CN103910053B - 无人测控船及无人测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测控的技术领域，公开了无人测控船以及无人测控系统，无人测控船包括船体，船体内设有中央控制板以及水下地形测量传感器，船体连接有置于船体外的推进结构，减少船体的体积，结构简单，直接可以水冷，大大节约成本；船体采用三体结构，设置多个舱体，并且外周设置了防撞条，增加航行稳定性，且便于设备维护；测控船内设置有姿态传感器，其能够输出俯仰角、横滚角和航向角，以及输出X、Y、Z三个方向的加速度信息，大大提高测量精度；船体上设置有摄像头以及超声波测障元件，可以随时摄取外周的环境以及测量测控船周围外的障碍，便于无人船的航行；该无人船采用无线通讯元件，可以直接与外部的移动终端及地面控制基地通讯。

Description

无人测控船及无人测控系统

技术领域

本发明涉及测控的技术领域，尤其涉及无人测控船以及包括该无人测控船的无人测控系统。

背景技术

近年来，我国洪涝灾害频发，严重威胁着人民生命及财产的安全，同时也成为了社会稳定发展的潜在障碍。造成这一现象的原因，除了跟全球气候变化息息相关外，也与湖库这些人工或天然的“洪涝调节器”的失效有着直接的关系，而造成水库湖泊调节洪涝灾害功能失效的主要原因就是泥沙的淤积。

据统计，由于泥沙淤积导致水库库容损失严重，全球每年库容损失占总库容的0.5％～1％。泥沙淤积会导致水库功能削弱，效益降低和出现病险问题，通航、灌溉等功能效益的发挥受到限制。同时，水库淤积上延引起淹没和生态环境问题，坝前泥沙淤积对坝前建筑物安全和发电效率产生影响和引起坝下游河床变形，影响防洪和航运安全等问题。

目前，解决水库淤积问题的首要前提，是对水库的水下地形进行精密的测量，建立完整的水下地形数据库。经调查，目前我国只有大型水库建立了比较完整的水下地形数据库，中小型水库在这一方面几乎空白，而造成这一现象的原因主要是缺乏快捷、有效和低成本的测量手段。

针对上述的情况，国内外多采用无人测控船，用于对中小水库的水下地形进行测量。无人测控船通过推进结构驱动，在水面上自行移动，完成对中小水库的整体测量，由此可见，推进结构直接关系到整个测量过程的成效。

现有技术中，无人测控船的推进结构采用的是传统的推进装置，其采用的是固定的推进动力，则还需要在无人测控船内配置结构复杂的转向结构，该转向结构包括转向舱+舵面组合，才能实现无人测控船在水面上进行转弯等移动，这样，由于结构复杂，且安装在船体内部，需要占据无人测控船内的大部分空间，使得无人测控船的体积较大，难以实现全面测量，且安装过程复杂，能耗高，发热量也大，并且，需要专门配置水冷装置对其进行冷却，费用较高。

发明内容

本发明的目的在于提供无人测控船，旨在解决现有技术中的无人测控船的推进结构需要配置结构较为复杂的转向结构，导致结构复杂、安装麻烦、能耗高、成本高，以及无人测控船体积、难以对水下地形全面测量的问题。

本发明是这样实现的，无人测控船，包括船体，所述船体内设有中央控制板以及水下地形测量传感器，所述船体前端的上表面设有摄像头以及超声波测障元件；所述船体的后端连接有推进结构，所述推进结构呈竖直状朝下延伸布置，其包括有带螺旋桨的推进器。

进一步地，所述推进结构包括转向舱、舵机、传动机构以及呈竖直状布置的吊舱转轴，所述转向舱置于所述船体的后端上，所述舵机及所述传动机构置于所述转向舱内，所述传动机构的两端分别连接于所述舵机的转轴及所述吊舱转轴的上端，所述吊舱转轴的下端连接有所述推进器。

进一步地，所述推进器的外表面设有防缠绕结构，所述防缠绕结构包括缠绕在推进器外表面的锯条。

进一步地，所述锯条设置在螺旋桨的根部，且朝上突出。

进一步地，所述船体内设有电性连接于所述中央控制板的姿态传感器，所述姿态传感器集成有三轴加速度传感器。

进一步地，所述船体包括舱体以及分别位于舱体两侧的下端浮体，所述浮体分别朝下延伸，且体相间布置。

进一步地，所述浮体采用小水线面船型设置。

进一步地，所述船体内具有容腔，所述容腔包括放置所述中央控制板的控制舱、放置各种元件的仪器舱以及放置蓄电池的电池舱，所述控制舱位于所述仪器舱的前方。

进一步地，所述的舱体上外凸的棱边套装有防撞条。

本发明还提供了无人测控系统，包括上述的无人测控船、用于遥控所述无人测控船的无线遥控器以及对无人测控船进行远程控制的地面控制基站。

与现有技术相比，本发明提供的推进结构置于船体外，其不需要占据船体的内部空间，可以减少船体的体积，从而，无人测控船可以到达水上任何位置，实现全面测量；其通过推进器驱动螺旋桨转动，提供航行的动力及转动，结构简单，安装也方便，且推进器置于水下，直接可以水冷，不需要专门设置冷却装置，大大节约成本。

无人测控系统采用上述的无人测控船，通过无线遥控器以及地面控制基站之间的配合，使得无人测控船可以按照要求到达水面上的任何位置，以及在任何位置上进行测量，得到完整并且准确的水下地形数据。

附图说明

图1是本发明实施例提供的无人测控船的立体示意图；

图2是本发明实施例提供的推进结构的主视示意图；

图3是本发明实施例提供的无人测控系统的示意图。

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。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

如图1～3所示，为本发明提供的一较佳实施例。

本实施例提供的无人测控船1用于对中小水库等进行水下地形测量，其包括船体11和中央控制板(图中未示出)，船体11中具有容腔(图中未示出)，该容腔可以用于放置各种需要的元件；中央控制板放置在船体11的容腔中，其是整个无人测控船1的大脑，负责通过各种传感器感知各种外界信息，通过特殊的算法，控制无人测控船1按照预定的路线行走。

中央控制板由软件和硬件共同组成，硬件包含有中央处理芯片、存储器和外围接口转换电路组成。

中央处理芯片应具有快速的数据处理能力以满足对实时数据的处理、足够的抗干扰能力以满足在恶劣电磁噪音环境下工作的需要、全面的片上外设以减少外扩功能器件的数目；

中央控制板的存储器分为两种：一是中央处理芯片内集成的Flash和SRAM，二是外扩的SRAM和Flash。其中中央处理芯片内集成的Flash用于存放移植的系统、各种驱动程序和无人船行走控制程序等，中央处理芯片内集成的SRAM用于系统和各种程序的运行；片外扩展的Flash存储器用于存放水深、波高等相关测量数据。

外围接口转换电路包括有USART外围接口转换电路、水下电力推进系统接口转化电路、AD采集接口转换电路、超声波测障传感器接口转换电路、开关量转换电路等。

无人测控船1在航行的过程中，为了可以收集其周围环境的图像，该船体11前端的上表面上设置有摄像头15，其电性连接于中央控制器，当无人测控船1在航行的过程中，利用该摄像头15可以对其周围的环境进行采集，并传递至中央控制板中，便于中央控制板对无人测控船1的航行进行导向，并且，便于操作人员直接观察无人测控船1的工作状态。

另外，当无人测控船1在航行时，为了避免船体11与外部物体发生碰撞，以及为了更好的对无人测控船1进行导航，本实施例中，船体11前端的上表面上设有超声波测障元件，该超声波测障元件电性连接于中央控制板，并且，其中的超声波发生器13显露在船体11的上表面上。这样，当无人测控船1在水面上航行时，超声波发生器13不断的往前发射超声波，当无人测控船1的前方有障碍时，障碍则会反射超声波，从而，超声波测障元件将该信息反馈至中央控制板，由中央控制板根据接受到的信息，控制无人测控船1的航行方向。

本实施例中，超声波测障元件的测量距离可达10米，且其探测夹角只有15°，这样就可以提高超声波测量角度分辨率。

为了便于超声波测障元件的测障性能，其超声波发生器13凸显在船体11前端的上表面上，并且，分别设置了两个超声波发生器13，该两个超声波发生器13相间布置。

在上述的船体11的容腔中，设置有水下地形测量传感器，其电性连接于中央控制板，用于对船体11下的水下地形进行测量，并且将测量信号反馈中央控制板中，在中央控制板中进行数据处理等，得到直观以及准确的水下地形数据。

在船体11的后端设置有推进结构18，该推进结构18呈竖直状朝下延伸布置，其包括用带螺旋桨189的推进器186，这样，通过调整螺旋桨189的转动速度以及调整其方向，则可以使得测控船1在行驶速度，以及行驶的方向等。

并且推进结构18的推进器186布置得船体11外，置于水中，可以利用外部水对其进行降温，推进器186直接驱动螺旋桨189的转动，其效率较高。

本实施例提供的推进结构18具有以下多个优点：

1)、重量轻，推力大。该推进结构18的重量较小，航行时可产生较大的推力；

2)、全电力推进，能耗小。该推进结构18可以直接利用普通的铅蓄电池驱动，产生最大推力时，工作电流较小；

3)、推力大小可调节，且可以实现推进器186的正反转。可采用脉宽调制技术控制电调调整电压输出，以实现推进器186转速和转向的调节，进而调节推力的大小和方向。

4)、推进结构18将推进器186放置在水下工作，可在水中自然冷却，可省掉了水冷装置。

5)、推进器186几乎直接驱动螺旋桨189，传动轴极短，故推进器工作时几乎听不到声音。

本实施例提供的无人测控船1，其推进结构18直接连接在船体11外，不需要占据船体11内的空间，可以大大减少船体11的体积，从而使得无人测控船1可以航行至水面上的任何位置，实现对水下地形的全面测量；推进结构18直接利用推进器驱动螺旋桨189的转动，进而达到完全控制无人测控船1航行及转向的效果，结构简单，安装也方便，并且能耗低；推进器186直接置于水下，其发热量小，从而也不需要专门设置冷却装置，大大降低其制造成本。当然，通过控制推进器186的正反转，可实现无人测控船1可以前行或后退。

推进结构18用于推动无人测控船1在水面上航行，以完成其对中小水库等的水下地形测量；推进结构18包括转向舱181、舵机183、传动机构184、吊舱转轴182以及上述的带螺旋桨189的推进器186。其中，转向舱181设置在船体11的后端上，舵机183及传动机构184放置在转向舱181中，且传动机构184连接在舵机183的转轴185上，由舵机183驱动传动机构184转动；传动机构184的一端连接在舵机183的转轴185上，另一端连接在吊舱转轴182的上端；吊舱转轴182呈竖直状布置，其上端延伸进转向舱181中，下端朝下延伸至船体11下方，连接在推进器186上。

本实施例中，传动机构184可以是连杆，也可以是其它结构等。

在上述的推进结构18中，其由中央控制板控制运行，推进器186驱动螺旋桨189转动，从而给船体11的航行提供动力，当船体11需要转向时，则通过舵机183驱动传动机构184转动，传动机构184转动吊舱转轴182转动，从而使得整个推进器186转动，调整螺旋桨189的排布方向，进而给船体11提供转向的动力。

无人测控船1在中小水库等航行，经常会遇到水草、水浮莲等水上植物，这些水下植物容易将推进结构18的螺旋桨189缠绕住，从而影响无人测控船1的航行，甚至导致无人测控船1损坏，无法航行。本实施例中，在推进器186的外表面上设置了防缠绕结构，从而可以放置水草、水浮莲等水上植物缠绕在推进器186以及其上的螺旋桨189上，保证无人测控船1的正常航行。

本实施例中，防缠绕结构采用锯条锯木原理，其包括缠绕在推进器186外表面上的锯条187，这样，当螺旋桨189缠绕到水草时，水草会在螺旋桨189转动力的作用下，被锯条187锯断，从而避免水草等缠绕在推进器上。

本实施例中，锯条187位于螺旋桨189的根部，朝上突出，这样，当水草等缠绕在螺旋桨189上时，向螺旋桨189根部运动，这时水草就会被锯条187锯到，由于锯齿小而密，所以在切割水草时，对螺旋桨189的影响较小，且锯齿锋利，就会很快的将水草切断。

本实施中，船体11的容腔中设置有姿态传感器(图中未示出)，该姿态传感器电性连接中央控制板，其内集成有三轴加速度传感器，用于测量俯仰角、横滚角以及航行角，又能够输出X、Y、Z三个方向的加速度信息，并且能够输出水面的波高数据，中央，当水下地形测量传感器在对水下地形进行测量时，由于船体11的倾斜或水面上有波浪或由于船体11的吃水深度等，都会对测量结构导致一定的影响，从而难以达到对水下地形较为准确的测量。中央控制板通过同时接受姿态传感器以及水下地形测量传感器的数据，可以对水下地形测量数据进行修正，从而大大提高该无人测控船1的测量精度。根据上述信息，无人船既能够实时控制航行的方向，又能够有效地消除由于船体姿态和水面波浪对水下地形测量产生的影响，极大的提高测量精度。

为了对无人测控船1的位置定位，在船体11内设置GPS定位元件，其电性连接于中央控制板，这样，操作人员在使用该无人测控船1的过程中，通过外部移动终端可以随时获知无人测控船1的位置信息。

为了便于该无人测控船1与外界的移动终端等进行数据传递，本实施例中，无人测控船1的容腔内设置有无线通讯元件，其电性连接于中央控制板，可以将中央控制板接受的水下地形测量数据、障碍数据、视频数据等等通过该无线通讯元件发送至外。

当然，为了增强无线通讯元件的通讯性能，船体11上设置有通讯天线191及网关天线192等，其直接电性连接无线通讯元件，大大其网络连接能力。

在船体11上还设置有工作信号灯17，其电性连接于中央控制板，中央控制板根据无人测控船1的工作状态等信息，可以控制工作信号灯17发生不同状态的亮灯，或不同颜色的亮灯等，用于显示该无人测控船1的工作状态，具体的设置情况可视实际情况而设置。

在船体上还设有开关件10，用于启动无人测控船的运行，当然，开关件10的形式可以多样化，其可以是插孔，也可以是按键等，具体设置可视实际需要而定。

本实施例提供的船体11为双体船体11，其包括舱体以及两浮体111，其中，两浮体111分别设置在舱体两侧的下端，浮体111朝下延伸布置，这样，船体11的两侧则形成了两浮体111，两浮体111之间形成间隔，当无人测控船1在航行时，该两浮体111的下端则下陷在水面下。

本实施例中，浮体111采用小水线面船型设置，具备阻力较小、运动响应少，具有较好的快速性、优良的耐波性和在波浪中失速小等优点，既减少了对动力的需求，又提高了航速；浮体111内填充满泡沫，有效的提高了无人船的抗撞性和抗沉性。

船体11与两浮体111之间通过快速连接结构连接，在拆解状态下，整个无人测控船1可用家用SUV运输；在浮体111内设置有密闭式电池舱，电池舱与浮体111之间充满了发泡材料，其可以有效的降低了无人测控船1的重心，也可以增强无人测控船1的抗撞性。

本实施例中的无人测控船1，采用双浮体111的结构，可以保证无人测控船1航行的稳定性，且可以增加无人测控船1的载荷，其有效负载达到40kg。

为了便于对船体11内的容腔充分利用，本实施例中，容腔包括控制舱14、仪器舱16以及上述的电池舱，该三个舱分别用于放置不同的元件，如中央控制板在放置在控制舱14中，其它用于测量等元件则放置在仪器舱16中，而在电池舱中则放置有蓄电池，其电性连接于中央控制板，用于给整个无人测控船1的各个元件提供运行电能；其中，控制舱14位于仪器舱16的前方。

上述的船体11内采用分舱设置，这样，有利于船体11内部空间的充分利用，便于对各元件进行分离放置，且有利于该无人测控船1的升级维护，以及各元件的功能扩展。

本实施例中，船体11的侧壁上预先开设有多个安装接口，这样，无人测控船1中各个需要显露在船体11外的元件，可以安装在该安装接口上，由于船体11上的安装接口预先开孔，这样，大大减少后期无人测控船1的安装时间，提高安装效率。

另外，上述的安装接口的外周均设置有防水结构，这样，避免无人测控船1在航行的过程中，外部的水通过该安装接口进入船体11内。

当无人测控船1在航行的过程中，为了增加其防撞性能，船体11的舱体上外凸的棱边上套设有防撞条12，该防撞条12的设置，可以大大增强无人测控船1的受冲击能力。

具体地，上述的防撞条12可以是常见的橡胶条，或者其它具有弹性的条状物等。

本实施例提供的无人测控船1，体积较小，能满足要求，又具有良好的抗风浪性；其采用环氧树脂+玻璃纤维材料制成的船体11，使其重量既能满足要求，又具有较强的结构强度。

本实施例中的无人测控船1，其具有以下多个特点：

1)、自主导航、自主航行(不需手动遥控)；

2)、可以接受遥控器的手动遥控指令；

3)、可以接受基站的手动遥控指令；

4)、超声波避障，障碍物探测距离不少于10米；

5)、视频画面实时传输，分辨率高，具有夜视功能；

6)、水深数据与无人船的状态参数(位置、朝向、航速等数据)合并成一个数据包，在通信范围内，可一并无线发送回基站；

7)、具有声光报警功能；

8)、通讯距离不小于5公里、不小于2公里；

9)、航速：最大1.5米/秒；续航能力：不少于5小时。

本实施例还提供了无人测控系统，其包括了上述的无人测控船1、无线遥控器3以及地面控制基站2，其中，无线遥控器3可以与无人测控船1中的无线通讯结构进行通讯，从而给中央控制板发送信息等，操控无人测控船1的航行，例如转向、航行速度等等，另外，无线遥控器3上还设置有显示屏，其可以显示无人测控船1的航行状态，如速度以及位置等等。

无线遥控其具有以下三个功能：

1)、手动遥控无人测控船1，切换无人测控船1自动、手动状态；控制无人测控船1的前后左右；控制无人测控船1的声光警报；

2)、监控并显示无人测控船1的状态，显示无人测控船1的位置、工作状态、无人测控船1的电量、遥控器的电量等；

3)、设定某些特定参数，比如自动航行起点等。

地面控制基站2通过网络及无线电等多种方式实现，地面控制基站3对无人测控船1的远程控制、数据上传和下载、实时状态跟踪和水下地形数据分析等功能。该地面控制基站2可以由笔记本电脑、电源通信转换器、大容量锂电池和控制软件等组成，当然，其还可以是其它多种设备组成，并不仅限制于本实施例中的组成，具体设置可视实际需要而定。

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 (8)

1.无人测控船，其特征在于，包括船体，所述船体内设有中央控制板以及水下地形测量传感器，所述船体前端的上表面设有摄像头以及超声波测障元件；所述船体的后端连接有推进结构，所述推进结构呈竖直状朝下延伸布置，其包括有带螺旋桨的推进器；所述推进结构包括转向舱、舵机、传动机构以及呈竖直状布置的吊舱转轴，所述转向舱置于所述船体的后端上，所述舵机及所述传动机构置于所述转向舱内，所述传动机构的两端分别连接于所述舵机的转轴及所述吊舱转轴的上端，所述吊舱转轴的下端连接有所述推进器；所述推进器的外表面设有防缠绕结构，所述防缠绕结构包括缠绕在推进器外表面的锯条。

2.如权利要求1所述的无人测控船，其特征在于，所述锯条设置在螺旋桨的根部，且朝上突出。

3.如权利要求1或2所述的无人测控船，其特征在于，所述船体内设有电性连接于所述中央控制板的姿态传感器，所述姿态传感器集成有三轴加速度传感器。

4.如权利要求1或2所述的无人测控船，其特征在于，所述船体包括舱体以及分别位于舱体两侧的下端浮体，所述浮体分别朝下延伸，且体相间布置。

5.如权利要求4所述的无人测控船，其特征在于，所述浮体采用小水线面船型设置。

6.如权利要求4所述的无人测控船，其特征在于，所述船体内具有容腔，所述容腔包括放置所述中央控制板的控制舱、放置各种元件的仪器舱以及放置蓄电池的电池舱，所述控制舱位于所述仪器舱的前方。

7.如权利要求6所述的无人测控船，其特征在于，所述的舱体上外凸的棱边套装有防撞条。

8.无人测控系统，其特征在于，包括权利要求1～7任一项所述的无人测控船、用于遥控所述无人测控船的无线遥控器以及对无人测控船进行远程控制的地面控制基站。