專利名稱：數字式自動操舵儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及船舶自動控制領域，尤其是一種自動操舵儀。
(二)
背景技術：
自動操舵儀(俗稱"自動舵")是船舶操控系統中的重要設備， 直接關系到船舶運營的安全性與經濟性。
現有自動操舵儀可選擇的導航設備接口少，用戶不能根據實際需 求選擇導航方式，且價格較高。
(三)
發明內容
為了克服已有的操舵儀的導航接口少、不能選擇導航方式、成本 高的不足,本發明提供一種具有多種導航接口、既可進行組合導航、也 可單獨導航、降低成本的數字式自動操舵儀。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是
一種數字式自動操舵儀，包括用于讀取和解算導航信號并執行控 制算法的控制器單元，用于接收控制器輸出信號、控制執行機構動作 的輸出控制單元，用于采集舵角信號，送至控制器進行數據處理的舵 角接口單元；用于將外部供電電壓轉換成系統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)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 羅經接口單元，用于接收電羅經信號，并將電羅經信號輸入控制器， 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；模式轉換單元，用于在電子 羅盤與GPS組合導航模式、電羅經與GPS組合導航模式、隨動模式、 手動模式之間的轉換；所述的GPS接口單元、電羅經接口單元、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調節單元，用于外部環 境因素變化時的控制器參數設定，所述參數調節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 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。
本發明的技術構思為本發明設計一種新型的數字式自動操舵儀， 具備電子羅盤、電羅經、GPS三種導航設備接口，既可進行組合導航， 也可單獨導航，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，用于讀取和解算導航信號，執 行控制算法，是本控制系統的核心部分；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；電羅經接 口單元U3，用于接收電羅經信號，并將電羅經信號輸入控制器，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；模式轉換單元U5，用于自動l 模式(電子羅盤與GPS組合導航)、自動2模式(電羅經與GPS組合 導航)、隨動模式、手動模式的轉換。
控制器單元U1的控制過程為控制器首先檢測系統處于手動模 式、隨動模式、自動1模式、自動2模式的哪種工作模式，根據不同 的工作模式執行不同的控制過程。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，繼續檢測；如果有
動作信號輸入，判斷左舵還是右舵，根據判斷輸出相應的控制信號， 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，繼續檢測，如果不一致，檢測是左偏差還是 右偏差，輸出相應的控制信號，直到兩者一致為止，此時，控制過程
結束。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，則調用電子羅盤與GPS組合導航函數；如果電子羅盤工
作正常，GPS工作不正常，則調用電子羅盤導航函數，同時顯示GPS 無效；如果電子羅盤工作不正常，GPS工作正常，則調用GPS導航函 數，同時顯示電子羅盤無效；如果都不正常，則提示無導航信號。若 為自動2模式，控制器檢測電羅經與GPS是否都工作正常，如果都工 作正常，則調用電羅經與GPS組合導航函數；如果電羅經工作正常， GPS工作不正常，則調用電羅經導航函數，同時顯示GPS無效；如果 電羅經工作不正常，GPS工作正常，則調用GPS導航函數，同時顯示 電羅經無效；如果都不正常，則提示無導航信號。
本發明的有益效果主要表現在1、包含多種導航設備接口，既可 進行組合導航，也可單獨導航；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是本發明數字式自動操舵儀的原理結構框圖。
圖2是本發明數字式自動操舵儀的系統原理圖。 圖3是本發明數字式自動操舵儀的控制流程圖。 具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步描述。
參照圖1， 一種數字式自動操舵儀，包括用于讀取和解算導航信 號并執行控制算法的控制器單元U1，用于接收控制器輸出信號、控 制執行機構動作的輸出控制單元U2，用于采集舵角信號，送至控制器 進行數據處理的舵角接口單元U12;用于將外部供電電壓轉換成系統 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；電羅經接 口單元U3，用于接收電羅經信號，并將電羅經信號輸入控制器，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；模式轉換單元U5，用于在電 子羅盤與GPS組合導航模式、電羅經與GPS組合導航模式、隨動模 式、手動模式之間的轉換；所述的GPS接口單元U3、電羅經接口單 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調節單元U7，用于外部環境因素 變化時的控制器參數設定，所述參數調節單元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會)輸出單元U8，用于將自動操 舵儀工作狀態、操舵信息以NMEA0183格式傳給船橋系統或者VDR (Voyage Data Recorder,航行數據記錄儀)。所述供電單元U13將外 部24V直流輸入，經穩壓、濾波處理后供給DC/DC模塊，轉出+ 12V、 + 5V等工作電壓。
控制器單元U1，用于讀取和解算導航信號，執行控制算法。由嵌 入式控制器(MCU)、晶振、起振電容、上拉電阻、復位按鈕組成。 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電平轉換芯片的輸入端，由其輸出 端經雙向緩沖寄存器后接光電耦合器的輸入端，經光耦后與控制器的 I/O 口連接。
電羅經接口單元U3由RS485電平轉換芯片，雙向緩沖寄存器，光 電耦合器組成。電羅經信號接RS485電平轉換芯片的輸入端，由其輸 出端經雙向緩沖寄存器后接光電耦合器的輸入端，經光耦后與控制器 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電平轉換芯片的輸入端，由 其輸出端經雙向緩沖寄存器后接光電耦合器的輸入端，經光耦后與控
制器的i/o口連接。
模式轉換單元U5由多檔轉換開關，電阻、去抖芯片組成。電阻一 端接5V電源，另一端接多檔轉換開關輸入端，轉換開關的公共端接 地，同時轉換開關的輸入端接去抖芯片的輸入端，信號經去抖芯片輸 出端輸出后接控制器的1/0 口。
輸出控制單元U6由電阻、場效應管組成。控制器的輸出信號經電 阻后接場效應管的控制端，控制場效應管的導通與截止。
參數調節單元U7由3個電位器組成，分別對靈敏度(天氣調節)、 壓舵角、偏航角進行調節。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電平轉換 芯片組成。控制器產生的NMEA信號經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電平轉換芯片的輸入端,RS232 的輸出端與所需NMEA信號的外部設備連接。
人機界面單元U9由液晶屏、電位器、按鈕、設定開關組成。按鈕 用于信息輸入時的確認與取消。設定開關與模式轉換開關配合使用， 自動模式時，設定開關用于航向設定；手動模式時，用于手動操舵(簡 單操舵)。液晶屏的數據線與控制器的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。按鈕與設定開關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、發光二極管組成。當實際 航向偏離設定航向時，揚聲器發出報警聲音，同時二極管發光。左舵
或右舵動作時，二極管發光給出指示信號。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。發光二極管的正
端接控制器的i/o口，負端接地。
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5A熔斷器后接保護二極管正端，二 極管負端接電解電容的正端，電解電容負端接地。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。
權利要求
1、一種數字式自動操舵儀，包括用于讀取和解算導航信號并執行控制算法的控制器單元，用于接收控制器輸出信號、控制執行機構動作的輸出控制單元，用于采集舵角信號，送至控制器進行數據處理的舵角接口單元；用于將外部供電電壓轉換成系統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；電羅經接口單元，用于接收電羅經信號，并將電羅經信號輸入控制器，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；模式轉換單元，用于在電子羅盤與GPS組合導航模式、電羅經與GPS組合導航模式、隨動模式、手動模式之間的轉換；所述的GPS接口單元、電羅經接口單元、電子羅盤接口單元連接控制器單元，所述的模式轉換單元連接控制器單元。
2、 如權利要求l所述的數字式自動操舵儀，其特征在于所述的自動 操舵儀還包括參數調節單元，用于外部環境因素變化時的控制器參 數設定，所述參數調節單元連接控制器單元。
3、 如權利要求1或2所述的數字式自動操舵儀，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、 如權利要求3所述的數字式自動操舵儀，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、 如權利要求3所述的數字式自動操舵儀，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
一種數字式自動操舵儀，包括用于讀取和解算導航信號并執行控制算法的控制器單元，用于接收控制器輸出信號、控制執行機構動作的輸出控制單元，用于采集舵角信號，送至控制器進行數據處理的舵角接口單元；用于將外部供電電壓轉換成系統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、電羅經接口單元、電子羅盤接口單元以及模式轉換單元；GPS接口單元、電羅經接口單元、電子羅盤接口單元連接控制器單元，模式轉換單元連接控制器單元。本發明提供一種具有多種導航接口、既可進行組合導航、也可單獨導航、降低成本的數字式自動操舵儀。
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 優先權日2007年7月24日
發明者偉 何, 立 俞, 馮遠靜, 鉷 宋, 浩 封, 徐建明, 游 滕, 熊遠生 申請人:浙江工業大學