征在于，还包括: 遥控器，其与所述微处理器无线通信连接，向所述微处理器输入操作信号以及接收所述微处理器的显示信号。
6.如权利要求1所述的船用自动操舵系统，其特征在于，所述主机单元还包括存储单元，所述存储单元与所述微处理器连接。
7.如权利要求1所述的船用自动操舵系统，其特征在于， 所述主机单元还包括报警处理单元，所述报警处理单元与所述微处理器连接，接收所述微处理器的控制信号； 还包括: 报警器，其与所述报警处理单元连接，受所述报警处理单元的信号驱动。
8.如权利要求3所述的船用自动操舵系统，其特征在于，还包括: 液晶显示器，其与所述人机界面处理单元连接，通过所述人机界面处理单元接收所述微处理器的显示信号。
专利摘要本实用新型公开了一种船用自动操舵系统，包括电子罗经，其包括有陀螺仪、三轴磁场加速度计和单片机，其中，所述单片机与所述陀螺仪以及所述三轴磁场加速度计连接；舵角传感器；主机单元，其包括微处理器、转舵控制单元和驱动电路，其中，所述微处理器与所述电子罗经以及舵角传感器连接，接收所述单片机的船舶航向信号、姿态角信号和船艏转速信号以及舵角传感器的舵角位置信号，所述微处理器还与所述转舵控制单元连接，向所述转舵控制单元输出转舵信号，所述转舵控制单元向所述驱动电路输出控制信号；液压舵机，其受所述驱动电路驱动。本实用新型实现了船舶的准确操舵，操作简单，控制航向准确，节约燃油，提高了船舶航行的经济效益。
文档编号B63H25/08GK203005731SQ20122067994
公开日2013年6月19日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者黄晓东, 卢一福, 徐红, 刘恒鹏, 方如波, 张嘉林 申请人:南宁睿洋自动化科技有限公司