一种陆标定位训练平台的开发

时间：2022-03-09 理论教育版权反馈

【摘要】：陆标定位训练平台对于航海基础的训练教学非常重要。为了解决这个问题，必须让学员在航行实习前在陆标定位训练平台进行大量模拟训练。本文给出了一种简单经济的陆标定位训练平台开发方案。陆标定位训练的核心是以目标沙盘代替海上的真实物标，同时根据相对运动原理，采用两个步进电机拖动沙盘运动来模拟舰艇的运动，陆标定位训练平台由控制台、分罗经、沙盘系统和LED显示四个部分组成。

一种陆标定位训练平台的开发

刘小虎　吴岿华

（海军工程大学管理工程系，湖北武汉430033）

摘　要：本文提出了一种简单实用的陆标定位训练平台开发方案。该方案使用工控机的串口资源，分别控制沙盘系统，分罗经系统，以及LED电子屏系统，给出了沙盘控制系统的自定义协议通讯方法，分析了模拟罗经的控制软件流程。该系统目前在实际教学中得到了较好的评价。

关键词：陆标定位　单片机　串口通讯

陆标定位训练平台对于航海基础的训练教学非常重要。陆标定位的五个关键步骤是：认、选、测、绘、填。为了让学员熟练掌握陆标定位的五个关键环节，一般采用训练室教学结合海上航行教学两种手段。海上航行教学以海上的真实岛屿等为测量对象，实测船只的位置，教学效果比较好，但是海上航行教学成本高，而且很多学员在海上实习前由于没有很好掌握陆标定位的技能，因而海上训练的效果就打了很大的折扣。为了解决这个问题，必须让学员在航行实习前在陆标定位训练平台进行大量模拟训练。本文给出了一种简单经济的陆标定位训练平台开发方案。

1　系统框图

陆标定位训练的核心是以目标沙盘代替海上的真实物标，同时根据相对运动原理，采用两个步进电机拖动沙盘运动来模拟舰艇的运动，陆标定位训练平台由控制台、分罗经、沙盘系统和LED显示四个部分组成。系统如图1所示。

图1　陆标定位训练平台结构

2　沙盘拖动控制系统

采用横轴步进电机X和纵轴步进电机Y两个步进电机来拖动沙盘，根据步进电机的功率、控制精度要求，选用了合适的步进电机驱动器。步进电机的控制则采用了非常廉价经济的单片机89C51，工控机经过电子海图模型计算出船只的速度、航行等信息，并且将这些信息转化成X轴电机和Y轴电机的运行速度指令和运行距离指令，这些指令通过工控机的串口RS232与单片机进行通讯联系，单片机接收到串口送来的指令后，转换成控制脉冲输入步进电机驱动器。步进电机控制系统如图2所示。

图2　沙盘拖动控制系统

工控机发出的串口指令数据格式定义如下。

首先所有的参数和命令均采用10个字节，其中：运行命令为AA55AA0155；停止命令为AA55AA0255；自检命令为AA55AA0455；速度设定AA55AA03XX，缺省XX＝0，速度为16节。四个象限的偏移量均用3个字节表示，A表示正方向，5表示负方向。

具体格式设定如下：

第一象限AXXX20AXXX；第二象限5XXX20AXXX

第三象限5XXX205XXX；第四象限AXXX205XXX

下位机回送的ACK数据格式比较简单，长度为4个字节，前两个字节为AA，后两个字节依次为：01第一象限数据正确，02第二象限数据正确，03第三象限数据正确，04第四象限数据正确；05运行命令；06停止命令；07自检命令；08速度设定正确；09计划航线执行完毕；0A电机运行超出边界。

为了保证通讯的可靠性，上位机发送命令或者参数，下位机收到数据后，先进行数据检查，数据如果认定有效之后，回送一个应答信号ACK，表示收到了的正确的命令和参数。而上位机收到了来自下位机的应答信号后，本次通讯就正常结束EOT。通讯正常情况下流程图如图3所示。

图3　通讯流程

由于拖动沙盘的两个电机运行在两个相互垂直配置的轨道上，轨道的长度必然受限制，因此两个电机的运行不能超出轨道范围，否则发生脱轨就会损坏沙盘。为了防止电机运行超出边界，采用了两级措施：首先在软件层次，实时计算两个电机的位置，一旦将要出界，则发出停机指令，使电机停止运行；其次在硬件层次，在轨道上配置了4个位置传感器，当位置传感器检测到电机将要出界时，送出中断信号给单片机，使系统停止运行。X轴轨道位置传感器的配置如图4所示。

图4　位置传感器配置

位置传感器配置在轨道边界的侧面，当拖动沙盘的滑轮经过传感器时，传感器就会送出中断信号，由于沙盘与工控机的距离有15m左右，为了提高传感器信号的抗干扰能力，传感器采用了24V供电，由于传感器输出位集电极开路方式，因此其输出通过电阻上拉到5V就可以送到单片机的I/O引脚了。

3　模拟罗经驱动系统设计

实际的分罗经信号来源于主罗经，而一套主罗经价格非常昂贵，这里采用了模拟罗经的方式，模拟航海罗经有单片机、步进电机、自整角机和其驱动电路形成闭环控制系统。模拟罗经的控制如图5所示。

图5　模拟罗经驱动控制

步进电机作为模拟罗经的执行元件，用来驱动表盘的转动，因此，对其主要靠转动方向的脉冲和转动位置的脉冲来完成。如果在单位时间段内，航向变化频率是不同的，这就需要不同频率的信号源实时驱动步进电机的转动。由于自整角机与步进电机通过齿轮连接，步进电机的转动也带动了自整角机的转动。模拟罗经的控制软件流程如图6所示。

图6　模拟罗经软件流程

4　控制台软件设计

工控机是整个训练平台的大脑，主要工作如下：用户通过模拟电子海图系统设定了计划航线后，根据计划，计算出每个航线的航向、航速、每个航线的经度差、纬度差；然后根据航向信息控制模拟罗经系统；根据航速、每个航线的经差、纬差控制沙盘拖动系统，最后输出一些提示信息方便学员填写航海日志。工控机采用VC6进行编程，调试步进电机界面如图7所示。