CN102176132B - 一种船舶锚泊远程控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船舶锚泊远程控制装置，包括主控模块、受控端及无线通信模块，其中所述受控端设置于船舶上且包括船位及锚机环境参数检测模块、图像采集与处理模块及锚机驱动模块。根据本发明还提供一种船舶锚泊远程控制方法，其应用根据上述的船舶锚泊远程控制装置，包括输入步骤、发送步骤、接收步骤、控制步骤、执行步骤。本发明通过选择合适的调制方式和发射功率实现1km之外的锚泊控制，而且根据目标远近可以灵活调整有效距离，使操作人员无需登上船舶即可控制锚泊操作；通过数字摄像头实时采集锚泊系统水上部分的工作状态及工作环境，并监视受控端的锚机工况信息，能根据风向、风速、波浪等具体情况对锚泊操作做出适时调整。

Description

一种船舶锚泊远程控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及船舶配套设备与技术领域，具体地，涉及一种船舶锚泊远程控制装置及其控制方法。

背景技术

我国海域锚地众多，锚地中船舶锚泊自动控制水平不高，在台风登陆等极端天气发生时，船舶的安全性问题面临着严峻考验。目前抛锚、起锚等操作基本上凭经验由人工进行，针对锚泊远程控制及安全性的研究几乎还是一片空白。但是近年来船舶走锚以及由此引起的撞船、撞桥事故不断增多，为根本解决上述问题，需要开发和使用锚泊操作远程控制装置。

锚泊操作远程控制装置例如中国专利申请号为CN200710045667.3的《无人驳船遥控抛、起锚系统》披露的一种这样的结构：一种无人驳船遥控抛、起锚系统，包括柴油发电机组，配电屏，抛、起锚机，PLC控制系统和无线遥控器，其特征在于，操作人员通过无线遥控器发射相关工作指令，接受机通过接受天线收到信号后，处理还原成相应工作指令，将指令用信号线传递给PLC控制系统，PLC控制系统根据指令和控制程序对柴油发电机组和抛、起锚机进行控制，从而实现远程遥控柴油发电机的启动、运行、停车和锚机的收锚、放锚。但是该专利仅适合在内河环境进行锚泊控制，而由于海上船舶的工作环境即风、浪、流等特征远比内河复杂，因此与内河无人驳船的控制差别很大。内河无人驳船，控制目标的距离近，由目测完成遥控，而海上船舶抛锚、起锚操作控制的距离较远，通常需要在1km之外进行操作，故无法通过肉眼进行直接观察，必须采用其他设备对锚泊系统进行监视，并且需要有专门的设备对锚泊过程中可能发生的故障及安全等级向操作人员进行提醒和报警。

发明内容

本发明要解决的问题是：针对上述存在的问题提供一种更加实用、安全可靠、适合长距离控制锚泊的船舶锚泊远程控制装置及其控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种船舶锚泊远程控制装置，其特征在于，包括主控模块、受控端及无线通信模块，其中所述受控端设置于船舶上且包括船位及锚机环境参数检测模块、图像采集与处理模块及锚机驱动模块；所述主控模块包括处理器芯片、显示器及输入装置，通过输入装置将查询、抛锚或起锚命令信息输入所述主控模块，所述主控模块将命令信息通过所述无线通信模块进行发送，所述显示器显示辅助锚泊远程控制的待显示信息，所述主控模块的显示器显示的待显示信息包括主控模块输入的命令信息、所述船位及锚机环境参数检测模块传输的工况信息及报警信息、所述图像采集与处理模块采集的环境信息以及所述锚机驱动模块反馈的船舶锚机的工作状态；所述船位及锚机环境参数检测模块包括多个传感器及报警装置，所述船位及锚机环境参数检测模块通过所述传感器来检测当前锚机的工况信息，并自动识别判断当前的锚机工况是否适合进行锚泊操作，当所述传感器检测到的锚机工况不适合进行锚泊操作时，所述报警装置向主控模块发送报警信息；所述图像采集与处理模块包括数字摄像头，数字摄像头实时采集当前船舶锚泊系统水上部分的工作环境的环境信息，所述图像采集与处理模块将环境信息通过所述无线通信模块进行发送；所述无线通信模块包括两个无线通信芯片，分别集成在主控模块和受控端中，所述主控模块与受控端通过无线通信模块进行双向通信；所述锚机驱动模块通过所述无线通信模块接收并执行所述主控模块发来的各个命令信息，控制船舶锚机进行收放锚工作，并检测锚机的转速转向。

优选地，所述船舶锚机是一电动锚机，所述锚机驱动模块根据所述主控模块的命令信息，对电动锚机的工作时间及工作速度进行控制，从而使得本发明能实现控制船舶锚机工作的相关功能。

优选地，当所述主控模块发送查询命令信息时，所述锚机驱动模块根据该查询命令信息，将当前船舶锚泊系统的工作状态作为反馈信息发送给所述主控模块，所述主控模块将该反馈信息作为待显示信息通过显示器进行显示，从而使得本发明能实现查询船舶锚泊系统的工作状态作为船舶锚泊远程控制相关参数的相关功能。

进一步地，所述主控模块还包括储存器，所述储存器将所述主控模块输入的命令信息进行存储，从而使得本发明能实现黑匣子的功能。

优选地，所述图像采集与处理模块将环境信息进行压缩后再通过所述无线通信模块进行发送，从而能够减少无线通信模块所需传输的数据量，保证所述主控模块和图像采集与处理模块之间通信畅通。

根据本发明的另一个方面，还提供一种船舶锚泊远程控制方法，其应用根据上述的船舶锚泊远程控制装置，其包括以下步骤：输入步骤：根据船舶锚机当前所需的工作参数，并通过所述主控模块输入抛锚、起锚命令信息；发送步骤：所述主控模块将输入的各命令信息进行处理，并通过无线通信模块向所述锚机驱动模块发送；接收步骤：所述锚机驱动模块通过无线通信模块接收主控模块发送的命令信息；控制步骤：所述锚机驱动模块根据接收的命令信息控制所述船舶锚机的工作；执行步骤：所述船舶锚机根据所述锚机驱动模块的控制，执行相应时间及速度的抛锚、起锚工作。

进一步地，在所述输入步骤之前还包括以下步骤：查询步骤：主控模块通过无线通信模块向船位及锚机环境参数检测模块发送查询命令，船位及锚机环境参数检测模块按该查询命令检测当前的船位、风速、风向环境信息；判断步骤：船位及锚机环境参数检测模块根据检测到的当前的船位、风速、风向环境信息，判断当前的环境参数是否异常；关闭步骤：如果环境参数异常，立即关闭锚机电源，同时通过无线通信模块向主控模块发出声光报警信号；锚泊步骤：如果环境参数正常，则通过无线通信模块向主控模块发出可以进行锚泊操作的信号；采集步骤：主控模块启动图像采集与处理模块，即启动数字摄像头对锚机工作环境进行拍照，图像数据经压缩后传输到主控模块，并将数字摄像头采集的船舶锚机的环境信息发送给主控模块；显示步骤：主控模块的LCD显示器显示出上述的船舶锚机的环境信息；调整步骤：根据船舶锚机的环境信息及工作状态调整确定船舶锚机当前所需的工作参数。

与现有技术相比，本发明提供的船舶锚泊远程控制装置及其控制方法，通过选择合适的调制方式和发射功率实现1km之外的锚泊控制，而且根据目标远近可以灵活调整有效距离，使操作人员无需登上船舶即可控制锚泊操作，从而提高了锚泊操作效率和安全性，还减少了劳动强度；通过数字摄像头、组合传感器实时采集锚泊系统水上部分的工作状态及工作环境，并监视受控端的锚机工况信息，能根据风向、风速、波浪等具体情况对锚泊操作做出适时调整，因而对提高锚泊操作自动化和安全性具有重要意义；摒弃基于专用集成电路的传统设计方案，以嵌入式处理器和无线通信芯片为主要硬件，基于可编程处理器对锚泊控制装置进行设计，具有灵活性强、易升级等优点，在硬件不变的前提下，通过修改程序就能赋予系统不同的功能，因而对不同船只不同锚泊类别具有较大的适应性，降低了设计成本，还具有易推广的潜在优势。

附图说明

图1示出了本发明实施例1中提供的船舶锚泊远程控制装的总体结构图。

图2示出了本发明实施例1中提供的主控模块的外观示意图。

图3示出了本发明实施例1中提供的主控模块的硬件结构示意图。

图4示出了本发明实施例1中的船位及锚机环境参数检测模块的结构示意图。

图5示出了本发明实施例1中的图像采集与处理模块的结构示意图。

图6示出了本发明实施例1中的图像采集与处理模块的工作流程示意图。

图7示出了本发明实施例1中的锚机驱动模块的示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述：

实施例1：如图1至图7所示，本实施例中的船舶锚泊远程控制装置，该装置以嵌入式处理器芯片和无线通信模块为主要硬件，使锚机操作员无需登上船舶，在控制端通过本发明即可完成锚泊操作，在台风、海啸等自然灾害中，不需要派人登船进行现场锚泊操作，通过数字摄像头实时采集锚泊系统水上部分的工作环境，通过船位及锚机环境参数检测模块监视受控端的锚机工况信息，从而根据风向、风速、波浪等具体情况对锚泊操作做出适时调整，且还能通过锚机驱动模块反馈船舶锚机的工作状态，因而对提高锚泊操作自动化和安全性具有重要意义。

船舶锚泊远程控制装置包括主控模块、图像采集与处理模块、船位及锚机环境参数检测模块、无线通信模块及锚机驱动模块共五部分内容。其中船位及锚机环境参数检测模块、锚机驱动模块及图像采集与处理模块是设置于船舶上的，从而形成受控端；而主控模块则安装到陆地上，从而形成控制端，例如港口中、灯塔中、汽车上或者随身携带，从而方便在不同地方进行船舶锚泊远程控制工作。而无线通信模块包括两个无线通信芯片，分别集成在主控模块和受控端中。

主控模块(主控机)的外观及硬件结构如图2及图3所示，结构上看由主控模块嵌入式处理器芯片S3C2440A、LCD显示器、时钟芯片DS12887、按键(即输入装置)、储存器以及复位电路等组成。主控模块中带有相应的船舶锚泊远程控制程序，能够通过设置在主控模块上的按键在程序菜单中选择相应的命令进行输出。LCD显示器显示程序菜单列表，通过按键可以切换显示时间、锚机操作的内容以及受控端锚机的工况图片等信息。主控模块由时钟芯片DS12887提供标准时钟，时钟输入端及片选端口都由主控机的端口控制。主控模块能够启动受控端的数字摄像头、采集和接收受控端的锚机工况信息，并在合适的锚机工况下通过按键发送锚泊遥控指令。输入装置也可以是其他装置，例如触摸屏或者鼠标等装置。主控模块由时钟芯片DS12887提供标准时钟。

主控模块通过启动船位及锚机环境参数检测模块的电源，使船位及锚机环境参数检测模块的传感器来采集并传送船舶位置和风速等信息，并读取和识别报警装置发送的报警信息。在合适的锚机环境条件下，主控模块通过按键发送锚泊遥控指令，控制锚机驱动模块进行锚泊工作。启动受控端图像采集与处理模块，接收受控端图像采集与处理模块发送的图片信息，并解压、读取和驱动LCD显示器显示锚机图片。

主控模块在使用时，进入程序后，首先通过按键在主控模块中选择抛锚、起锚等命令信息，再将该命令信息储存到储存器中，从而起到黑匣子记录仪的作用；然后主控模块将该抛锚、起锚等命令信息处理后通过无线通信模块发送出去，整个过程由LCD显示器进行显示，以方便操作。例如可以通过LCD显示器来进行信息显示，通过向上或者向下按键来选择所需要的功能，按下确定键后，功能就被选择，然后发送和执行相应的功能信息。

主控模块的LCD显示器主要显示的待显示信息包括主控模块输入的命令信息、船位及锚机环境参数检测模块检测的工况信息、图像采集与处理模块采集的环境信息以及锚机驱动模块反馈的船舶锚机的工作状态。其中，主控模块输入的命令信息在操作人员操作时随时通过LCD显示器进行显示，以方便操作。船位及锚机环境参数检测模块检测的工况信息在启动后就实时显示，而报警信息在LCD显示器上突出显示且进行声音报警。图像采集与处理模块采集的锚泊系统的工作环境信息，则需要主控模块通过无线通信模块向图像采集与处理模块发送查询命令，图像采集与处理模块按该查询命令，将数字摄像头采集的船舶锚机的环境信息发送给主控模块，并在LCD显示器上显示。锚机驱动模块反馈的船舶锚机的工作状态则在工作时实时显示，以控制船舶锚机进行启动、转速控制、停转来实现收锚及放锚的操作，并且主控模块能够监测船舶锚机的参数或工作状态，当发生故障时，能够进行报警提示。

船位及锚机环境参数检测模块包括多个传感器及报警装置，其工作原理如图4所示。具体地，这些传感器可以是GPS定位传感器及风速风向传感器等，分别与船舶上的GPS定位装置及风速风向监测装置相连，从而检测船舶锚泊所需的工况信息，该工况信息包括船舶锚机附近的风向、风速及波浪等信息。船位及锚机环境参数检测模块根据上述传感器检测到的各类信息来自动识别判断当前的锚机工况是否适合进行锚泊操作，并将该工况信息发送给主控模块进行显示。当传感器检测到的锚机工况信息不适合进行锚泊操作时，报警装置向主控模块发送报警信息，主控模块通过显示器显示上述报警信息供操作人员参考；如果工况信息适合进行锚泊操作，则通知主控模块可以进行锚泊操作，

图像采集与处理模块的硬件结构如图5所示，图像采集与处理模块的工作流程如图6所示。图像采集与处理模块由嵌入式芯片S3C2440A、CMOS数字摄像头、FLASH存储器、USB控制器CY7C68013A、无线收发芯片nRF2401等组成。CMOS数字摄像头能够实时采集锚泊系统水上部分的工作环境，从而辅助判断船舶附近的风向、波浪及锚机位置等具体工作环境，从而将该信息通过无线通信模块传输给主控模块，主控模块的LCD显示器将CMOS数字摄像头拍摄的情况显示出来，操作人员就能根据该显示画面判断船舶附近地形对锚泊设备做出命令指示，例如抛出一只锚并控制其速度，或者在台风或狭水道时抛出两只锚。

具体地，图像采集与处理模块接收到主控机的锚泊操作命令后，首先进行初始化，包括对USB控制器和无线收发芯片的初始化以及嵌入式芯片中linux操作系统的初始化，加载摄像头和USB控制器驱动程序。初始化完成后，由应用程序控制摄像头拍摄一帧PPM格式图像，并保存在Flash中。为便于无线传输，读取未压缩的PPM格式图像数据后，由嵌入式芯片中的JPEG程序对PPM格式图片进行压缩形成JPG格式文件，然后读取1PG格式图片文件并发送给USB2.0控制器的端点缓冲器。最后，USB2.0控制器控制无线收发芯片将端点缓冲器中的图像数据发送给主控模块的无线收发器。当图像数据接收完后，再重新读取JPG格式图片文件并发送给USB2.0控制器的端点缓冲器。主控模块的无线收发器是基于PC机的一种类似无线网卡的无线接收设备，完成图片信息的接收和显示，硬件结构和nRF2401无线发射模块一样，都是用USB2.0控制器CY7C68013A控制nRF2401进行无线传输。USB2.0控制器CY7C68013A控制nRF2401无线接收图像数据，然后PC机上的应用程序调用USB2.0控制器驱动中的读取函数接收图片数据并保存，最后将图片显示在LCD上。

无线通信模块包括两个无线通信芯片，其是基于嵌入式处理器的类似无线网卡的一对射频设备，分别集成在主控端(主控模块)和受控端(图像采集与处理模块、锚机驱动模块、以及船位及锚机环境参数检测模块)的内部。无线通信模块通过射频设备发送及接收信息。在主控模块，无线通信模块传送主控模块工作请求的命令、读取和显示受控端的检测结果、传送锚泊遥控指令、启动受控端的数字摄像头、以及传送锚机图片数据，例如将主控模块的抛锚、起锚等命令信息发送给锚机驱动模块。在受控端，无线通信模块还能够启动远程受控端传感器并上传锚机图片信息，将锚机的环境信息以及锚机驱动模块的工作状态发送给主控模块。无线通信模块的硬件实现采用无线发射模块nRF2401，用USB2.0控制器CY7C68013A控制nRF2401进行无线传输。

锚机驱动模块控制船舶锚机进行启动、转速控制、停转来实现收锚及放锚的操作，以及在特殊环境下的锚泊工作，例如抛出一只锚并控制其速度，或者在台风或狭水道时抛出两只锚，并检测锚机的转速转向。当主控模块根据接收到的锚机工况信息及环境信息后，确认可以进行锚泊操作后，通过按键输入对船舶锚机进行遥控操作。其中，由于船舶锚机是一电动锚机，电动锚机的转速控制是通过主控模块的处理器芯片S3C2440A的一个引脚输出一定占空比的PWM波，锚机驱动模块根据接收到的PWM波的占空比来确定电动锚机的转速，如图7所示，锚机驱动模块采用光电隔离元件、霍尔元件和场效应管等与锚机连接形成控制电路，其反馈部分通过霍尔元件检测锚机的转速，磁钢每转一圈，霍尔元件的输出端输出一个低电平，通过检测这个低电平可测出当前电动锚机的转速，并将该转速信息通过无线通信模块传输给主控模块供操作人员参考。

本实施例中的船舶锚泊远程控制装置首先由主控模块发出查询工作请求的命令，通过无线通信模块发送到船位及锚机环境参数检测模块，打开后者的电源，让其快速检测当前的船位、风速、风向等环境信息。如果环境参数异常，立即关闭锚机电源，同时通过无线通信模块向主控模块发出声光报警信号；如果环境参数在正常范围内，则通知主控模块可以进行锚泊操作，同时启动图像采集与处理模块，即启动数字摄像头对锚机的工作环境进行拍照，图像数据经压缩后传输到主控模块。另外，在锚泊操作过程，主控模块通过锚机驱动模块定时检测和上传锚机的工作参数，例如锚机的转速、转向等参数。

实施例2：本实施例中阐述了一种船舶锚泊远程控制方法，其采用上述实施例1中的船舶锚泊远程控制装置进行，其包括以下步骤：

查询步骤：主控模块通过无线通信模块向船位及锚机环境参数检测模块发送查询命令，船位及锚机环境参数检测模块按该查询命令检测当前的船位、风速、风向等环境信息；

判断步骤：船位及锚机环境参数检测模块根据检测到的当前的船位、风速、风向等环境信息，判断当前的环境参数是否异常；

关闭步骤：如果环境参数异常，立即关闭锚机电源，同时通过无线通信模块向主控模块发出声光报警信号；

锚泊步骤：如果环境参数正常，则通过无线通信模块向主控模块发出可以进行锚泊操作的信号；

采集步骤：主控模块启动图像采集与处理模块，即启动数字摄像头对锚机工作环境进行拍照，图像数据经压缩后传输到主控模块，并将数字摄像头采集的船舶锚机的环境信息发送给主控模块；

显示步骤：主控模块的LCD显示器显示出上述的船舶锚机的环境信息；

调整步骤：根据船舶锚机的环境信息及工作状态调整确定船舶锚机当前所需的工作参数；

输入步骤：根据船舶锚机当前所需的工作参数，并通过主控模块输入抛锚、起锚等命令信息；

发送步骤：主控模块将输入的各命令信息进行处理，并通过无线通信模块向锚机驱动模块发送；

接收步骤：锚机驱动模块通过无线通信模块接收主控模块发送的命令信息；

控制步骤：锚机驱动模块根据接收的命令信息控制船舶锚机的工作；

反馈步骤：锚机驱动模块采集船舶锚机的工作参数，并将该工作参数反馈给主控模块进行显示；

执行步骤：船舶锚机根据锚机驱动模块的控制，执行相应时间及速度的抛锚、起锚等工作。

Claims (7)

1.一种船舶锚泊远程控制装置，其特征在于，包括主控模块、受控端及无线通信模块，其中所述受控端设置于船舶上且包括船位及锚机环境参数检测模块、图像采集与处理模块及锚机驱动模块；所述主控模块包括处理器芯片、显示器及输入装置，通过输入装置将查询、抛锚或起锚命令信息输入所述主控模块，所述主控模块将命令信息通过所述无线通信模块进行发送，所述显示器显示辅助锚泊远程控制的待显示信息，所述主控模块的显示器显示的待显示信息包括主控模块输入的命令信息、所述船位及锚机环境参数检测模块传输的工况信息及报警信息、所述图像采集与处理模块采集的环境信息以及所述锚机驱动模块反馈的船舶锚机的工作状态；所述船位及锚机环境参数检测模块包括多个传感器及报警装置，所述船位及锚机环境参数检测模块通过所述传感器来检测当前锚机的工况信息，并自动识别判断当前的锚机工况是否适合进行锚泊操作，当所述传感器检测到的锚机工况不适合进行锚泊操作时，所述报警装置向主控模块发送报警信息；所述图像采集与处理模块包括数字摄像头，数字摄像头实时采集当前船舶锚泊系统水上部分的工作环境的环境信息，所述图像采集与处理模块将环境信息通过所述无线通信模块进行发送；所述无线通信模块包括两个无线通信芯片，分别集成在主控模块和受控端中，所述主控模块与受控端通过无线通信模块进行双向通信；所述锚机驱动模块通过所述无线通信模块接收并执行所述主控模块发来的各个命令信息，控制船舶锚机进行收放锚工作，并检测锚机的转速转向。

2.根据权利要求1所述的船舶锚泊远程控制装置，其特征在于，所述船舶锚机是一电动锚机，所述锚机驱动模块根据所述主控模块的命令信息，对电动锚机的工作时间及工作速度进行控制。

3.根据权利要求1或2所述的船舶锚泊远程控制装置，其特征在于，当所述主控模块发送查询命令信息时，所述锚机驱动模块根据该查询命令信息，将当前船舶锚泊系统的工作状态作为反馈信息发送给所述主控模块，所述主控模块将该反馈信息作为待显示信息通过显示器进行显示。

4.根据权利要求1或2所述的船舶锚泊远程控制装置，其特征在于，所述主控模块还包括储存器，所述储存器将所述主控模块输入的命令信息进行存储。

5.根据权利要求1或2所述的船舶锚泊远程控制装置，其特征在于，所述图像采集与处理模块将环境信息进行压缩后再通过所述无线通信模块进行发送。

6.一种船舶锚泊远程控制方法，其特征在于，应用根据上述权利要求1至5任一项所述的船舶锚泊远程控制装置，其包括以下步骤：

输入步骤：根据船舶锚机当前所需的工作参数，并通过所述主控模块输入抛锚、起锚命令信息；

发送步骤：所述主控模块将输入的各命令信息进行处理，并通过无线通信模块向所述锚机驱动模块发送；

接收步骤：所述锚机驱动模块通过无线通信模块接收主控模块发送的命令信息；

控制步骤：所述锚机驱动模块根据接收的命令信息控制所述船舶锚机的工作；

执行步骤：所述船舶锚机根据所述锚机驱动模块的控制，执行相应时间及速度的抛锚、起锚工作。

7.根据权利要求6所述的船舶锚泊远程控制方法，其特征在于：在所述输入步骤之前还包括以下步骤：

查询步骤：主控模块通过无线通信模块向船位及锚机环境参数检测模块发送查询命令，船位及锚机环境参数检测模块按该查询命令检测当前的船位、风速、风向环境信息；

判断步骤：船位及锚机环境参数检测模块根据检测到的当前的船位、风速、风向环境信息，判断当前的环境参数是否异常；

关闭步骤：如果环境参数异常，立即关闭锚机电源，同时通过无线通信模块向主控模块发出声光报警信号；

锚泊步骤：如果环境参数正常，则通过无线通信模块向主控模块发出可以进行锚泊操作的信号；

采集步骤：主控模块启动图像采集与处理模块，即启动数字摄像头对锚机工作环境进行拍照，图像数据经压缩后传输到主控模块，并将数字摄像头采集的船舶锚机的环境信息发送给主控模块；

显示步骤：主控模块的LCD显示器显示出上述的船舶锚机的环境信息；

调整步骤：根据船舶锚机的环境信息及工作状态调整确定船舶锚机当前所需的工作参数。

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