CN107323613B - 一种无人船中探测设备的减摇装置和无人船 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人船中探测设备的减摇装置和无人船，该减摇装置包括：适于固定探测设备的安装支架，所述安装支架与支撑连接架可转动连接，所述支撑连接架固定于船身上；固定于所述安装支架或船身上的至少一个倾角检测机构，适于检测所述安装支架或船体的摇动角度；控制系统，适于接收所述倾角检测机构反馈过来的所述摇动角度，并根据所述摇动角度对动力装置进行控制；以及固定于所述支撑连接架上的至少一个动力装置，适于在所述控制系统的控制下对所述安装支架的摇动角度进行反向调整，使得所述探测设备保持平稳。

Description

一种无人船中探测设备的减摇装置和无人船

技术领域

本发明涉及船只技术领域，尤其涉及一种无人船中探测设备的减摇装置和无人船。

背景技术

无人船是一种水面自主机器人，其体量小、吃水浅、机动灵活，作为大型调查船向不易抵达的浅水区的功能延伸，目前无人船在极浅水区域的海洋调查工作得到广泛应用。然而由于无人船体量小，在海洋动力环境中，尤其是波陡较大、周期较长的波浪作用下，其横摇、纵摇、艏摇、升沉幅值较大，影响声学、光学探测设备数据质量，甚至导致数据无法使用，因此需要对探测设备进行减摇处理。

目前无人船搭载声学探测设备减摇，主要依靠在船体设计中加入导流板、减摇鳍等被动减摇措施，但由于无人船体量小，随波运动过程中，船体不同位置排水变化产生的摇动力矩相对于较小的船体重量而言往往能够引起船身的剧烈晃动，尤其在深水波作用下，当波长达到船体水线2倍左右时，纵摇幅值极大，因此效果不佳。

为此，需要提出一种更有效的无人船探测设备的减摇方案。

发明内容

本发明提供一种新的无人船中探测设备的减摇装置，以力图解决或至少缓解上面存在的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种无人船中探测设备的减摇装置，该包括：适于固定探测设备的安装支架，该安装支架与支撑连接架可转动连接，该支撑连接架固定于船身上；固定于安装支架或船身上的至少一个倾角检测机构，适于检测安装支架或船体的摇动角度；控制系统，适于接收倾角检测机构反馈过来的摇动角度，并根据摇动角度对动力装置进行控制；以及固定于支撑连接架上的至少一个动力装置，适于在控制系统的控制下对安装支架的摇动角度进行反向调整，使得探测设备保持平稳。

可选地，在根据本发明的减摇装置中，倾角检测机构固定于安装支架上；述控制系统适于当安装支架的摇动角度大于预定阈值时，控制动力装置将安装支架的摇动角度反向调整为小于等于预定阈值。

可选地，在根据本发明的减摇装置中，预定阈值为α/2，其中α是控制系统根据实际水深、任务载荷激发率计算出的符合相应测图要求的摇动幅值。

可选地，在根据本发明的减摇装置中，摇动角度为纵摇角度，摇动幅值为纵摇幅值。

可选地，在根据本发明的减摇装置中，倾角检测机构固定于船身上；控制系统适于根据一段时间内船体的摇动角度数据，预测船体在下一时刻的摇动角度，并根据预测到的下一时刻的摇动角度对动力装置进行控制。

可选地，在根据本发明的减摇装置中，控制系统采用回归模型进行所述预测。

可选地，在根据本发明的减摇装置中，安装支架包括第一安装支架和第二安装支架，第一安装支架适于固定倾角检测机构，第二安装支架适于固定探测设备，且第一安装支架与第二安装支架刚性连接。

可选地，在根据本发明的减摇装置中，动力装置为电动杆、气动杆、液压杆、滚珠丝杠或齿轮齿条；倾角检测机构为姿态仪、倾角仪或运动传感器；探测设备为多波束探测仪、声速剖面仪、多普勒流速剖面仪、磁测仪和惯性导航仪中的至少一种。

可选地，在根据本发明的减摇装置中，动力装置为伺服机构。

根据本发明又一个方面，提供一种无人船，包括如上所述的减摇装置。

根据本发明的技术方案，在无人船探测设备的安装支架上加入动力装置和倾角检测机构，倾角检测机构能够实时测得安装支架的摇动角度，并经该摇动角度反馈给控制系统，随后由控制系统控制动力装置对摇动角度进行反向调整。另外，倾角检测机构也可以安装在船身上，从而能够实时监测船身的摇动角度，这样控制系统就能根据一段时间内的船体摇动角度预测到下一时刻的船体摇动角度，从而控制动力装置进行摇动角度的反向调整。本发明通过动力装置对摇动角度数据做出反向响应，使探测设备姿态得到一定程度的补偿，从而有效改善探测设备发射、接收单元的稳定性，削弱无人船平台运动状态对探测数据的不良影响，提高数据检测质量。

附图说明

为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。

图1示出了根据本发明一些实施例的无人船100的立体示意图；

图2示出了图1中无人船100的俯视图；

图3示出了图1中无人船100的侧视图；

图4示出了图1中无人船100的前视图；

图5示出了根据本发明一个实施例的无人船100的减摇方式示意图；

图6示出了根据本发明另一个实施例的无人船100的减摇方式示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据本发明一些实施例的无人船100的立体示意图。图2示出了图1中无人船100的俯视图。图3示出了图1中无人船100的侧视图。图4示出了图1中无人船100的前视图。

如图1-图4中所示，无人船100上装配有探测设备150，探测设备150主要用于探测信号的收发，其可以是多波束探测仪、声速剖面仪、多普勒流速剖面仪、磁测仪和惯性导航仪中的至少一种，但不限于此。探测设备150在无人船100的航行中需要尽量保持平稳状态，以保证探测设备150收发单元的稳定性，进而保证探测数据的真实有效。

为此，本发明在无人船100中设置了一种减摇装置，该减摇装置包括安装支架110、至少一个倾角检测机构120和至少一个动力装置130，以及控制系统(图中未示出)。

安装支架110适于固定探测设备150，其与固定于船身上的支撑连接架140可转动连接。这里，安装支架110不特指某种材料和结构方式，其进一步地可以包括第一安装支架111和第二安装支架112，其中第一安装支架111即倾角检测机构安装支架，适于固定倾角检测机构120；第二安装支架112即探测设备安装支架，适于固定探测设备150，且第一安装支架111与第二安装支架112之间刚性连接。

倾角检测机构120固定于安装支架110上，适于检测安装支架110的摇动角度，并将检测到的摇动角度反馈给控制系统。其中，摇动角度可以是纵摇角度。倾角检测机构120不特指某种原理，根据一个实施例，其可以为姿态仪、倾角仪或运动传感器，当然不限于此，只要能够实现摇动角度的检测即可。其中，姿态仪可以认为是能够量测运动平台单向或多向运动角度的幅值、速度、加速度的传感器或传感器组合。

控制系统适于接收倾角检测机构120反馈过来的摇动角度，并根据该摇动角度对动力装置130进行控制。控制系统不特指某种架构、操作系统或语言，其可以是物理独立的嵌入式设备，也可以集成在无人船100的主控系统中，本发明对此不做限制。

动力装置130固定于支撑连接架上140，适于在控制系统的控制下对安装支架110的摇动角度进行反向调整，使得探测设备150保持平稳状态。动力装置130不特指某种动力原理，根据一个实施例，其可以为电动杆、气动杆、液压杆、滚珠丝杠或齿轮齿条，具体地可以采用伺服机构，如伺服电动杆。

根据本发明的一个实施例，减摇装置还可以包括支撑连接架140，可以起到固定、支撑和连接作用，比如可以固定动力装置130，并进一步支撑第一安装支架111和倾角检测机构120，还可以起到连接两个船单体的作用。这里，支撑连接架140可以为图1-图4中的多支撑臂结构，其中每个支撑臂都固定于船身上，当然也可以被配置为其他多种结构，本发明对此不做限制。另外，根据本发明的无人船并不限于图1-图4中所示的双体船，也可以是三体船或单体船等。取决于船只的具体结构设计，根据本发明的减摇装置可以被设置在船只的适当位置，如船只的月池开口处，本发明对此不作具体限制。

根据一种实现方式，减摇装置可以设置两个倾角检测机构120和两个动力装置130，当然也可以根据需要设置为其他数目，本发明对此不作限制。如图1-图4中所示，两个倾角检测机构120分别固定于第一安装支架111的两端，第二安装支架112的一端与第一安装支架111的中点处竖直刚性连接，探测设备150固定在第二安装支架112的另一端。两个动力装置130分别固定在支撑连接架140上，其上支撑着第一安装支架111，可以对第一安装支架111进行姿态调节。进一步地，两个倾角检测机构120可以相对于第一安装支架111的中点对称，两个动力装置130可以相对于支撑连接架140中心处的竖直中轴线对称，这样方便对摇动角度的检测和调节。当然也可以采用其他适当的位置设置方式，只要能够对支架的摇动角度进行检测和调节即可，本发明对此不作限制。

根据本发明的一个实施例，控制系统适于当安装支架110的摇动角度θ大于预定阈值时，控制动力装置130将安装支架110的摇动角度反向调整为小于等于该预定阈值。这里，当摇动角度θ小于预定阈值时，可认为此时的探测设备150还比较平稳，因此动力装置130不做出响应。其中，预定阈值可以为α/2，α是控制系统根据实际水深、任务载荷激发率计算出的符合相应测图要求的摇动幅值。另外，如果前者的摇动角度采用纵摇角度，则此处的摇动幅值为纵摇幅值。下表示出了根据本发明一个实施例的某多波束条带测深系统按照1:2000测图脚印分布要求计算得到的纵摇幅值对照。

图5和图6分别示出了根据本发明一个实施例的无人船100的减摇方式示意图，其中，图5中的无人船100船头向下倾斜，船尾向上倾斜；图6中的无人船100船头向上倾斜，船尾向下倾斜。此时两个动力装置130分别针对两种情况执行相应地反向调整操作，保证第一安装支架111处于平稳状态，从而进一步保证第二安装支架112和探测设备150也处于平稳状态。

根据本发明的又一个实施例，倾角检测机构120还可以直接固定在船身上，从而能够直接地实时检测船体的摇动角度。控制系统适于根据一段时间内船体的摇动角度数据，预测船体在下一时刻的摇动角度，并根据预测到的下一时刻的摇动角度对动力装置130进行控制。这里，安装支架110、动力装置130、支撑连接架140和探测设备150还可以按照图1-图6中所示方式进行设置，当然也可以根据需要进行其他方式的适当设置，本发明对此不作限制。

具体地，倾角检测机构120将检测的不同时刻下的船体摇动角度反馈给控制系统，这样控制系统中就存储有一段时间内的摇动角度数据，如当前时刻之前的预定时段内的摇动角度数据。根据一个实施例，控制系统可以根据回归模型进行上述船体摇动角度的预测。具体地，控制系统根据统计模型推导简化得出回归方程X_n＝f(X_n-1,X_n-2,X_n-3,X_n-4,……)，其中，X_n代表下一时刻的船体摇动角度值，X_n-1,X_n-2,X_n-3,X_n-4,……分别代表当前时刻之前的多个时刻的摇动角度值，f代表相应函数。这里的回归方程可以为线性回归、非线性回归等现有常见的回归方程，本发明对此不作限制。之后就可以根据该预测出下一时刻的船体摇动角度值，从而提前控制动力装置130做出响应，减小船体运动对安装支架110及探测设备150的影响。此外，还可以通过卡尔曼滤波预测出下一时刻的船体摇动角度值，其中卡尔曼滤波是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。当然也可以采用其他常规滤波方式，本发明对此不作限制。

根据本发明的技术方案，通过在无人船100上设置安装支架110、倾角检测机构120、动力装置130和控制系统，可实时地对探测设备安装支架的摇动角度进行反向调整；也可以对船体的摇下一时刻摇动角度进行预测，从而提前做出响应。本发明能够有效削弱大浪引起的船体晃动对探测设备150探测数据的影响，提升小型船高海况作业能力。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种无人船中探测设备的减摇装置，包括：

适于固定探测设备的安装支架，所述安装支架与支撑连接架可转动连接，所述支撑连接架固定于船身上；

固定于所述安装支架或船身上的至少一个倾角检测机构，适于检测所述安装支架或船体的摇动角度；

控制系统，适于接收所述倾角检测机构反馈过来的所述摇动角度，并根据所述摇动角度对动力装置进行控制；以及

固定于所述支撑连接架上的至少一个动力装置，适于在所述控制系统的控制下对所述安装支架的摇动角度进行反向调整，使得所述探测设备保持平稳。

2.如权利要求1所述的减摇装置，其中，所述倾角检测机构固定于所述安装支架上；

所述控制系统适于当所述安装支架的摇动角度大于预定阈值时，控制所述动力装置将所述安装支架的摇动角度反向调整为小于等于所述预定阈值。

3.如权利要求2所述的减摇装置，其中，

所述预定阈值为α/2，其中α是所述控制系统根据实际水深、任务载荷激发率计算出的符合相应测图要求的摇动幅值。

4.如权利要求1-3中任一项所述的减摇装置，其中，所述摇动角度为纵摇角度，摇动幅值为纵摇幅值。

5.如权利要求1所述的减摇装置，其中，所述倾角检测机构固定于船身上；

所述控制系统适于根据一段时间内船体的摇动角度数据，预测船体在下一时刻的摇动角度，并根据预测到的下一时刻的摇动角度对动力装置进行控制。

6.如权利要求5所述的减摇装置，其中，所述控制系统采用回归模型进行所述预测。

7.如权利要求1所述的减摇装置，其中，所述安装支架包括第一安装支架和第二安装支架，所述第一安装支架适于固定所述倾角检测机构，所述第二安装支架适于固定所述探测设备，且所述第一安装支架与所述第二安装支架刚性连接。

8.如权利要求1所述的减摇装置，其中，

所述动力装置为电动杆、气动杆、液压杆、滚珠丝杠或齿轮齿条；

所述倾角检测机构为姿态仪、倾角仪或运动传感器；

所述探测设备为多波束探测仪、声速剖面仪、多普勒流速剖面仪、磁测仪和惯性导航仪中的至少一种。

9.如权利要求1所述的减摇装置，其中，所述动力装置为伺服机构。

10.一种无人船，包括如权利要求1-9中任一项所述的减摇装置。