船模無(wú)線遙控控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船模無(wú)線遙控控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近年來，各種形式的船模比賽非常受歡迎，尤其是學(xué)生比賽。這項(xiàng)比賽不僅可以鍛煉運(yùn)動(dòng)員的實(shí)踐技能，還可以測(cè)試運(yùn)動(dòng)員的思維敏銳。讓年輕員工了解導(dǎo)航和海軍技能，從小培養(yǎng)航海興趣。本文根據(jù)自己實(shí)際操控?zé)o線遙控船模的感受和通過對(duì)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(wú)線遙控控制系統(tǒng)。一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的控制對(duì)象為按幾何相似方法設(shè)計(jì)加工的,具體以一艘實(shí)船長(zhǎng)75m,航速為28節(jié)的護(hù)衛(wèi)艦按照1:150比例制作的船模。根據(jù)該遙控船模在競(jìng)賽中的功能要求進(jìn)行總體設(shè)計(jì),將各個(gè)功能進(jìn)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(yùn)行;舵機(jī)控制遙控船模的運(yùn)動(dòng)方向,其驅(qū)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)控制,反饋采用12位光電編碼器;螺旋槳驅(qū)動(dòng)采用直流伺服電機(jī);采用兩路超聲波傳感器作為障礙物探測(cè)開關(guān);無(wú)線遙控?cái)?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(jī),通過接收遙控船模的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù),并可以通過遙控器上的LCD動(dòng)態(tài)顯示。1.控制單元的選擇船模需要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作和功能雖然較為簡(jiǎn)單,但是作為航模比賽用,能夠取得好成績(jī),體現(xiàn)操手水平,需要船模具有較高的動(dòng)態(tài)性能,其航速控制精度高,方向控制靈活,實(shí)時(shí)性好,并具有防撞保護(hù)。該系統(tǒng)中的所有任務(wù)要求由1個(gè)CPU完成,因此采用了TMS320LF2407控制型DSP作為控制單元,其特點(diǎn)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(kuò)展性強(qiáng),功耗極低,抗干擾能力強(qiáng),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(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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)船模控制中關(guān)鍵的設(shè)計(jì)是船模螺旋槳及舵機(jī)控制設(shè)計(jì),其控制主要是一種隨動(dòng)控制,要求其實(shí)時(shí)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(jī)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(jìng)賽是采用比例速度的競(jìng)賽辦法。模型的航速成績(jī)是根據(jù)它的速度是否符合比例速度來評(píng)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(duì)螺旋槳進(jìn)行控制,本系統(tǒng)選用的伺服電機(jī)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(wú)刷伺服電機(jī)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(duì)高級(jí)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(jī)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(jī)選用直流無(wú)刷伺服電機(jī),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(shí)現(xiàn)螺旋槳的無(wú)級(jí)調(diào)速功能,并能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和零速制動(dòng)功能,可滿足系統(tǒng)快速啟、制動(dòng)及調(diào)速要求,提高船模航速的穩(wěn)定性。舵機(jī)是確定船模運(yùn)動(dòng)方向關(guān)鍵,其航跡偏差過大,也會(huì)導(dǎo)致比賽所用時(shí)間的偏差,從而影響得分。本系統(tǒng)舵機(jī)控制采用松下步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),其功率為50w,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與舵采用蝸輪蝸桿連接方式,光電編碼器直接安裝在舵機(jī)的軸上作為位置反饋,進(jìn)行位置閉環(huán)控制,精確控制船模舵機(jī)的方向。3.頻器件nrf40l系統(tǒng)采用迅通公司生產(chǎn)的PTR2000無(wú)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(diǎn)是:有兩個(gè)頻道可供選擇。工作速率高達(dá)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(jiǎn)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(jiǎn)單;抗干擾能力強(qiáng);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(dá)到200m。4.距離有藻類危險(xiǎn)為了船模在航行過程中減小由于操控失誤導(dǎo)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(shí),其船模會(huì)停止或減速前進(jìn),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(hào),通過信號(hào)處理電路整形放大為TTL信號(hào)給DSP微控制器,DSP微控制器接到障礙物信號(hào)后停止船模運(yùn)行。二、軟件設(shè)計(jì)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(yǔ)言或直接使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。其控制軟件流程如圖3所示。三、模擬測(cè)試測(cè)試為了驗(yàn)證該遙控船模效果,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)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(jìn)行了模擬測(cè)試,經(jīng)過10次測(cè)試,其運(yùn)行時(shí)間誤差在4%以內(nèi),即其運(yùn)行時(shí)間在19.1s—20.0s范圍內(nèi),按照評(píng)分,其比賽成績(jī)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(dá)到10分)。實(shí)驗(yàn)成績(jī)表如表1所示。四、電機(jī)精確控制遙控船模在各類中學(xué)、大學(xué)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(jī),本文提出的采用直流伺服控制系統(tǒng)對(duì)船模螺旋槳進(jìn)行控制,舵機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)精確控制的設(shè)計(jì)方案,具有控制實(shí)時(shí)性好,控制精度高的特點(diǎn)。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(fù)雜,轉(zhuǎn)彎較多,選手可以靈活對(duì)船模進(jìn)行加減速控制,