CN103803043A - 一种风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台，包括船体，船体上固定有驱动装置，提供风速、风向、温度、湿度、气压信息的气象装置，导航装置，可与手持移动基站或陆地固定基站进行通讯的通讯模块，避障装置，测量水流流速、方向的水流测量装置，协调控制驱动装置实现水上作业平台无人智能导航的中央控制模块，为水上作业平台装置提供工作电源的蓄电池；驱动装置包括由电机驱动的电动旋转台和安装于电动旋转台之上的驱动风扇，驱动装置为两个，分别安装在船体的左后方、右后方。本发明与传统船舶相比，采用了可变方向的风扇驱动，省去了复杂的机械发动机、转向舵及传动机构，重量轻、效率高、无污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台。
背景技术
水面作业的船只通常是由螺旋桨水下驱动，并且船舶的航向控制为船舵，行进过程中经常打断水草，而打断的水草容易腐烂变质，污染养殖水体；另一方面普通船只的螺旋桨水下驱动，行进过程中容易侵扰惊吓到养殖水生生物。而且在湖泊、沼泽、水塘、湿地等浅水区域，由于浅水草茂盛或水下情况复杂，船只的螺旋桨易被缠绕或触礁损伤等而无法驱动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台，旨在解决现有技术中水上作业船只采用螺旋桨水下驱动带来的易打断水草进而腐烂变质污染水体以及在行进过程中容易侵扰惊吓到养殖水生生物的问题，以及在湖泊、沼泽、水塘、湿地等浅水区域，若采用螺旋桨驱动船只则可能发生难以驱动的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台，包括船体，其特殊之处在于：所述船体上固定有驱动装置，提供风速、风向、温度、湿度、气压信息的气象装置，导航装置，可与手持移动基站或陆地固定基站进行通讯的通讯模块，避障装置，测量水流流速、方向的水流测量装置，协调控制驱动装置实现水上作业平台无人智能导航的中央控制模块，为作业平台上装置提供工作电源的蓄电池；所述驱动装置包括由电机驱动旋转的电动旋转台和安装于电动旋转台之上的驱动风扇，驱动装置为两个，分别安装在船体的左后方、右后方；
上述气象装置包括风速、风向、温度、湿度、气压测量装置，气象装置与中央控制模块通过电路相连；
上述导航装置包括GNSS全球定位系统、电子罗盘和惯性导航模块；
上述避障装置包括摄像、超声波探测、激光测距装置；
上述通讯模块包括3G或4G或5G通信模块或GPRS通信模块或无线通讯模块；
上述水流测量装置通过支架固定于船体上，水流测量装置包括水流流速测量传感器和水流方向传感器；
上述驱动装置、导航装置、气象装置、通讯模块、避障装置和水流测量装置都通过电路与中央控制模块连接；所述中央控制模块综合各种传感器信息或者接收到的控制指令，通过电路来协调控制两台风扇的运转，实现水上作业平台的无人智能导航。
进一步，所述驱动装置的驱动风扇采用转速可调的电机，驱动风扇的电机采用单向工作或双向工作方式，驱动装置的两个电动旋转台分别各受一台电机控制，中央控制模块与安装驱动风扇的电动旋转台的驱动电机通过电路连接。
进一步，所述驱动风扇上安装测量风扇转速或转向的转速转向传感器，电动旋转台上安装测量风扇轴向旋转角度的角度传感器，中央控制模块通过电路可以读取驱动风扇风叶旋转的转速和转向信息，通过协调控制两台驱动风扇的差速运转或电动旋转台的转向来实现水上作业平台的转向、掉头等动作。
进一步，所述驱动风扇带有导风罩或安全防护装置。
进一步，所述惯性导航模块包括三轴陀螺仪或三轴加速度陀螺仪。
进一步，所述中央控制模块包含GIS地理信息系统或相关作业水域的地图内容。
进一步，该水上作业平台可通过通讯模块接受人为制导控制指令进行航行，或根据指定任务和GIS地理信息系统或相关作业水域的地图内容进行自主自适应航行。
进一步，所述中央控制模块可以通过通讯模块把水上作业平台的位姿、航向、水上作业平台的定位座标信息、设备工作状态、蓄电池电量、风速、风向、温度、气压、湿度、水流方向、水流速度、航行方向、航速信息、障碍物信息等通过基站向控制中心实时汇报。
进一步，所述中央控制模块带有与外界进行信息、数据交换的并行口或者串行口或无线通信方式交换的装置。
本发明提供的一种风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台，是一种高度自动化的、无人操作、无舵、根据任务自主规划路径、自主导航、自主智能避障或者接受基站指令控制航行的水面作业平台。本发明在船体上的驱动装置是两个电动旋转台和电动旋转台之上安装的驱动风扇，两个电动旋转台由电机驱动，通过传动装置使驱动风扇沿平面旋转，改变驱动风扇轴向方向，从而改变驱动风扇的风叶朝向，使用此驱动装置的优势在于可以使船只对水面以下的动物、植物、环境的影响降至最低，避免了普通船只的螺旋桨对水下生物造成伤害；同时在湖泊、沼泽、水塘、湿地等浅水区域，存在浅水草茂盛、水下情况复杂现象，本发明可以克服螺旋桨易被缠绕或损伤而无法驱动的困难。本发明的水上作业平台具有无人、无污染、可以深入重污染、危险区域进行工作的优点，降低了人类工作的危险系数。由于本发明水上作业平台无舵、无螺旋桨，水声比普通船只小，所以对水下生物或环境的影响降到了最低，而且可以实现自适应导航，提高了作业效率，大大节约了人力物力。
附图说明
图1是本发明的结构示意俯视图；
图2是本发明的结构示意侧视图；
图3是本发明的结构示意后视图；
图4是本发明驱动装置局部放大图；
图中：1、避撞装置；2、气象装置；3、通讯模块；4、导航装置；5、蓄电池；6、中央控制模块；7、船体；8、驱动装置；801、电动旋转台；802、驱动风扇；9、水流测量装置；10、支架。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了本发明实施例提供的风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台的结构。为了便于说明，仅仅示出了与本发明实施例相关的部分。
本发明实施例的风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台，包括船体7，船体7上固定有驱动装置8，提供风速、风向、温度、湿度、气压信息的气象装置2，导航装置4，可与手持移动基站或陆地固定基站进行通讯的通讯模块3，避障装置1，测量水流流速、方向的水流测量装置9，协调控制驱动装置8实现水上作业平台无人智能导航的中央控制模块6，为作业平台上装置提供工作电源的蓄电池5；驱动装置8包括由电机驱动旋转的电动旋转台801和安装于电动旋转台801之上的驱动风扇802，驱动装置8为两个，分别安装在船体的左后方、右后方；
气象装置2包括风速、风向、温度、湿度、气压测量装置，气象装置2与中央控制模块6通过电路相连；
导航装置4包括GNSS全球定位系统、电子罗盘和惯性导航模块；
避障装置1包括摄像、超声波探测、激光测距装置；
通讯模块3包括3G或4G或5G通信模块或GPRS通信模块或无线通讯模块；
水流测量装置9通过支架10固定于船体7上，水流测量装置9包括水流流速测量传感器和水流方向传感器；
驱动装置8、导航装置4、气象装置2、通讯模块3、避障装置1和水流测量装置9都通过电路与中央控制模块6连接；所述中央控制模块6综合各种传感器信息或者接收到的控制指令，通过电路来协调控制两台风扇的运转，实现水上作业平台的无人智能导航。
在本发明的实施例中，驱动装置8的驱动风扇802采用转速可调的电机，驱动风扇802的电机采用单向工作或双向工作方式，驱动装置8的两个电动旋转台801分别各受一台电机控制，中央控制模块6与安装驱动风扇的电动旋转台801的驱动电机通过电路连接。
在本发明的实施例中，驱动风扇802上安装测量风扇转速或转向的转速转向传感器，电动旋转台801上安装测量风扇轴向旋转角度的角度传感器，中央控制模块6通过电路可以读取驱动风扇风叶旋转的转速和转向信息，通过协调控制两台驱动风扇的差速运转或电动旋转台的转向来实现水上作业平台的转向、掉头等动作。
在本发明的实施例中，驱动风扇802带有导风罩或安全防护装置。
在本发明的实施例中，惯性导航模块包括三轴陀螺仪或三轴加速度陀螺仪。
在本发明的实施例中，中央控制模块6包含GIS地理信息系统或相关作业水域的地图内容。
在本发明的实施例中，该作业平台可通过通讯模块3接受人为制导控制指令进行航行，或根据指定任务和GIS地理信息系统或相关作业水域的地图内容进行自主自适应航行。
在本发明的实施例中，中央控制模块6可以通过通讯模块3把作业平台的位姿、航向、作业平台定位座标信息、设备工作状态、蓄电池电量、风速、风向、温度、气压、湿度、水流方向、水流速度、航行方向、航速信息、障碍物信息等通过基站向控制中心实时汇报。
在本发明的实施例中，中央控制模块6带有与外界进行信息、数据交换的并行口或者串行口或无线通信方式交换的装置。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1-4所示，该风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台包括：船体7，船体7上固定有驱动装置8，提供风速、风向、温度、湿度、气压信息的气象装置2，导航装置4，可通过手持移动基站或陆地固定基站进行通讯的通讯模块3，避障装置1，测量水流流速、方向的水流测量装置9，协调控制驱动装置8实现水上作业平台无人智能导航的中央控制模块6，为作业平台上装置提供工作电源的蓄电池5；驱动装置8包括由电机驱动的电动旋转台801和安装于电动旋转台801之上的驱动风扇802，驱动装置8为两个，分别安装在船体的左后方、右后方，电动旋转台801由电机驱动，通过传动装置使驱动风扇802的轴向沿平面转动，改变风扇朝向；
气象装置2包括风速、风向、温度、湿度、气压测量装置，气象装置2与中央控制模块6通过电路相连；
导航装置4包括GNSS全球定位系统、电子罗盘和惯性导航模块；
避障装置1包括摄像、超声波探测、激光测距装置；
通讯模块3包括3G或4G或5G通信模块或GPRS通信模块或无线通讯模块；
水流测量装置9通过支架10固定于船体7上，水流测量装置9包括水流流速测量传感器和水流方向传感器；
驱动装置8、导航装置4、气象装置2、通讯模块3、避障装置1和水流测量装置9都通过电路与中央控制模块6连接；中央控制模块6综合各种传感器信息或者接收到的控制指令，通过电路来协调控制两台风扇的运转，实现水上作业平台的无人智能导航。
驱动装置8的驱动风扇802采用转速可调的电机，驱动风扇802的电机采用单向工作或双向工作方式，驱动装置8的两个电动旋转台801分别各受一台电机控制，中央控制模块6与安装驱动风扇的电动旋转台801的驱动电机通过电路连接。驱动风扇802上安装测量风扇转速或转向的转速转向传感器，电动旋转台801上安装测量风扇轴向旋转角度的角度传感器，中央控制模块6通过电路可以读取驱动风扇风叶旋转的转速和转向信息，通过协调控制两台驱动风扇的差速运转或电动旋转台的转向来实现作业平台的转向、掉头等动作。驱动风扇802带有导风罩或安全防护装置。
惯性导航模块包括三轴陀螺仪或三轴加速度陀螺仪。
中央控制模块6包含GIS地理信息系统或相关作业水域的地图内容。该作业平台可通过通讯模块3接受人为制导控制指令进行航行，或根据指定任务和GIS地理信息系统或相关作业水域的地图内容进行自主自适应航行。中央控制模块6可以通过通讯模块3把作业平台的位姿、航向、作业平台定位座标信息、设备工作状态、蓄电池电量、风速、风向、温度、气压、湿度、水流方向、水流速度、航行方向、航速信息、障碍物信息等通过基站向控制中心实时汇报。中央控制模块6带有与外界进行信息、数据交换的并行口或者串行口或无线通信方式交换的装置。
该风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台具体实现自适应导航方法的步骤和措施如下：
(1)通过GNSS全球定位系统采集本发明水上作业平台的绝对位置，并结合本系统所带的GIS地理信息系统和地图信息，得到本发明作业平台在地图中的相对位置。
(2)通过电子罗盘获知所述水上作业平台的航向角。
(3)通过惯性导航模块获得所述发明水上作业平台的位姿，获取水上作业平台各个方向的角速度、角度信息。
(4)通过水流测量装置获知所在水域的流速、流向信息。
(5)通过气象装置获知所在水域的风速、风向、温度、湿度、气压等信息。
(6)通过通讯模块或者中央控制模块的数据交换口获知任务信息或事先制定的航线信息。
(7)根据规定任务，中央控制模块将上述信息进行综合后，经过解析运算，规划出一条能够满足任务需要的航行轨迹，中央控制模块控制驱动风扇的可调速、可正反转风叶旋转产生反作用力，或者通过协调控制两台驱动风扇的差速运转或电动旋转台的转向来实现作业平台的前进、后退、转向或掉头等动作，使所述发明作业平台沿规划好的路径航行。
(8)航行过程中，中央控制模块利用作业平台所带的摄像、超声波、激光传感器进行障碍物探测和测距，并控制作业平台改变航行轨迹或者航速避开障碍。
(9)作业平台航行过程中受风、水流影响，若偏离原规划航行轨迹，中央控制模块自动进行修正。
(10)作业平台在航行过程中定期或者不定期的通过通讯模块把作业平台的位姿、航向、GNSS全球定位系统的精确定位信息、设备工作状态、蓄电池电量、风速、风向、温度、湿度、气压、水流方向、水流速度、航行路径中的障碍信息、规划路径信息、航行轨迹信息、航迹信息、作业平台位姿信息等所有或者部分数据通过基站向控制中心汇报。
由于本发明水上作业平台带有惯性导航模块，可以获知平台的具体位姿信息。中央控制模块结合水流的流速、流向、风速、风向、温度、湿度、气压信息，通过计算后改变驱动风扇的工作模式，可以预防作业平台的侧倾和倾覆。
本发明是采用置于船体上的风扇驱动，这种装置对于无人驾驶的智能水上作业平台，导航系统的配置极其重要。本发明依据作业水域GIS地理信息系统和相关地图信息内容，根据规定的任务，通过GNSS全球定位系统精确定位后，中央控制模块经过计算，规划出航行路径，自主进行导航。中央控制模块给驱动风扇发出具体动作指令，使作业平台从出发点按照规划路径驶向规定区域。作业平台沿途可以停留或者作业，航行过程中自主进行障碍探测并采取避障绕行措施。水上作业平台航行时考虑水流、气流对作业平台航行轨迹的影响，并修正航线，使作业平台始终沿规划路径航行、避障绕行、停留、作业。
中央控制模块控制驱动风扇的可调速或者改变旋转方向的风叶旋转产生反作用力或者改变驱动风扇的轴向方向推进水上作业平台前进或者后退或者转向，使该作业平台沿规划路径航行。
相对于传统的水上作业船，本发明的水上作业平台是无人、无污染、可以深入重污染、危险区域进行工作，降低了人类工作的危险系数。由于本发明水上作业平台无舵、无螺旋桨，水声比普通船只小，所以对水下生物或环境的影响降到了最低，而且可以实现自适应导航，提高了作业效率，大大节约了人力物力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台，包括船体(7)，其特征在于：所述船体(7)上固定有驱动装置(8)，提供风速、风向、温度、湿度、气压信息的气象装置(2)，导航装置(4)，可与手持移动基站或陆地固定基站进行通讯的通讯模块(3)，避障装置(1)，测量水流流速、方向的水流测量装置(9)，协调控制驱动装置(8)实现船舶无人智能导航的中央控制模块(6)，为船上装置提供工作电源的蓄电池(5)；所述驱动装置(8)包括由电机驱动旋转的电动旋转台(801)和安装于电动旋转台(801)之上的驱动风扇(802)，驱动装置(8)为两个，分别安装在船体的左后方、右后方；
所述气象装置(2)包括风速、风向、温度、湿度、气压测量装置，气象装置(2)与中央控制模块(6)通过电路相连；
所述导航装置(4)包括GNSS全球定位系统、电子罗盘和惯性导航模块；
所述避障装置(1)包括摄像、超声波探测、激光测距装置；
所述通讯模块(3)包括3G或4G或5G通信模块或GPRS通信模块或无线通讯模块；
所述水流测量装置(9)通过支架(10)固定于船体(7)上，水流测量装置(9)包括水流流速测量传感器和水流方向传感器；
所述驱动装置(8)、导航装置(4)、气象装置(2)、通讯模块(3)、避障装置(1)和水流测量装置(9)都通过电路与中央控制模块(6)连接；所述中央控制模块(6)综合各种传感器信息或者接收到的控制指令，通过电路来协调控制两台风扇的运转，实现水上作业平台的无人智能导航。
2.根据权利要求1所述的一种风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台，其特征在于：所述驱动装置(8)的驱动风扇(802)采用转速可调的电机，驱动风扇(802)的电机采用单向工作或双向工作方式，驱动装置(8)的两个电动旋转台(801)分别各受一台电机控制，中央控制模块(6)与安装驱动风扇的电动旋转台(801)的驱动电机通过电路连接。
3.根据权利要求1所述的风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台，其特征在于：所述驱动风扇(802)上安装测量风扇转速或转向的转速转向传感器，电动旋转台(801)上安装测量风扇轴向旋转角度的角度传感器，中央控制模块(6)通过电路可以读取驱动风扇风叶旋转的转速和转向信息，通过协调控制两台驱动风扇的差速运转或电动旋转台的转向来实现船舶的转向、掉头等动作。
4.根据权利要求1所述的风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台，其特征在于：所述驱动风扇(802)带有导风罩或安全防护装置。
5.根据权利要求1所述的风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台，其特征在于：所述惯性导航模块包括三轴陀螺仪或三轴加速度陀螺仪。
6.根据权利要求1所述的风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台，其特征在于：所述中央控制模块(6)包含GIS地理信息系统或相关作业水域的地图内容。
7.根据权利要求1所述的风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台，其特征在于：该作业船可通过通讯模块(3)接受人为制导控制指令进行航行，或根据指定任务和GIS地理信息系统或相关作业水域的地图内容进行自主自适应航行。
8.根据权利要求1所述的风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台，其特征在于：所述中央控制模块(6)可以通过通讯模块(3)把作业平台的位姿、航向、船舶定位座标信息、设备工作状态、蓄电池电量、风速、风向、温度、气压、湿度、水流方向、水流速度、航行方向、航速信息、障碍物信息等通过基站向控制中心实时汇报。
9.根据权利要求1所述的风扇驱动的大面积水域自动导航水上作业平台，其特征在于：所述中央控制模块(6)带有与外界进行信息、数据交换的并行口或者串行口或无线通信方式交换的装置。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: JIANGSU UNIVERSITY Free format text: FORMER OWNER: ZHAO DEAN Effective date: 20140605 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20140605 Address after: 212013 Jiangsu University, 301, Xuefu Road, Jiangsu, Zhenjiang Applicant after: Jiangsu University Address before: Zhenjiang City, Jiangsu Province, 212013 Jingkou District Road No. 301 District 26 building 502 room 2 Applicant before: Zhao Dean |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140521 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |