数字舵,是船舶航行控制的核心单元,其根据操作者发出的指令,结合当前船舶自身所处的状态,完成对舵机的控制,从而改变或保持船舶的航向。目前,数字舵的研究与设计已经成为船舶领域一个重要的课题,随着社会的发展,对于数字舵的硬件经济性、以及控制算法的稳定性要求越来越高。本文设计了一款基于ARM的小型智能数字舵,并将反馈二次型最优控制算法作为船舶的智能控制算法嵌入微控制器中,最终完成整个数字舵在闭环状态下的试验仿真。首先,本文对数字舵的系统功能进行了概述。介绍了数字舵的三种操舵工作模式,分别包括随动模式、自动模式以及航迹模式;对数字舵的供电单元要求进行了分析,包括主电源以及备用电源等;并且分析了自动舵的显示功能以及操作方式。其次,本文对数字舵的硬件进行了设计与实现。针对微处理器的选择,舵控单元和显控单元皆选用LPC2119作为主控芯片;整个数字舵的硬件可以分为四个模块,分别为供电单元、显控单元、舵控单元以及算法单元,本文第三章对每部分电路进行了详尽的介绍。显控单元主要包括显示屏、按键以及CAN通信电路;舵控单元作为数字舵的枢纽,其主要功能为接收、处理、发送数据以及控制舵机转动,其电路主要分为输入电路和输出电路两个部分;算法单元本文选用EM9287工控板。然后,本文对整个数字舵的软件部分进行设计。除了常规的硬件驱动程序之外,本文的软件部分主要包含三个部分,第一部分是对显示界面的软件设计,实现过程中,本文采用了状态机的设计思想,在操作者下达操作指令后,微处理器根据指令以及“现态”判定如何执行,并跳转至次态;第二部分为CAN通信软件设计,CAN通信作为显控单元与舵控单元间的通信方式,本文将主控芯片设置为FullCAN模式,并编写了内部的通讯协议内容;第三部分是对航向控制算法的软件设计,航向数字舵的精髓在于航向控制算法,其控制效果的好坏直接影响船舶航行的安全性、经济性,本文采用二次型最优控制算法,并对其进行软件实现,为了抵消非线性干扰对船舶航向控制的影响,本文又加入了反馈线性化算法进行优化。最后,本文对这个系统进行试验验证,首先,对硬件部分的CAN通信进行试验,试验验证显控单元与舵控单元的CAN通信可以正常工作,然后将数字舵与实验室的船舶运动模拟器、电动模拟舵机以及舵机反馈装置相连,进行半实物仿真,分别对国际IEC62065标准中的三类船舶模型进行控制,得出的控制效果皆满足国际ISO11674标准。可以表明本文设计的航向数字舵其控制算法具有响应时间快、抗干扰能力强等优点,可用于实际船舶控制。