CN103303452A - 一种无舵自动走航的无人船 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人遥控测量技术领域，提供一种无舵自动走航的无人船，包括船体、两侧的浮筒、通讯单元、导航与定位单元、测量单元、动力及驱动单元、船体姿态测定单元、工控机、为上述各部分提供工作电源的电池。本发明通过控制安装在船体两侧的动力设备的转向及速度差实现无人船的前进、后退以及转向。无人船可完成规划好的行走线路，以实现水下地形测绘、流速、流量测量、近景摄影测量等测量任务，实现了无舵状态下无人船的自主航行，提高无人船的灵活性，大幅提高的测量工作的效率及成本。

Description

一种无舵自动走航的无人船

技术领域

 本发明涉及无人遥控测量技术领域，具体的说是一种无舵自动走航的无人船。

背景技术

我国水资源丰富、水系众多，但我国又是一个缺水大国，如何有效利用现有水资源，特别是各类中小河流、湖泊是我国急需解决的问题。而对大量的中小河流及其周边的调查、测量是重要基础。传统的测量发法是使用人工划船，使用吊锤、定点采样等方式完成，效率低、成本高无法满足现有国土、规划、和水资源工作的需要。已有无人船都是应用于水质采样、气象等应用，这一类应用对船只航行速度、航线与规划线偏差、数据匹配的定位精度、船只航行姿态要求较低。而国土和规划部门需要精细的局部信息，测量信息比较尺要求常常达到1：500。这就要求更高精度的定位与导航，更精确、灵活的船只控制，更准确的姿态测量与测量成果姿态补偿。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足之处，提供一种无舵自动走航的无人船，旨在针对现有国土、规划、航道等部门的应用要求，满足高精度的定位与导航，更精确、灵活的船只控制，更准确的姿态测量与测量成果姿态补偿。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种无舵自动走航的无人船，包括船体、两侧的浮筒、通讯单元、导航与定位单元、测量单元、动力及驱动单元、船体姿态测定单元、工控机、为上述各部分提供工作电源的电池，所述动力及驱动单元包括设置于船体上的电机驱动器和设置于浮筒上的电机，螺旋桨通过转轴与电机相连，电机驱动器与ARM嵌入式控制模块相连；所述导航与定位单元包括设置于船体顶部的GNSS天线以及GNSS接收机，GNSS接收机与工控机相连；所述船体姿态测定单元包括三维电子陀螺仪，三维电子陀螺仪与ARM嵌入式控制模块相连；所述测量单元与工控机相连；所述通讯单元包括设置于船体顶部的天线，天线与无线路由器相连，无线路由器与交换机相连，交换机与ARM嵌入式控制模块和工控机互连。

在上述技术方案中，所述电机设置于两侧浮筒的尾部，浮筒尾部安装电机的部分为可拆卸式结构。

在上述技术方案中，所述GNSS接收机选用可支持GPS、GLONASS以及中国北斗系统的接收机。

在上述技术方案中，所述测量单元为水下地形测量仪、或流速流量测量仪或近景摄影测量所使用的高精度摄像机，当测量单元为摄像机时，摄像机安装在船体顶部。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

（1）由于使用了双动力，速度差控制原理，避免了舵及舵机的使用，使得整个结构更加简单，能量转换率更高，转向灵活，维护简单。

（2）使用了GNSS RTK技术达到了厘米级的定位精度，大幅提高了导航定位精度，不但提高了航线行走的准确性，更保证了测量数据定位成果的真实和有效性。

（3）精度更高的姿态测定与控制系统，可对测量数据进行实时或事后改正，保证了测量数据的有效性，削弱了由于在航行过程中船体晃动对测量成果带来的影响，也有效的改正了GNSS天线与测量单元间的偏差。定位精度足以匹配国土、规则、航道等部门工作实用的要求，满足国家规范，航行轨道的控制严格按照国家规范设定，根据不同的精度要求实施不同的控制精度，最大程度上保证了效率机制。

（4）可实现超远距离控制。

（5）可实现无通讯链接下的自动测量和自动返航。

附图说明

图1为本发明无舵自动走航的无人船的结构示意图。

图2为本发明无舵自动走航的无人船的电气连接图。

其中：1. 船体、2. 浮筒、3. 电机、4. 螺旋桨、5. 电机驱动器、6.控制设备、7.电池、8.GNSS天线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。

如图1、2所示，本实施例提供一种无舵自动走航的无人船，包括船体1、两侧的浮筒2、通讯单元、导航与定位单元、测量单元、动力及驱动单元、船体姿态测定单元、工控机、为上述各部分提供工作电源的电池7，所述动力及驱动单元包括设置于船体上的电机驱动器5和设置于浮筒2上的电机3，螺旋桨4通过转轴与电机3相连，螺旋桨4与电机3间设有严密的密封措施，电机驱动器5与ARM嵌入式控制模块相连；所述导航与定位单元包括设置于船体顶部的GNSS天线8以及GNSS接收机，GNSS接收机与工控机相连；所述船体姿态测定单元包括三维电子陀螺仪，三维电子陀螺仪与ARM嵌入式控制模块相连；所述测量单元与工控机相连；所述通讯单元包括设置于船体1顶部的天线，以接收和发送通讯信号，天线与无线路由器相连，无线路由器通过POE（Power Over Ethernet）与交换机相连，交换机与ARM嵌入式控制模块和工控机互连。

在上述技术方案中，所述GNSS天线8安装在船体1顶部，以跟踪接收定位卫星信号。

在上述技术方案中，所述电池7设置于船体中部的电池舱内。电池通过电源控制单元、DC-DC开关电源给船体各部分提供工作电源。电池舱侧板上设有电源插板，用于电源的连接，开关，数据传输，软件更新以及新增设备的连接。

在上述技术方案中，所述电机3设置于两侧浮筒2的尾部，浮筒2尾部安装电机3的部分为可拆卸式结构，以便于运输，搬运以及电机维护。

在上述技术方案中，所述GNSS接收机选用可支持GPS、GLONASS以及中国北斗系统的接收机，可支持多种格式的差分数据，以实现高精度的导航定位。

在上述技术方案中，所述测量单元为水下地形测量仪、或流速流量测量仪或近景摄影测量所使用的高精度摄像机，当测量单元为摄像机时，摄像机安装在船体顶部。

在上述技术方案中，通讯单元、动力及驱动单元、导航与定位单元以及船体姿态测定单元通过串口、RJ45或自定义协议与ARM嵌入式控制模块相连接。ARM嵌入式控制模块通过计算当前位置与规则线差异，调整两电机的速度从而实现对船只的控制，控制准则结合了国家对水下地形测绘等范围的要求，保证测量数据的有效性。ARM嵌入式控制模块还实时读取、记录三维电子陀螺仪实时数据用于航向控制，测量数据补偿，同时通过归算改正GNSS天线与测量单元间的偏距。ARM嵌入式控制模块可实现人工手动控制、实时规划线\目标点自动控制以及无链接自主测量控制三种模式。船只可搭载两套通讯单元设备，分别是基于WIFI可支持两公里的通讯的短距离通讯，支持丰富的图像、音频实时通讯；以及可支持十公里的数据电台通讯。远程岸基可通过通讯单元设备向ARM嵌入式控制模块发送指令，下达测量任务或走行命令。

人工手动控制模式为操作员在岸基通过手柄或键盘操作发送前进、后退，转向、速度、速度差等指令，通过通讯单元发送到ARM嵌入式控制模块后，ARM嵌入式控制模块经电机驱动器控制电机进行对应动作的实施。

实时规划线\目标点自动控制为岸基通过岸基电脑实时发送规划线或目标点给船体ARM嵌入式控制模块，ARM嵌入式控制模块结合当前位置、航向等信息做出判断，并控制电机使船体沿规划线航行。当链接断开后，ARM嵌入式控制模块将控制船只返回。

无链接自主测量控制为岸基在有通讯链接时发送一组规划线给ARM嵌入式控制模块，ARM嵌入式控制模块开始执行这一任务后，即使链接断开也可自主完成这一测量任务，然后自动返航。

在上述技术方案中，当通讯单元采用的是WIFI模式时，船体前方安装有带云台的防水摄像头可用于影像回传。

Claims (4)

1.一种无舵自动走航的无人船，其特征在于：包括船体、两侧的浮筒、通讯单元、导航与定位单元、测量单元、动力及驱动单元、船体姿态测定单元、工控机、为上述各部分提供工作电源的电池，所述动力及驱动单元包括设置于船体上的电机驱动器和设置于浮筒上的电机，螺旋桨通过转轴与电机相连，电机驱动器与ARM嵌入式控制模块相连；所述导航与定位单元包括设置于船体顶部的GNSS天线以及GNSS接收机，GNSS接收机与工控机相连；所述船体姿态测定单元包括三维电子陀螺仪，三维电子陀螺仪与ARM嵌入式控制模块相连；所述测量单元与工控机相连；所述通讯单元包括设置于船体顶部的天线，天线与无线路由器相连，无线路由器与交换机相连，交换机与ARM嵌入式控制模块和工控机互连。

2.根据权利要求1所述的无舵自动走航的无人船，其特征是：所述电机设置于两侧浮筒的尾部，浮筒尾部安装电机的部分为可拆卸式结构。

3.根据权利要求1所述的无舵自动走航的无人船，其特征是：所述GNSS接收机选用可支持GPS、GLONASS以及中国北斗系统的接收机。

4.根据权利要求1所述的无舵自动走航的无人船，其特征是：所述测量单元为水下地形测量仪、或流速流量测量仪或近景摄影测量所使用的高精度摄像机，当测量单元为摄像机时，摄像机安装在船体顶部。

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