船模无线遥控控制系统设计

船模无线遥控控制系统设计

近年来，各种形式的船模比赛非常受欢迎，尤其是学生比赛。这项比赛不仅可以锻炼运动员的实践技能，还可以测试运动员的思维敏锐。让年轻员工了解导航和海军技能，从小培养航海兴趣。本文根据自己实际操控无线遥控船模的感受和通过对现有船模的结构分析,提出了一种操作方便,控制灵活,智能程度高的船模无线遥控控制系统。一、系统硬件设计该系统的控制对象为按几何相似方法设计加工的,具体以一艘实船长75m,航速为28节的护卫舰按照1:150比例制作的船模。根据该遥控船模在竞赛中的功能要求进行总体设计,将各个功能进行模块化。船模上的控制系统硬件框图如图1所示。其中中央处理器采用DSP微控制器,控制外围设备协调运行;舵机控制遥控船模的运动方向,其驱动采用步进电机控制,反馈采用12位光电编码器;螺旋桨驱动采用直流伺服电机;采用两路超声波传感器作为障碍物探测开关;无线遥控数据传输模块采用PTR2000芯片模块组成;船模供电采用24V锂离子蓄电池。遥控器采用51单片机,通过接收遥控船模的运行状态和运行参数,并可以通过遥控器上的LCD动态显示。1.控制单元的选择船模需要实现的动作和功能虽然较为简单,但是作为航模比赛用,能够取得好成绩,体现操手水平,需要船模具有较高的动态性能,其航速控制精度高,方向控制灵活,实时性好,并具有防撞保护。该系统中的所有任务要求由1个CPU完成,因此采用了TMS320LF2407控制型DSP作为控制单元,其特点为:主频40M,内部有32K的16位FLASH、16路PWM、16路A/D,可移植性和可扩展性强,功耗极低,抗干扰能力强,适用于各种工业控制。因此选用TMS320LF2407为主控制器,可以获得设计结构简单、性能稳定的智能控制系统。2.回归系统的数字伺服系统船模控制中关键的设计是船模螺旋桨及舵机控制设计,其控制主要是一种随动控制,要求其实时性好,航模的加减速度高。由于船模在水中航行其兴波阻力(摩擦力)与地面汽车小,比飞机大,为此其控制硬件选型、控制方式和参数的选取非常重要。由于自航舰船模型的竞赛是采用比例速度的竞赛办法。模型的航速成绩是根据它的速度是否符合比例速度来评定,而不是速度越快得分越高。按照比例速度要求,其平均速度稳定且误差越小,其得分就高,其船模的螺旋桨转速控制至关重要。为此,我们采用数字式直流伺服系统对螺旋桨进行控制,本系统选用的伺服电机及控制器为桂林星辰公司生产的,控制器为数字式MDS系列控制器,供电电源电压为24V,输出电流5A,输出电压5V～24V,可以与100W直流无刷伺服电机相配。该控制器采用16bit微处理器,不但具有优良的控制性能,而且具有对高级决策的支持能力。此外,MDS还具有“电子齿轮箱”的功能,其主/从电机的速度比可从1024:1到1:327670,电压与速度控制比例可任意调节。电机选用直流无刷伺服电机,其额定功率为120w,额定扭矩为1.4Nm,最大转速为600rpm。利用该数字伺服系统控制,可实现螺旋桨的无级调速功能,并能实现正反转和零速制动功能,可满足系统快速启、制动及调速要求,提高船模航速的稳定性。舵机是确定船模运动方向关键,其航迹偏差过大,也会导致比赛所用时间的偏差,从而影响得分。本系统舵机控制采用松下步进电机驱动,其功率为50w,步进电机驱动与舵采用蜗轮蜗杆连接方式,光电编码器直接安装在舵机的轴上作为位置反馈,进行位置闭环控制,精确控制船模舵机的方向。3.频器件nrf40l系统采用迅通公司生产的PTR2000无线通信数据收发模块。电路接口如图2所示。该模块基于NORDIC公司生产的射频器件nRF40l开发,其特点是:有两个频道可供选择。工作速率高达20Kb/s;接收发射合一,适合双工和单工通信,因而通信方式比较灵活;体积小,所需外围元件少,接口电路简单,因此特别适合船模小型化要求;该模块可直接接DSP的串口,控制简单;抗干扰能力强;功耗小,通信稳定,在不加功放的情况下,其通讯距离可以达到200m。4.距离有藻类危险为了船模在航行过程中减小由于操控失误导致船模碰撞,在船模前端和后端各安装超声波传感器。其作用是在设定的距离有障碍物时,其船模会停止或减速前进,避免船模撞坏。其超声波换能器采用MA40S2S,超声波接收器采用MA40S2R,其工作原理为:超声波换能器发射超声波,超声波接收器接收到障碍物反射回的信号,通过信号处理电路整形放大为TTL信号给DSP微控制器,DSP微控制器接到障碍物信号后停止船模运行。二、软件设计由于TMS320家族芯片具有优化的C编译器,因此开发工具可以选用汇编语言或直接使用C语言进行编程。其控制软件流程如图3所示。三、模拟测试测试为了验证该遥控船模效果,我们在实验室中设定了航迹,40m航行距离,按照2.04m/s比赛航速要求,进行了模拟测试,经过10次测试,其运行时间误差在4%以内,即其运行时间在19.1s—20.0s范围内,按照评分,其比赛成绩可以为8分以上(10分制),其中有7次在19.2s—19.9s内(可以达到10分)。实验成绩表如表1所示。四、电机精确控制遥控船模在各类中学、大学船模比赛经常见到,但其粗糙的控制很难在比赛中取得好的成绩,本文提出的采用直流伺服控制系统对船模螺旋桨进行控制,舵机通过步进电机精确控制的设计方案,具有控制实时性好,控制精度高的特点。通过该控制系统改造的遥控船模,在比赛中可以充分发挥选手的操控能力,特别是在航迹较为复杂,转弯较多,选手可以灵活对船模进行加减速控制,