CN107264718A - 一种上下对称、抗倾覆无人船系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无人船领域，针对现有的水文测量无人船由于遭遇风浪或者其他原因导致的船体倾覆时，使得无人船不能正常工作的问题；提出一种上下对称、抗倾覆的无人船，整个船体是上下对称的，即上下船体的结构沿着中轴线是对称的，其中有两个推进器放于尾部，用于实现船体的前进、转向、后退功能，整套电子设备沿着中轴面摆放；整个无人船系统包括遥控器及动力船体两大部分，通过遥控器与动力船体的协作，这样当船体由于未知原因翻滚后，仍然能够保证正常工作，克服了传统无人船倾覆后不能工作的弊端。
Description
技术领域
本发明涉及无人船领域，具体的说是一种上下对称、抗倾覆无人船系统。
背景技术
无人船一个高科技的代名词之一，首先在军事领域里崭露头角，例如美国德事隆集团研制的无人船，可以在海湾中巡逻应对猖獗的海盗，这样可以避免海盗勒索赎金的人质对象；美国海军采用“机翼”设计的“X-2”号无人艇，用于完成海岸监视、禁毒、拦截、巡逻等任务。
后来，民用无人船开始兴起，主要用于水文测量、应急采样检测、核辐射在线检测、水面垃圾清理等；且无人船采用远程遥控或者自驾驶的方式。目前传统的测量用无人船，采用封闭或者半封闭的船舱，其内摆放用于测量的电子设备、记录数据的电子设备、回传数据的电子设备及电源、推进设备等。这种传统的测量船在遇到大的风浪时，容易造成船体的倾覆，从而给测量的正常进行造成干扰，严重的可能会危机电子设备的安全，造成设备烧掉。无人船作为一个动态信息搜集的平台，如果能够增强船体的抗风浪能力，防止船体的倾覆，将会给平台的可靠信息搜集提供强有力的保障。
在专利“一种无人船抗风浪巡航控制方法及系统”中，通过实时监测无人船航行时的水流矢量数据与船体航行矢量数据来计算船体航向与水流之间的夹角，然后通过调整船体的速度与航向来达到避免倾覆的危险。上述的方式中，在存在排浪的情形下，难以奏效，这正是本发明要解决的问题。
发明内容
本发明的目的，在于针对现有的水文测量无人船由于遭遇风浪或者其他原因导致的船体倾覆时，使得无人船不能正常工作的问题；提出了一种上下对称、抗倾覆无人船设计方法，其特征是整个船体是上下对称的、密封的，这样当船体由于未知原因翻滚后，仍然能够保证正常工作，克服了传统无人船倾覆后不能工作的弊端。
该系统是这样实现的：
整个上下对称、抗倾覆无人船的外形图，如图1所示，整个船体是上下对称的，也就是说上下船体的结构沿着中轴线是对称的，其中有两个推进器放于尾部，用于实现船体的前进、转向、后退功能；整套电子设备沿着中轴面摆放，摆放图如图2所示。
所述的上下对称、抗倾覆的无人船，包括遥控器及动力船体两大部分，下面分述之，由于本发明的目的是为了实现抗倾覆，所以以下并未涉及无人船上的电子测量设备，可以根据需要在船体内摆放相应的设施。
所述的遥控器部分包括：
1）操作部分；所述的操作部分功能为给所述的控制部分提供速度大小及转向信号；在实例中，所述的操作部分中通过滑动变阻器产生速度大小及转向的信号；具体的说，通过摇杆的上下、左右摆动带动相应滑动变阻器滑片的运动来实现的；
2）所述的显示部分，能够指示当前无人船的速度、转向、上下翻转模式、故障、电量信息；在实例中，所述的显示部分采用12864模块；
3）控制部分；所述的控制部分，包括采用单片机或者相应的数字逻辑电路实现的控制功能；所述的控制功能为读取所述操作部分的电压信号，然后根据控制算法转化成相应的速度及转向命令；具体在所述的实例中详述；
4）所述的发射/接收部分，其功能为通过无线电波与所述的无人船部分进行通信，将所述遥控部分的命令信号----转速大小、转向，发送给所述的无人船部分；然后接收所述的无人船部分传回的正反转模式及电机的转速与无人船的转向、电量信号。具体在实例中详述；
5）供电部分；所述的供电部分实现给所述的控制部分、操作部分、显示部分、发射/接受部分供电；在实例中，所述的供电部分采用能自充电的锂电池供电；所述的自充电指的是，一方面带外部充电接口；另一方面，可以直接利用绿色清洁能源给电池充电；所述的绿色清洁能源指的是利用太阳能电池板、风轮发电机；此外，所述的控制部分可以通过检测电池的状态，来控制是否继续通过所述的绿色清洁能源给电池充电；具体在实例详述；
6）所述的遥控器部分整体功能为，所述的控制部分通过采集所述的操作部分的电压信号，将其转化成相应的速度及转向信号，然后通过所述的发射部分传给所述的无人船部分；同时通过所述的接受部分接受所述的无人船部分传回的正反转模式及电机的转速与无人船的转向、电量信号；
所述的无人船部分包括：
1）执行机构；所述的执行机构功能为推动所述的无人船提供动力及相应的转向控制功能。在所述的实例中，通过防水电机加螺旋桨的方式实现动力功能，通过差速电机控制实现转向功能；
2）传感器；所述的传感器的功能是一方面提供所述无人船的翻转模式信息；由于在波浪或者其他因素的影响下，所述的无人船会被打翻。最直接的影响是，所述执行机构中的差速电机控制方式的变化，为此，需要传感器提供翻转模式信息。在所述的实例中，一种方式是采用三轴加速度传感器，通过Z轴的正负来判别翻转模式；另一种方式中采用在存放蓄电池的上下部位各放置一个压力传感器，从而以开关信号的形式获得翻转模式。所述传感器的功能，另一方面为采集相应的电机转速大小、转向、电量信息，具体在实例中详述；
3）发射/接收部分，所述的发射/接收部分，其功能为通过无线电波与所述的遥控器部分进行通信，将所述无人船部分的采集信号----转速大小、转向、翻转模式、电量，发送给所述的遥控部分；然后接收所述的遥控部分下达的前进、后退、转向命令。所述的天线，为了防止无人船翻转造成天线不能使用，采用浮动天线。具体在实例中详述；
4）控制部分；所述的控制部分，包括采用单片机或者相应的数字逻辑电路实现的控制功能；所述的控制功能为通过所述的发射/接收部分接受到的所述的遥控部分发送的前进、后退、转向命令以及所述的传感部分采集到的翻转模式信息，动态的采用相应的差速控制方式，以保证命令执行的正确性；另一方面，所述的控制部分通过所述的传感器采集电机转速的大小、整个无人船的转向、翻转模式、电量通过所述的发射/接收部分发送给所述的遥控器部分；
5）供电部分；所述的供电部分实现给所述的执行机构、传感器、发射/接收部分、控制部分供电；在实例中，所述的供电部分采用能自充电的锂电池供电；所述的自充电指的是，一方面带外部充电接口；另一方面，可以直接利用绿色清洁能源给电池充电；所述的绿色清洁能源指的是利用太阳能电池板、风轮发电机；此外，所述的控制部分可以通过检测电池的状态，来控制是否继续通过所述的绿色清洁能源给电池充电；具体在实例详述；
所述的智能无人船，是按照如下的方式运行的：
当需要测量相应的水域时，操作人员手持遥控器及无人船部分（电量充足）；打开遥控器及无人船电源开关，并将无人船部分放入水中；无人船部分落水后，及时通过发射/接收的部分浮动天线将此时的转向、转速信息传给遥控器部分；遥控器部分将接受到的转向、转速大小信息显示到显示屏上。
操作人员根据屏幕显示的转向及转速信息，动态的调整遥控器上的全向摇杆。例如，如果此时无人船朝向西南方向，而落水者在东南方向，此时操作人员先将摇杆往左方摆动，然后缓缓往正前方转动。示意图如图4所示。
无人船收到遥控器的旋转信号后，根据翻转模式信息，采用相应的差速控制方式，控制器根据旋转信号的大小，控制两个推力电机的转速大小，从而实现无人船的转向。并将采集到的电机转速、电量信号上传到遥控器部分。
等到无人船大体朝向相应水域后，将摇杆全力往前方推；在这个过程中，无人船控制器接收到前进方向及大小信号，然后控制两个推力电机的转速方向及大小，实现无人船的前进。并将采集到的电机转速、电量信号上传到遥控器部分。
一旦到达落水者，等落水者握住无人船后，再重复前面所述的旋转及前进过程。如果途中遇到障碍物，可以先采取后退，然后再重复旋转及前进过程。
上述救援过程结束后，根据显示的电量信息，决定是否通过外部接口或者绿色能源进行充电。
附图说明
图1为本发明一种上下对称、抗倾覆无人船的外形图。
图2为本发明电子设备沿中轴面的摆放图。
图3为本发明遥控器、无人船部分硬件结构图。
图4为本发明遥控器操作示意图。
图5 实例硬件部分框图。
具体实施方式
实例中的硬件部分框图，如图5所示。在本实施例中，其中在无人船的硬件中，采用两块12Ah、48V锂电池；开关S、S1受单片机的控制，开关S实现太阳能电池板对锂电池进行充电；采用100W、12V太阳能电池板，分别安置在图1外形图的上下各一块；太阳能电池板经过12V转48V的DC-DC模块，采用恒压充电的方式给电池进行充电；两块太阳能电池板分别给两块锂电池进行充电；单片机通过电压、电流检测模块检测锂电池的电压及放电电流，当锂电池的电压低于放电阈值时，闭合开关S给锂电池充电，同时断开开关S1，停止给系统供电；当锂电池的电压高于充电阀值时，关断开关S，停止对锂电池进行充电；当锂电池的放电电流过大时，断开开关S1，停止给系统供电。锂电池通过48V转5V的DC-DC模块给单片机进行供电，实施例中采用Stm32F051单片机；锂电池通过48V转12V的DC-DC模块给电机驱动进行供电；电机驱动采用无刷电调，其最大工作电流30A；无刷电调驱动经过防水处理的无刷电机，无刷电机的额定电压为12V，最大电流为20A，其上安装水下螺旋桨，并在转轴处安上霍尔传感器，供单片机采集速度信号。三轴加速度传感器采用ADXL345数字式传感器，安装在太阳能电池固定的架子里面，并保持水平放置。发送/接受天线采用经过改装的天地飞接受、发送模块，可以实现远距离数据传输。
在遥控器的硬件中，采用一块6Ah、9V锂电池；开关S、S1受单片机的控制，开关S实现太阳能电池板对锂电池进行充电；采用20W、12V太阳能电池板一块，安置在遥控器的表面空余部分；太阳能电池板经过12V转9V的DC-DC模块稳压后，采用恒压充电的方式给电池进行充电；单片机通过电压、电流检测模块检测锂电池的电压及放电电流，当锂电池的电压低于放电阈值时，闭合开关S给锂电池充电，同时断开开关S1，停止给系统供电；当锂电池的电压高于充电阀值时，关断开关S，停止对锂电池进行充电；当锂电池的放电电流过大时，断开开关S1，停止给系统供电。锂电池通过12V转3.3V的DC-DC模块给单片机进行供电，实施例中采用Stm32F051单片机；锂电池通过12V转3.3V的DC-DC模块给液晶驱动进行供电；液晶屏采用TFT4.0屏。采用天地飞遥控器的摇杆，以及发送/接受天线采用天地飞遥控器，可以实现远距离数据传输。
Claims (7)
1.所述的一种上下对称、抗倾覆的无人船，其特征在于：整个船体是上下对称的，也就是说上下船体的结构沿着中轴线是对称的，其中有两个推进器放于尾部，用于实现船体的前进、转向、后退功能，整套电子设备沿着中轴面摆放；
所述的一种上下对称、抗倾覆的无人船系统包括遥控器及动力船体两大部分，所述的遥控器部分包括操作部分，显示部分，控制部分，发射/接收部分，供电部分；
所述的操作部分功能为给所述的控制部分提供速度大小及转向信号；
所述的显示部分，能够指示当前无人船的速度、转向、上下翻转模式、故障、电量信息；在实例中，所述的显示部分采用12864模块；
所述的控制部分，包括采用单片机或者相应的数字逻辑电路实现的控制功能；
所述的发射/接收部分，其功能为通过无线电波与所述的无人船部分进行通信，将所述遥控部分的命令信号----转速大小、转向，发送给所述的无人船部分，然后接收所述的无人船部分传回的正反转模式及电机的转速与无人船的转向、电量信号；
所述的供电部分实现给所述的控制部分、操作部分、显示部分、发射/接受部分供电。
2.所述的无人船部分包括执行机构、传感器、发射/接收部分、控制部分、供电部分；
所述的执行机构功能为推动所述的无人船提供动力及相应的转向控制功能；
所述的传感器的功能是一方面提供所述无人船的翻转模式信息；
所述传感器的功能，另一方面为采集相应的电机转速大小、转向、电量信息；
所述的发射/接收部分，其功能为通过无线电波与所述的遥控器部分进行通信，将所述无人船部分的采集信号----转速大小、转向、翻转模式、电量，发送给所述的遥控部分，然后接收所述的遥控部分下达的前进、后退、转向命令；
所述的天线，为了防止无人船翻转造成天线不能使用，采用浮动天线；
所述的控制部分，包括采用单片机或者相应的数字逻辑电路实现的控制功能；
所述的控制功能为通过所述的发射/接收部分接受到的所述的遥控部分发送的前进、后退、转向命令以及所述的传感部分采集到的翻转模式信息，动态的采用相应的差速控制方式，以保证命令执行的正确性；
所述的控制部分通过所述的传感器采集电机转速的大小、整个无人船的转向、翻转模式、电量通过所述的发射/接收部分发送给所述的遥控器部分。
3.根据权利要求1中所述的遥控器部分中的所述的操作部分，其特征在于通过滑动变阻器产生速度大小及转向的信号，通过摇杆的上下、左右摆动带动相应滑动变阻器滑片的运动来实现的。
4.根据权利要求1所述的遥控器部分，其特征在于整体功能为所述的控制部分通过采集所述的操作部分的电压信号，将其转化成相应的速度及转向信号，然后通过所述的发射部分传给所述的无人船部分；同时通过所述的接受部分接受所述的无人船部分传回的正反转模式及电机的转速与无人船的转向、电量信号。
5.根据权利要求1所述的控制部分，其特征在于另一方面读取所述操作部分的电压信号，然后根据控制算法转化成相应的速度及转向命令。
6.根据权利要求2中所述的无人船部分中所述的执行机构，其特征在于通过防水电机加螺旋桨的方式实现动力功能，通过差速电机控制实现转向功能。
7.在实例中，根据权利要求1、2所述的供电部分采用能自充电的锂电池供电；所述的自充电指的是，一方面带外部充电接口；
另一方面，可以直接利用绿色清洁能源给电池充电；
所述的绿色清洁能源指的是利用太阳能电池板、风轮发电机；
所述的控制部分可以通过检测电池的状态，来控制是否继续通过所述的绿色清洁能源给电池充电。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20171020 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |