CN102085909B - 适用于小型船舶的大角度自动泊船装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于小型船舶的大角度自动泊船装置。现有自动泊船装置结构复杂，成本高。本发明是在船头低于船甲板安装有测距超声传感器，圆形底盘安装在船头甲板上，旋转用电机与底盘固定安装，旋转用电机的输出轴连接有固定板；固定板上装有伸缩用电机、丝杆、螺母和测障超声传感器，伸缩用电机驱动丝杆转动，丝杆的转动可带动该对螺母相反或相向运动，螺母相反或相向运动引起可伸缩多连杆机构对应的压缩或伸长变形；可伸缩多连杆机构的两个顶端与矩形卡环中的支撑板固定；测障超声传感器位于可伸缩多连杆机构的正下方。本发明结构简单，能耗较小，稳定性好，使用范围更广。

Description

适用于小型船舶的大角度自动泊船装置

技术领域

本发明涉及一种机电一体化自动泊船装置，更具体地说是一种安装在船舶上，可以利用电机、传感器、可伸缩多连杆机构和卡环自动将靠近岸边的船舶固定卡位在泊杆上的装置。

背景技术

随着自动导航技术在船舶上的应用，出现了环境监测用中小型自主船。此种船无需人工驾驶，自动在设定的水域执行环境监测任务。由于无人值守，船舶自身需要有自动泊船和自动驶离的功能，所以迫切需要研发一种能够实现船舶自动泊靠和自动泊离岸边的装置。由于没有自动泊船装置，目前只能为自主船舶在岸边修建专用的停船棚，成本高，且只是将船舶驶入棚内，没有固定卡位，船舶易受到大风浪的侵害。

由于船在水中会随着水波的荡漾而运动，使得船不易在岸边稳定安全停靠。对于不常划船的普通人来讲，将船划靠到岸边，再与泊杆固定连接上，有些困难。

目前的小型船舶在泊船时一般是多人手工操作，一个人控制船舶，其他人用绳索将船舶固定在岸边，这种方式既费时又费力。例如中小型游船，通常游人不具备自己将绳索固定在泊杆上的能力，所以需要岸边有专人值守。

目前已有的相关技术，如船舶自动靠离码头的磁力系泊装置，该装置通过磁力的吸附来实现船舶的固定，虽然降低了操作人员的劳动强度，但磁力对距离有很高的要求，需要船舶有很精准的定位系统，船头要对准磁力装置，加大了驾驶员的技术要求，且所需的能耗较大，目前只用于大型船舶。国际上，有一种用转塔系泊漂浮船只的转塔和方法，该转塔具有一个牵引装置，用于向系泊链索或立管上施加一个力，同样所需装置大，能耗高，且需要专门设计的码头或塔柱。

美国专利（公开号为：7021231B2）公开了一种船舶的大角度自动泊船装置，并具体公开了在船体上安装有测距超声传感器及控制电机，同时还涉及上述设备的工作方式。

发明内容

本发明的目的是为了解决无人自主环境监测船的自动泊靠和泊离岸边的难题，同时克服人工泊船方式费力的缺陷和磁力靠泊装置对驾驶员要求高、能耗高和成本高等缺陷，设计了一种可在大角度范围内自动泊船的装置，只要船舶靠近岸边泊杆，就可以自动将船舶泊靠在岸边；当船需要驶离时，本装置也能自动脱离泊杆。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

本发明包括底盘、丝杆、螺母、可伸缩多连杆机构、矩形卡环、旋转用电机及其驱动器、伸缩用电机及其驱动器、测距超声传感器、测障超声传感器、红外传感器、控制单元和电源。

船头低于船甲板的正前方和两侧方安装有测距超声传感器，圆形底盘安装在船头甲板上，旋转用电机与底盘固定安装，旋转用电机的输出轴连接有固定板，固定板可随输出轴转动；固定板上装有伸缩用电机、丝杆、螺母和测障超声传感器，伸缩用电机的输出轴与丝杆连接，驱动丝杆转动，丝杆上安装有两个螺母，所述的螺母以丝杆的中点为中心呈对称分布，螺母与丝杆螺纹配合，丝杆的转动可带动该对螺母相反或相向运动，一个螺母与可伸缩多连杆机构的一个末端铰链连接，另一个螺母与可伸缩多连杆机构的另一个末端铰链连接，螺母相反或相向运动引起可伸缩多连杆机构对应的压缩或伸长变形；可伸缩多连杆机构的两个顶端与矩形卡环中的支撑板固定；测障超声传感器位于可伸缩多连杆机构的正下方。

所述的矩形卡环一边为支撑板，其余三边为可开合的卡门，矩形卡环内装有Y形支撑筋，Y形支撑筋底端与支撑板固定，Y形支撑筋的两个顶端分别装有双向弹簧合页，每个顶端沿矩形卡环的两个边沿方向上装有双向弹簧合页，支撑板的两端也分别装有双向弹簧合页，支撑板一端的双向弹簧合页与Y形支撑筋的对应顶端的双向弹簧合页构成一个可开合的卡门，支撑板另一端的双向弹簧合页与Y形支撑筋的对应顶端的双向弹簧合页构成又一个可开合的卡门，Y形支撑筋的两个顶端之间的双向弹簧合页构成再一个可开合的卡门。每个卡门上装有感应卡门开合的红外传感器，每个双向弹簧合页上装有电子锁；

所述的测距超声传感器、测障超声传感器、红外传感器的信号输出端均与控制单元的输入端连接，控制单元的输出端分别与旋转用电机驱动器的信号输入端、伸缩用电机驱动器的信号输入端和电子锁的信号输入端连接，旋转用电机驱动器的输出端与旋转用电机连接，伸缩用电机驱动器的输出端与伸缩用电机连接；电源为控制单元、旋转用电机驱动器和伸缩用电机驱动器提供电源；所述的旋转用电机和伸缩用电机上都安装有绝对角度位置码盘传感器。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：装置简单，所有装置都安装在船头上，无需对岸边进行改造；船头在3个角度安装了超声传感器可检测出船头与岸边的距离和角度姿态关系。由于采用了旋转用电机和伸缩用电机，使得船头与泊杆之间只要直线距离在可伸缩多连杆机构的伸缩范围内，无论船头有没有对准泊杆，都可以实现泊靠。本装置实现了大角度范围的船舶泊靠，可从任意侧对泊杆实施卡抱；由于所设计的矩形卡环上设计有弹簧合页、电子锁和红外传感器，使得卡环可方便地卡住泊杆，也可方便的脱离泊杆，及可实现自动泊靠，同时也可实现自动泊离；由于采用了主动卡抱泊杆的泊船方式，装置的能耗较小，稳定性好，使用范围更广，在节约人力的同时提高了效率；使用本装置泊船时，只要船舶靠近了岸边和泊杆，自动泊船过程无需船舶动力驱使配合。

附图说明

图1为本发明的俯视图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明可伸缩多连杆机构的结构示意图；

图4为本发明电气控制结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，适用于小型船舶的大角度自动泊船装置包括底盘9、丝杆2、螺母10、可伸缩多连杆机构1、矩形卡环14、旋转用电机4、伸缩用电机11、测距超声传感器12、测障超声传感器20、红外传感器18、驱动器5、控制单元8和电源6。

船头低于船甲板的正前方和两侧方安装有测距超声传感器12，兼备发射和接收超声波功能，圆形底盘9安装在船头甲板上，旋转用电机4与底盘9固定安装，旋转用电机4的输出轴连接有固定板3，固定板3可随输出轴转动；固定板3上装有伸缩用电机11、丝杆2、螺母10和测障超声传感器20，伸缩用电机11的输出轴与丝杆2连接，驱动丝杆2转动，丝杆2上安装有两个螺母10，螺母10以丝杆2的中点为中心呈对称分布，螺母10与丝杆2螺纹配合，丝杆2的转动可带动该对螺母相反或相向运动，一个螺母与可伸缩多连杆机构1的一个末端铰链连接，另一个螺母与可伸缩多连杆机构1的另一个末端铰链连接，螺母10相反或相向运动引起可伸缩多连杆机构1对应的压缩或伸长变形；可伸缩多连杆机构1的两个顶端通过连接板及导线管13与矩形卡环14中的支撑板固定；测障超声传感器20安装在可伸缩多连杆机构1的正下方，位置高于船甲板；可伸缩多连杆机构1具有锯齿状多连杆机构，且有自锁功能，即没有电机驱动下，杆件不会在碰撞外力下伸缩。

矩形卡环14用于卡抱安装在岸边19上的泊杆17，矩形卡环14一边为支撑板，其余三边为可开合的卡门，矩形卡环内装有Y形支撑筋，Y形支撑筋底端与支撑板固定，将矩形卡环内分割成3个区域，Y形支撑筋的两个顶端分别装有双向弹簧合页15，每个顶端沿矩形卡环14的两个边沿方向上装有双向弹簧合页15（矩形卡环14的两个相邻边沿也可共用一个双向弹簧合页15），支撑板的两端也分别装有双向弹簧合页15，弹簧合页15具有在平面内双向转动功能，可以顺时针旋转，也可以逆时针旋转，且转动时弹性阻力需较小，尤其要小于矩形卡环14与泊杆17之间的碰撞力，以免矩形卡环14与泊杆17碰撞时无法撞开弹簧合页15，而使得船体7向后漂移，支撑板一端的双向弹簧合页15与Y形支撑筋的对应顶端的双向弹簧合页15构成一个可开合的卡门，支撑板另一端的双向弹簧合页15与Y形支撑筋的对应顶端的双向弹簧合页15构成又一个可开合的卡门，Y形支撑筋的两个顶端之间的双向弹簧合页15构成再一个可开合的卡门。如果矩形卡环14边长较大，弹簧合页15的边长不够时，也可在弹簧合页15上安装延长板，以满足矩形卡环14的边长要求。每个卡门上装有感应卡门开合的红外传感器18，红外传感器18的红外线发射和接受端分别安装在卡门的两边上，每个双向弹簧合页15上装有电子锁16，使得卡门可转动，也可被锁住。

如图4所示，测距超声传感器12、测障超声传感器20、红外传感器18的信号输出端均与控制单元8的输入端连接，控制单元8的输出端分别与旋转用电机和伸缩用电机的驱动器5的信号输入端、电子锁16的信号输入端连接，驱动器5的输出端与旋转用电机4和伸缩用电机11连接；电源6为控制单元8、旋转用电机和伸缩用电机驱动器5提供电源；控制单元8、电源6及驱动器5固定安装在圆形底盘9上。

测距超声传感器12、测障碍超声传感器20、红外传感器18、电子锁16与控制单元8的连接，以及控制单元8与驱动器5的连接，驱动器5与电机4和11的连接采用信号及电源线。信号及电源线通过管状连接件13的中间孔后沿着可伸缩多连杆机构1布线。

旋转用电机4和伸缩用电机11上都安装有绝对角度位置码盘传感器。

泊杆17为竖立在岸上的柱状物，其直径须小于矩形卡环14的边长的三分之一。

本装置的工作过程分为船舶的泊靠和泊离，以下为具体实施过程：

本装置未工作时，可伸缩多连杆机构1处于收缩状态，且可伸缩多连杆机构1角度朝向船头的正前方。

当3个超声传感器12测得离岸距离值在1～2m范围内时，表明船体7靠近岸边19，根据3个超声传感器12测得的距离值之间的相互大小关系，控制单元8可判定船头和岸边的相对位置和姿态，接着控制单元8控制旋转用电机4和伸缩用电机11做出泊船的一系列动作，具体为：

当安装在船体左右两侧的超声传感器12测得的距离值相近，且都大于中间传感器的所测值时，表明船舶正对着靠近岸边，此时若测障超声传感器20可以感知到泊杆17，则旋转用电机4无需旋转，控制单元8控制伸缩用电机11旋转，从而使得可伸缩多连杆机构1伸长。可伸缩多连杆机构1伸长过程中，矩形卡环14的前侧卡门必然会与泊杆17碰撞。碰撞后，矩形卡环14的前侧卡门的两段会在碰撞力作用下，绕着弹簧合页15向内旋转，从而打开卡门。当泊杆17进入卡门时，红外传感器18发出的红外光受到遮挡，会发出脉冲信号给控制单元8，表明泊杆17已卡入矩形卡环14，此时控制单元8停止伸缩用电机11的旋转，同时给电子锁16发出锁死信号，完成泊靠。

当超声传感器12测得的距离值不同，左侧最小，右侧最大，表明船舶从左侧靠近岸边，此时控制单元8控制伸缩用电机11旋转，使得可伸缩多连杆机构1伸长（伸长的长度略大于船头与岸边的距离）。而后，控制单元8控制旋转用电机4顺时针旋转，开始时，转速较快，当测障超声传感器20可以感知到泊杆17时，转速变慢，继续旋转中，矩形卡环14的左侧卡门必然会与泊杆17碰撞。碰撞后，矩形卡环14的左侧卡门的两段会在碰撞力作用下，绕着弹簧合页15向内旋转，从而打开卡门。当泊杆17进入卡门时，红外传感器18发出的红外光受到遮挡，会发出脉冲信号给控制单元8，表明泊杆17已卡入矩形卡环14，此时控制单元8停止旋转用电机4的旋转，同时给电子锁16发出锁死信号，完成泊靠。

当超声传感器12测得的距离值不同，右侧最小，左侧最大，表明船舶从右侧靠近岸边，此时控制单元8控制伸缩用电机11旋转，使得可伸缩多连杆机构1伸长的长度略大于船头与岸边的距离）。而后，控制单元8控制旋转用电机4向右旋转，开始时，转速较快，当测障超声传感器20可以感知到泊杆17时，转速变慢，继续旋转中，矩形卡环14的右侧卡门必然会与泊杆17碰撞。碰撞后，矩形卡环14的右侧卡门的两段会在碰撞力作用下，绕着弹簧合页15向内旋转，从而打开卡门。当泊杆17进入卡门时，红外传感器18发出的红外光受到遮挡，会发出脉冲信号给控制单元8，表明泊杆17已卡入矩形卡环14，此时控制单元8停止旋转用电机4的旋转，同时给电子锁16发出锁死信号，完成泊靠。

如果在上述泊靠过程中，经过大约15～20秒时间，红外传感器18都没有发出脉冲信号，即没有检测到泊杆17被卡入矩形卡环14内，则控制单元8需先控制伸缩用电机11反向旋转，使得可伸缩多连杆机构1缩短大约1/3，控制旋转用电机4旋转复位到船头正前方，而后重新再执行一遍泊靠动作。

完成泊位后，如想脱离泊杆，控制单元8可以控制旋转用电机4和伸缩用电机11进行逆操作，当得到红外传感器18发出的脉冲信号时，表明矩形卡环14已脱离泊杆17，控制单元8控制旋转用电机4和伸缩用电机11快速回到初始状态并停止电机转动，整个装置复位到未工作时的状态，船舶即可实现自动泊离。

本发明的装置必须在人工或自动导航方式下将船舶行驶到泊杆附件后，才能开始自动泊靠。

Claims (1)

1.适用于小型船舶的大角度自动泊船装置，包括底盘、丝杆、螺母、可伸缩多连杆机构、矩形卡环、旋转用电机及其驱动器、伸缩用电机及其驱动器、测距超声传感器、测障超声传感器、红外传感器、控制单元和电源；

船头低于船甲板的正前方和两侧方安装有测距超声传感器，圆形底盘安装在船头甲板上，旋转用电机与底盘固定安装，旋转用电机的输出轴连接有固定板，固定板可随输出轴转动；固定板上装有伸缩用电机、丝杆、螺母和测障超声传感器，伸缩用电机的输出轴与丝杆连接，驱动丝杆转动，丝杆上安装有两个螺母，所述的螺母以丝杆的中点为中心呈对称分布，螺母与丝杆螺纹配合，丝杆的转动可带动该对螺母相反或相向运动，一个螺母与可伸缩多连杆机构的一个末端铰链连接，另一个螺母与可伸缩多连杆机构的另一个末端铰链连接，螺母相反或相向运动引起可伸缩多连杆机构对应的压缩或伸长变形；可伸缩多连杆机构的两个顶端与矩形卡环中的支撑板固定；测障超声传感器位于可伸缩多连杆机构的正下方，其特征在于：

所述的矩形卡环一边为支撑板，其余三边为可开合的卡门，矩形卡环内装有Y形支撑筋，Y形支撑筋底端与支撑板固定，Y形支撑筋的两个顶端分别装有双向弹簧合页，每个顶端沿矩形卡环的两个边沿方向上装有双向弹簧合页，支撑板的两端也分别装有双向弹簧合页，支撑板一端的双向弹簧合页与Y形支撑筋的对应顶端的双向弹簧合页构成一个可开合的卡门，支撑板另一端的双向弹簧合页与Y形支撑筋的对应顶端的双向弹簧合页构成又一个可开合的卡门，Y形支撑筋的两个顶端之间的双向弹簧合页构成再一个可开合的卡门；每个卡门上装有感应卡门开合的红外传感器，每个双向弹簧合页上装有电子锁；

所述的测距超声传感器、测障超声传感器、红外传感器的信号输出端均与控制单元的输入端连接，控制单元的输出端分别与旋转用电机驱动器的信号输入端、伸缩用电机驱动器的信号输入端和电子锁的信号输入端连接，旋转用电机驱动器的输出端与旋转用电机连接，伸缩用电机驱动器的输出端与伸缩用电机连接；电源为控制单元、旋转用电机驱动器和伸缩用电机驱动器提供电源；所述的旋转用电机和伸缩用电机上都安装有绝对角度位置码盘传感器。

Images