CN101281409A - 自动操舵仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于双CAN网络的自动操舵仪,包括:操作单元,连接到第一局域控制网,用于接收指定航向信息和用于控制算法的控制信息,并通过第一局域控制网将指定航向信息和控制信息发送给第一主控单元;接口处理单元,连接到第一局域控制网,用于通过第一局域控制网将来自外部设备的与当前航向有关的信息发送给第一主控单元;以及第一主控单元,连接到第一局域控制网,用于通过第一局域控制网接收指定航向信息、控制信息、及与当前航向有关的信息,并通过控制算法根据指定航向信息、控制信息、及与当前航向有关的信息来计算舵令,并根据舵令对操舵装置进行控制。
Description
技术领域
本发明涉及船舶上的自动舵,具体涉及一种自动操舵仪。
背景技术
关于自动舵:
自动舵用于实现对船舶的自动驾驶。它是在随动舵的基础上,利用电罗经或磁罗经、GPS等设备,通过实时获取实际航向和设定航向之间的偏航信号、船舶速度、以及海况、风、浪、流等环境信息,自动运行航迹控制算法,计算得到并给出舵令以控制船舶到指定航向/航迹上,最终实现自动驾驶功能。自动舵内部涉及到多个功能单元之间,以及和多种船舶传感器之间的数据交换,同时需要连接到船舶设备网络,和其他船舶设备进行数据交换。
目前自动舵在数据通信和外部联网的实现机制上有以下几种:
1.数据总线方式
数据总线读写方式是一种数据空间读写访问的数据交换方式。信息传送是通过地址总线、数据总线和控制总线来完成的,这种方式传递速率高,但是其性能受限于单板电路。
2.IO端口方式
IO端口可以有串行和并行两种方式,自动舵内部功能单元之间使用IO端***换数据,受限于通信的速率和通信线的距离,不能实现复杂的软件通信协议。另外IO端口方式基本无法实现外部联网。目前有些机械式的自动舵广泛采用此方式。
3.其他总线
目前实用的自动舵内部广泛使用RS422/RS232/RS485等系列的总线。RS422/RS485限于单主从方式,多主从的总线数据冲突和碰撞侦测无法实现,其他的总线方式受限于点对点的通信,根本无法实现内部多个功能单元的联网通信。
以上各数据交换和通信方式缺点:
1.自动舵无扩展性或者扩展性能弱。自动舵内部各功能单元无法即插即用的加到内部通信网络。
2.自动舵的数据通信的可靠性差,由于不带总线数据冲突检测,数据通信失败率高。
3.自动舵外部联网的功能差,甚至没有提供此功能。
4.自动舵不能实现复杂的软件通信协议。
5.自动舵数据交换的安全性差。
发明内容
鉴于以上所述的一个或多个问题,本发明提出了一种自动操舵仪器,旨在解决自动舵通信效率低、可扩展性差、不能实现复杂软件通信协议等以上问题,以提供一套高效和可靠的数据通信网络及解决方案。
根据本发明的自动操舵仪包括:操作单元,连接到第一局域控制网,用于接收指定航向信息和用于控制算法的控制信息,并通过第一局域控制网将指定航向信息和控制信息发送给第一主控单元;接口处理单元,连接到第一局域控制网,用于通过第一局域控制网将来自外部设备的与当前航向有关的信息发送给第一主控单元;以及第一主控单元,连接到第一局域控制网,用于通过第一局域控制网接收指定航向信息、控制信息、及与当前航向有关的信息,并通过控制算法根据指定航向信息、控制信息、及与当前航向有关的信息来计算舵令,并根据舵令对操舵装置进行控制。
该自动操舵仪还包括:报警控制单元,连接到第一局域控制网,用于通过第一局域网接收报警信息并根据重要程度对报警信息进行筛选,通过第一局域网将筛选后的报警信息发送给报警显示单元;报警显示单元,连接到第一局域控制网,用于通过第一局域网接收来自报警控制单元的筛选后的报警信息并产生相应的报警信号;远程主控单元,连接到第二局域控制网,其中,第二局域控制网连接到第一局域控制网,远程控制单元用于通过第二局域控制网将预先设置的舵令发送给第一局域控制网,以根据预先设置的舵令对操舵装置进行远程控制;以及协议转换装置,连接到第二局域控制网,用于第二局域控制网与外部网络之间的协议转换和信息交互。其中,外部网络是船舶设备网。在物理链路上隔离第一局域控制网和第二局域控制网,以在第一局域控制网或第二局域控制网之一出现故障的情况下不影响另一个的正常运行。
该自动操舵仪还包括:与第一主控单元的配置相同的第二主控单元,第二主控单元用于在第一主控单元出现故障的情况下替代第一主控单元。其中,与当前航向有关的信息包括当前航向值、当前舵角值、及与当前地理环境有关的信息中的一种或多种信息。操作单元还用于接收舵令、当前航向值、工作模式、传感器状态、***故障信息、及操舵装置的舵角反馈值中的一种或多种信息并进行相应的显示。
通过本发明,解决了自动舵通信效率低、可扩展性差、不能实现复杂软件通信协议等的问题,提供了一套高效和可靠的数据通信网络及解决方案。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是根据本发明的实施例的自动操舵仪的示意图;
图2是根据本发明的实施例的自动操舵仪的协议转换装置(例如,协议适配器)的功能示意图;以及
图3是根据本发明的实施例的自动操舵仪的多个重要功能单元通过第一局域控制网(内网CAN)进行通信的过程示意图。
具体实施方式
下面参考附图,详细说明本发明的具体实施方式。
本发明涉及一种基于CAN(Controller Area Network,局域控制网)总线通信与控制的自动舵,通过设计可靠和合理的组网方式,不仅实现了自动舵的自动驾驶功能,而且完成了自动舵内部网络和外部网络的安全而有效的数据交换,并带丰富的扩展功能。
图1是根据本发明的实施例的自动操舵仪的示意图。如图1所示,该自动操舵仪包括:操作单元102,连接到第一局域控制网106,用于接收指定航向信息和用于控制算法的控制信息,并通过第一局域控制网将指定航向信息和控制信息发送给第一主控单元;接口处理单元104,连接到第一局域控制网,用于通过第一局域控制网将来自外部设备的与当前航向有关的信息发送给第一主控单元;以及第一主控单元108,连接到第一局域控制网,用于通过第一局域控制网接收指定航向信息、控制信息、及与当前航向有关的信息,并通过控制算法根据指定航向信息、控制信息、及与当前航向有关的信息来计算舵令,并根据舵令对操舵装置进行控制。
该自动操舵仪还包括:报警控制单元110,连接到第一局域控制网,用于通过第一局域网接收报警信息并根据重要程度对报警信息进行筛选,通过第一局域网将筛选后的报警信息发送给报警显示单元;报警显示单元112,连接到第一局域控制网,用于通过第一局域网接收来自报警控制单元的筛选后的报警信息并产生相应的报警信号;远程主控单元114,连接到第二局域控制网116,其中,第二局域控制网连接到第一局域控制网,远程控制单元用于通过第二局域控制网将预先设置的舵令发送给第一局域控制网,以根据预先设置的舵令对操舵装置进行远程控制;以及协议转换装置(协议适配器)118,连接到第二局域控制网,用于第二局域控制网与外部网络之间的协议转换和信息交互。其中,外部网络是船舶设备网。在物理链路上隔离第一局域控制网和第二局域控制网,以在第一局域控制网或第二局域控制网之一出现故障的情况下不影响另一个的正常运行。
该自动操舵仪还包括:与第一主控单元的配置相同的第二主控单元,第二主控单元用于在第一主控单元出现故障的情况下替代第一主控单元。其中,与当前航向有关的信息包括当前航向值、当前舵角值、及与当前地理环境有关的信息中的一种或多种信息。操作单元还用于接收舵令、当前航向值、工作模式、传感器状态、***故障信息、及操舵装置的舵角反馈值中的一种或多种信息并进行相应的显示。
在本发明的实施例中,在自动舵(自动操舵仪)规划并设计双CAN网络:内网CAN和外网CAN。自动舵使用外网CAN处理与外部网络的数据交换,包括挂接在外网CAN上的RC(远程主控单元)以及通过协议适配器连接的船舶设备网等。自动舵中的主控单元、接口处理单元等功能单元挂接在内网CAN上,它是相对独立的一个总线。外部设备如计程仪、罗经、雷达、电子海图等多种信号经过自动舵的接口处理单元采集并接收处理后,全部放到内网CAN上,并发送到相应的功能单元,如需要雷达、电子海图的主控单元,需要罗经信号的操作单元等。另外,自动舵内部的数据交换都在内网CAN上进行。
图2是根据本发明的实施例的自动操舵仪的协议转换装置(例如,协议适配器)的功能示意图。如图2所示,自动舵为外网CAN提供一个协议适配器,专门用于CAN协议和其他协议之间的转换。自动舵和船舶设备网的外部数据交换是通过外网CAN进行的,数据经过单片机处理后,与内网CAN交换数据。自动舵在电气上隔离了两种CAN网络,通过单片机交换CAN网络的数据,这样内网和外网在物理链路上隔离,保证了其中一个网络出现问题,不会影响另外的网络。这样的设计保护了内网重要的功能单元,并保证了数据交换的安全可靠性。
远程主控单元直接挂接在外网CAN上。根据操舵要求,自动舵可以挂接多个远程控制设备。在远程控制模式下,远程主控单元将替代主控单元的功能,直接控制船舶航向。
图3是根据本发明的实施例的自动操舵仪的多个重要功能单元通过第一局域控制网(内网CAN)进行通信的过程示意图。如图3所示,示出了本发明的实施例中的自动舵的功能单元以及它们在内网CAN中的所有控制的数据通信。其中箭头指示数据在内网CAN上的走向。经过一系列数据交换,主控单元运行控制算法,计算得出舵令,最终控制船舶到指定的航迹上。
自动舵几个重要的功能单元通过内网CAN通信的过程描述如下:
操作单元,给出设定航向值、控制参数值等参数,数据打包后放到内网CAN上,这些数据将发送给主控单元。同时操作单元将从内网CAN上接收主控单元给出的舵令值、舵角反馈值,以及接口处理单元给出的当前航向值等,并在操作单元的面板上显示;
主控单元:自动舵中有两个主控单元互为备份。工作时只有一个主控单元工作,在其瘫痪时,***自动启动另一个主控单元。主控单元通过内网CAN接收当前航向值、当前舵角值、当前环境参数各类信息,通过设计的控制算法进行计算而给出舵令,通过IO数据线发送给执行机构进行操舵;
接口处理单元,负责接收外部设备,如计程仪、雷达、罗经等传感器的输入信息,打包后通过特定数据通道传递给主控单元;另外接口处理单元将自动舵***的数据和状态信息,通过内网CAN发送到操作单元,以供操作单元的面板上显示。
报警控制单元,通过从内网CAN上接收相关的报警信息,经过信息帅选后,决定哪些报警信息应该发给报警显示,并从新打包后经过内网CAN发送到报警显示单元,用于指示自动舵的报警状态。
报警显示单元,挂接在内网CAN上,专门从报警控制单元获取自动舵的报警信息,并用声光指示这些信息。
本发明的自动舵设计自定义的CAN通信协议,规定了内网每个功能单元以及外网设备的通信内容和机制,从而提高***的抗干扰性能与***工作的可靠性。以下是协议定义的部分内容:
1.通信标识符
按照CAN2.0B的扩展帧的29位标识符设计。信息优先级由高到低:功能标识,命令标识和目标地址。优先级高的优先占用总线,保证了各个节点间占用总线的冲突。
位序号 | 31~29 | 28~23 | 22~18 | 17~0 |
标识符的位 | ID28~26 | ID25~20 | ID19~15 | ID14~0 |
含义 | 功能标识 | 命令标识 | 目标节点地址 | 保留/或者依赖CAN控制器的芯片要求,如果是保留位,则不能进行写操作 |
2.节点地址
占用ID的5位,可以表示32个节点。自动舵内部通信的节点地址划分如下:
节点地址 | 含义 | 说明 |
0~4 | 保留 | 功能预留 |
5 | 主控单元 | |
6 | 接口处理单元 | |
7 | 操纵单元 | |
8 | 报警单元 | |
9 | 电源单元 | 如果不作为总线节点,可以将其划掉 |
11~14 | 保留 | 功能预留 |
15~19 | 总线监控设备 | 划分给总线通信监控的设备,如PC,手抄器等。可用于测试、维护等 |
20~31 | 保留 | 功能预留 |
数值越低,优先级越高。
3.数据域设计规则
根据DLC的规定,CAN一帧最多能包含8个有效数据,除去一个校验字节,实际的有效字节是7个。数据域设计的原则在于,尽量能将信息放在7个字节里传递。碰到信息多于7个字节的情况,需要指定分包原则。
字节序号 | 1 | 2~(N-1) | N |
含义 | 本帧标识字节 | 数据 | 校验和 |
表示 | DATA0 | DATA1~DATA(N-1) | DATA(N) |
其中N小于8。
为了能传递多帧,在DATA0的各个位含义如下
位序号 | 7~3 | 2~1 | 0 |
含义 | 源地址(发送节点的地址) | 数据域功能标识 | 单帧和多帧标识 |
标识 | Bit7~Bit3 | Bit2~Bit1 | Bit0 |
通过本发明,在自动舵中规划和设计了双CAN网络,从而实现了自动舵高效、可靠的、扩展性强的数据通信,同时提供了一套和外部船舶设备网络进行通信的解决方案。有以下几个特点:自动舵的双CAN网络设计;自动舵外部多类设备的数据采集以及内部功能单元大量数据在内网中的通信机制,通信速率提高到1Mbps;自动舵提供外网用于和船舶设备网的通信,并提供和内网数据交换的机制,外网通信距离长达10Km。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种自动操舵仪,其特征在于,包括:
操作单元,连接到第一局域控制网,用于接收指定航向信息和用于控制算法的控制信息,并通过所述第一局域控制网将所述指定航向信息和所述控制信息发送给第一主控单元;
接口处理单元,连接到所述第一局域控制网,用于通过所述第一局域控制网将来自外部设备的与当前航向有关的信息发送给所述第一主控单元;以及
所述第一主控单元,连接到所述第一局域控制网,用于通过所述第一局域控制网接收所述指定航向信息、所述控制信息、及所述与当前航向有关的信息,并通过所述控制算法根据所述指定航向信息、所述控制信息、及所述与当前航向有关的信息来计算舵令,并根据所述舵令对操舵装置进行控制。
2.根据权利要求1所述的自动操舵仪,其特征在于,还包括:
报警控制单元,连接到所述第一局域控制网,用于通过所述第一局域网接收报警信息并根据重要程度对所述报警信息进行筛选,通过所述第一局域网将筛选后的报警信息发送给报警显示单元;以及
所述报警显示单元,连接到所述第一局域控制网,用于通过所述第一局域网接收来自所述报警控制单元的所述筛选后的报警信息并产生相应的报警信号。
3.根据权利要求1所述的自动操舵仪,其特征在于,还包括:
远程主控单元,连接到第二局域控制网,其中,第二局域控制网连接到所述第一局域控制网,所述远程控制单元用于通过所述第二局域控制网将预先设置的舵令发送给所述第一局域控制网,以根据所述预先设置的舵令对所述操舵装置进行远程控制。
4.根据权利要求3所述的自动操舵仪,其特征在于,还包括:
协议转换装置,连接到所述第二局域控制网,用于所述第二局域控制网与外部网络之间的协议转换和信息交互。
5.根据权利要求4所述的自动操舵仪,其特征在于,所述外部网络是船舶设备网。
6.根据权利要求5所述的自动操舵仪,其特征在于,在物理链路上隔离所述第一局域控制网和所述第二局域控制网,以在所述第一局域控制网或第二局域控制网之一出现故障的情况下不影响另一个的正常运行。
7.根据权利要求1所述的自动操舵仪,其特征在于,还包括:
与所述第一主控单元的配置相同的第二主控单元,所述第二主控单元用于在所述第一主控单元出现故障的情况下替代所述第一主控单元。
8.根据权利要求1至7所述的自动操舵仪,其特征在于,所述与当前航向有关的信息包括当前航向值、当前舵角值、及与当前地理环境有关的信息中的一种或多种信息。
9.根据权利要求8所述的自动操舵仪,其特征在于,所述操作单元还用于接收所述舵令、所述当前航向值、工作模式、传感器状态、***故障信息、及所述操舵装置的舵角反馈值中的一种或多种信息并进行相应的显示。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121114 |