船模無線遙控控制系統(tǒng)設(shè)計

船模無線遙控控制系統(tǒng)設(shè)計

近年來，各種形式的船模比賽非常受歡迎，尤其是學生比賽。這項比賽不僅可以鍛煉運動員的實踐技能，還可以測試運動員的思維敏銳。讓年輕員工了解導航和海軍技能，從小培養(yǎng)航海興趣。本文根據(jù)自己實際操控無線遙控船模的感受和通過對現(xiàn)有船模的結(jié)構(gòu)分析,提出了一種操作方便,控制靈活,智能程度高的船模無線遙控控制系統(tǒng)。一、系統(tǒng)硬件設(shè)計該系統(tǒng)的控制對象為按幾何相似方法設(shè)計加工的,具體以一艘實船長75m,航速為28節(jié)的護衛(wèi)艦按照1:150比例制作的船模。根據(jù)該遙控船模在競賽中的功能要求進行總體設(shè)計,將各個功能進行模塊化。船模上的控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。其中中央處理器采用DSP微控制器,控制外圍設(shè)備協(xié)調(diào)運行;舵機控制遙控船模的運動方向,其驅(qū)動采用步進電機控制,反饋采用12位光電編碼器;螺旋槳驅(qū)動采用直流伺服電機;采用兩路超聲波傳感器作為障礙物探測開關(guān);無線遙控數(shù)據(jù)傳輸模塊采用PTR2000芯片模塊組成;船模供電采用24V鋰離子蓄電池。遙控器采用51單片機,通過接收遙控船模的運行狀態(tài)和運行參數(shù),并可以通過遙控器上的LCD動態(tài)顯示。1.控制單元的選擇船模需要實現(xiàn)的動作和功能雖然較為簡單,但是作為航模比賽用,能夠取得好成績,體現(xiàn)操手水平,需要船模具有較高的動態(tài)性能,其航速控制精度高,方向控制靈活,實時性好,并具有防撞保護。該系統(tǒng)中的所有任務(wù)要求由1個CPU完成,因此采用了TMS320LF2407控制型DSP作為控制單元,其特點為:主頻40M,內(nèi)部有32K的16位FLASH、16路PWM、16路A/D,可移植性和可擴展性強,功耗極低,抗干擾能力強,適用于各種工業(yè)控制。因此選用TMS320LF2407為主控制器,可以獲得設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的智能控制系統(tǒng)。2.回歸系統(tǒng)的數(shù)字伺服系統(tǒng)船?？刂浦嘘P(guān)鍵的設(shè)計是船模螺旋槳及舵機控制設(shè)計,其控制主要是一種隨動控制,要求其實時性好,航模的加減速度高。由于船模在水中航行其興波阻力(摩擦力)與地面汽車小,比飛機大,為此其控制硬件選型、控制方式和參數(shù)的選取非常重要。由于自航艦船模型的競賽是采用比例速度的競賽辦法。模型的航速成績是根據(jù)它的速度是否符合比例速度來評定,而不是速度越快得分越高。按照比例速度要求,其平均速度穩(wěn)定且誤差越小,其得分就高,其船模的螺旋槳轉(zhuǎn)速控制至關(guān)重要。為此,我們采用數(shù)字式直流伺服系統(tǒng)對螺旋槳進行控制,本系統(tǒng)選用的伺服電機及控制器為桂林星辰公司生產(chǎn)的,控制器為數(shù)字式MDS系列控制器,供電電源電壓為24V,輸出電流5A,輸出電壓5V～24V,可以與100W直流無刷伺服電機相配。該控制器采用16bit微處理器,不但具有優(yōu)良的控制性能,而且具有對高級決策的支持能力。此外,MDS還具有“電子齒輪箱”的功能,其主/從電機的速度比可從1024:1到1:327670,電壓與速度控制比例可任意調(diào)節(jié)。電機選用直流無刷伺服電機,其額定功率為120w,額定扭矩為1.4Nm,最大轉(zhuǎn)速為600rpm。利用該數(shù)字伺服系統(tǒng)控制,可實現(xiàn)螺旋槳的無級調(diào)速功能,并能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和零速制動功能,可滿足系統(tǒng)快速啟、制動及調(diào)速要求,提高船模航速的穩(wěn)定性。舵機是確定船模運動方向關(guān)鍵,其航跡偏差過大,也會導致比賽所用時間的偏差,從而影響得分。本系統(tǒng)舵機控制采用松下步進電機驅(qū)動,其功率為50w,步進電機驅(qū)動與舵采用蝸輪蝸桿連接方式,光電編碼器直接安裝在舵機的軸上作為位置反饋,進行位置閉環(huán)控制,精確控制船模舵機的方向。3.頻器件nrf40l系統(tǒng)采用迅通公司生產(chǎn)的PTR2000無線通信數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。電路接口如圖2所示。該模塊基于NORDIC公司生產(chǎn)的射頻器件nRF40l開發(fā),其特點是:有兩個頻道可供選擇。工作速率高達20Kb/s;接收發(fā)射合一,適合雙工和單工通信,因而通信方式比較靈活;體積小,所需外圍元件少,接口電路簡單,因此特別適合船模小型化要求;該模塊可直接接DSP的串口,控制簡單;抗干擾能力強;功耗小,通信穩(wěn)定,在不加功放的情況下,其通訊距離可以達到200m。4.距離有藻類危險為了船模在航行過程中減小由于操控失誤導致船模碰撞,在船模前端和后端各安裝超聲波傳感器。其作用是在設(shè)定的距離有障礙物時,其船模會停止或減速前進,避免船模撞壞。其超聲波換能器采用MA40S2S,超聲波接收器采用MA40S2R,其工作原理為:超聲波換能器發(fā)射超聲波,超聲波接收器接收到障礙物反射回的信號,通過信號處理電路整形放大為TTL信號給DSP微控制器,DSP微控制器接到障礙物信號后停止船模運行。二、軟件設(shè)計由于TMS320家族芯片具有優(yōu)化的C編譯器,因此開發(fā)工具可以選用匯編語言或直接使用C語言進行編程。其控制軟件流程如圖3所示。三、模擬測試測試為了驗證該遙控船模效果,我們在實驗室中設(shè)定了航跡,40m航行距離,按照2.04m/s比賽航速要求,進行了模擬測試,經(jīng)過10次測試,其運行時間誤差在4%以內(nèi),即其運行時間在19.1s—20.0s范圍內(nèi),按照評分,其比賽成績可以為8分以上(10分制),其中有7次在19.2s—19.9s內(nèi)(可以達到10分)。實驗成績表如表1所示。四、電機精確控制遙控船模在各類中學、大學船模比賽經(jīng)常見到,但其粗糙的控制很難在比賽中取得好的成績,本文提出的采用直流伺服控制系統(tǒng)對船模螺旋槳進行控制,舵機通過步進電機精確控制的設(shè)計方案,具有控制實時性好,控制精度高的特點。通過該控制系統(tǒng)改造的遙控船模,在比賽中可以充分發(fā)揮選手的操控能力,特別是在航跡較為復雜,轉(zhuǎn)彎較多,選手可以靈活對船模進行加減速控制,