CN107807607B - 无人艇无线遥控电力推进系统及其通讯方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无人艇无线遥控电力推进系统及其通讯方法，包括无线遥控控制系统和电力推进系统，无线遥控控制系统包含1套母船控制台、1套手持无线遥控器和2套无人艇控制箱；电力推进系统包含两套电力推进设备，电力推进系统由2套540V磷酸铁锂电池组供电；母船控制台或手持无线遥控器或手持无线遥控器通过母船控制台与2套无人艇控制箱进行控制通讯，2套无人艇控制箱分别控制一套电力推进设备。具有手动/自动切换无线控制数据的传输路径，近距离保证数据传输实时性，远距离保证数据传输可靠性，数传电台和WIFI互为备用保证数据传输安全性，采用电池的电力推进方式可以在危险品泄漏区域进行人员救助活动。
Description
技术领域
本发明涉及一种船舶电气自动化技术，特别涉及一种无人艇无线遥控电力推进系统及其通讯方法。
背景技术
随着船舶及海洋工程的大力发展，人们在海洋中的运输、生产、科考活动越来频繁，伴随着海上安全事故的发生也越来越多。在危险品泄漏区域、相对水浅的水域和大风浪环境下，运用无线遥控无人艇救援的方式被大家所认可。
现有的无人船无线遥控电力推进设计方案主要有以下特点：
1、一般近距离控制需求下，直接采用手持式无线遥控控制器控制，多数采用低频的433MHz的数传电台，控制距离一般为100～200米。无法满足远距离传输要求。
2、一般远距离控制需求下，海上采用800MHz的数传电台或者卫星通讯的方法，控制距离为0.5～50公里；数传电台信号传输有一定的延时，卫星通讯费用较高。
3、一般远距离控制需求下，内河上采用移动通讯公司4G信号的方法；稳定性有待验证，而且不适用于海上应用环境。
发明内容
本发明是针对现在无线遥控无人艇救援存在的问题，提出了一种无人艇无线遥控电力推进系统及其通讯方法,具有手动/自动切换无线控制数据的传输路径，近距离保证数据传输实时性，远距离保证数据传输可靠性，数传电台和WIFI 互为备用保证数据传输安全性，采用电池的电力推进方式可以在危险品泄漏区域进行人员救助活动。
本发明的技术方案为：一种无人艇无线遥控电力推进系统，包括无线遥控控制系统和电力推进系统，无线遥控控制系统包含1套母船控制台、1套手持无线遥控器和2套无人艇控制箱；电力推进系统包含两套电力推进设备，每套设备包括推进变频器、推进电机、转舵伺服控制器和转舵伺服电机，电力推进系统由2套540V磷酸铁锂电池组供电；母船控制台或手持无线遥控器或手持无线遥控器通过母船控制台与2套无人艇控制箱进行控制通讯，2套无人艇控制箱分别控制一套电力推进设备。
所述母船控制台内配置可编程逻辑控制器、800MHz数传电台、工业WIFI交换机、控制面板、24V开关电源和工控机；可编程逻辑控制器通过800MHz数传电台与电力推进系统800MHz数传电台进行通讯，可编程逻辑控制器通过工业 WIFI交换机与无线遥控器、电力推进系统进行WIFI通讯。
所述手持无线遥控器配置有触摸屏和2套控制手柄，手持无线遥控器采用 12伏可更换电池，手持无线遥控器内置2.4GWIFI模块，手持无线遥控器通过 WIFI模块与母船控制台、电力推进系统进行WIFI通讯。
所述无人艇内的每个无人艇控制箱都有可编程逻辑控制器、800MHz数传电台、工业WIFI交换机和24V开关电源，通过800MHz数传电台与母船控制台进行通讯，通过工业WIFI交换机与无线遥控器、母船控制台进行WIFI通讯。
所述通讯由三级发射功率和两种传输协议的实现：手持无线遥控器内置工业WIFI模块和天线发射功率最小，工业WIFI交换机和天线发射功率处于中间档，数传电台和天线发射功率最高；WIFI传输数据采用以太网ModbusTcp协议传输；数传电台传输数据采用串口ModbusRtu协议传输。
所述无人艇无线遥控电力推进系统的通讯方法，无人艇上设置有GPS模块，母船控制台上设置有GPS模块，通过母船控制台可编程逻辑控制器和无人艇控制箱内可编程逻辑控制器计算出无人艇和母船之间的距离；控制数据从手持无线遥控器或者母船控制台可编程逻辑控制器发至无人艇上时均带有各设备时间戳、信号强度和距离信息；
所述无线遥控控制系统，无线数据传输的路径通过母船控制台或者手持无线遥控器进行自动选择；
当控制权限在母船控制台时，选择母船控制台上的“自动”模式按钮选择为自动无线数据传输选择模式，根据各设备的时间戳、信号强度和距离自动选择无线数据传输路径，该母船控制台自动选择路径的判据是：
1)500米内，采用“WIFI”模式路径；
2)500米～1000米，按信号强度择优选取“WIFI”模式路径或“数传电台”模式路径；
3)1000米以外，采用“数传电台”模式路径；
当控制权限在手持无线遥控器时，选择手持无线遥控器上的“自动”模式按钮选择为自动无线数据传输选择模式，根据各设备的时间戳、信号强度和距离自动选择无线数据传输路径，该手持无线遥控器自动选择路径的判据是：
1)100米内，采用“WIFI直连”模式路径，即手持无线遥控器与电力推进系统直接WIFI通讯；
2)100米～200米，按信号强度择优选取“WIFI直连”模式路径或“WIFI间接”模式路径，所述“WIFI间接”模式路径指手持无线遥控器与母船控制台进行WIFI 通讯，母船控制台再通过工业WIFI交换机与电力推进系统直接WIFI通讯；
3)200米～500米，采用“WIFI间接”模式路径；
4)500米～1000米，按信号强度择优选取“WIFI间接”模式路径或“数传电台”模式路径；
5)1000米以外，采用“数传电台”模式路径。
本发明的有益效果在于：本发明无人艇无线遥控电力推进系统及其通讯方法,在无人艇靠近母船(约500米以内)采用WIFI通信形式可以有效减少控制数据延时特性，提高了操作的实时性；在远距离自助航行搜救时(约超过500～1000 米以外)可以自动切换为800MHz数传电台，可以保证数据远距离传输的可靠性；而且两种通讯方式互为备用；母船控制台上的工业一体机可以记录所有系统中的运行和报警数据；采用电池的电力推进方式可以在危险品泄漏区域进行人员救助活动。
附图说明
图1为本发明无人艇无线遥控控制系统图；
图2为本发明无人艇电力推进系统图。
具体实施方式
无人艇无线遥控电力推进系统包括无线遥控控制系统和电力推进系统。
如图1无人艇无线遥控控制系统图，无线遥控控制系统包含1套母船控制台、1套手持无线遥控器和2套无人艇控制箱。
母船控制台内配置可编程逻辑控制器、800MHz数传电台、工业WIFI交换机、控制面板、24V开关电源和工控机。可编程逻辑控制器中除了主控模块，还带有数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块及通讯模块，其中数字量输入模块主要采集控制面板上的按钮的状态、紧停和电源故障信号，数字量输出模块主要用于控制控制面板上的指示灯，模拟量输入模块主要用于接受控制手柄的输入信号，模拟量输出模块主要用于显示仪表的输出指示，通讯模块用于和数传电台的RS485通讯。控制面板上设置有两个具有推进和全回转功能的控制手柄，用于表示模式、故障和状态的指示灯，用于系统启动停止、模式切换、故障复位、手柄零位矫正的按钮，用于系统急停的紧停按钮。工控机上安装有工业组态软件，可以记录无人救助艇的所有运行和报警数据，图形界面让船员对系统的运行状态有直观的了解，故障历史界面让船员在进行排除故障时有依据可寻。
手持无线遥控器配置有触摸屏和2套控制手柄。触摸屏显示回转给定、回转反馈、推进给定、推进反馈、左舷和右舷电池组电量值，按钮指示灯功能通过触摸屏软件实现。手持无线遥控器采用12伏可更换电池，当电量低的时候可以更换使用。手持无线遥控器内置2.4GWIFI模块。
无人艇内的每个无人艇控制箱都有可编程逻辑控制器、800MHz数传电台、工业WIFI交换机和24V开关电源。可编程逻辑控制器中的数字量输入模块采集无人艇内液位、电机绕组温度高PTC、伺服控制器运行和故障、全回转舵桨滑油温度高信号，数字量输出模块主要用于伺服电机刹车释放、冷却水泵和风机启停、推进电机风机启停、伺服控制器启停的控制，模拟量输入模块主要用于无人艇内温度的监控，模拟量输出模块主要用于伺服控制器转速给定，通讯模块用于和数传电台、推进变频器、转舵伺服控制器和电池管理系统的RS485通讯。
如图2为无人艇电力推进系统图，电力推进系统包含2套推进变频器、2台推进电机，2套转舵伺服控制器和2套转舵伺服电机，该系统由2套540V磷酸铁锂电池组供电。540V磷酸铁锂电池组容量为100Ah,可以满足全速航行4个小时的需求。变频器将电池的直流电变成3相交流电给推进电机供电，全速航行时电机的参数为360V、80Hz、10kW。转舵伺服控制器控制转舵伺服电机带动全回转舵桨回转，可以满足2RPM的转速要求，回转的精度为1度。
无线遥控系统三级发射功率和两种传输协议的实现：手持无线遥控器内置工业WIFI模块和天线所有发射功率最小，该模块发射功率8dBm，该模块连接天线的增益为4dBi；工业WIFI交换机和天线发射功率处于中间档,WIFI交换机发射功率均为10dBm,母船控制台WIFI交换机外接天线(1米高)的增益为10dBi，无人艇控制箱内WIFI交换机外接天线(0.2米高)的增益为5dBi；数传电台和天线发射功率最高，母船控制台和无人艇控制箱内的数传电台发射功率为 37dBm，母船控制台数传电台的外接天线(1.8米高)增益为10dBi，无人艇控制箱内数传电台的外接天线(0.2米高)增益为3dBi。WIFI传输数据采用以太网ModbusTcp协议，延时小(百毫秒级)，其通讯速率为11Mbps。数传电台传输数据采用串口ModbusRtu协议延时较大(秒级),其通讯速率为9.6Kbps。
所述无人艇无线遥控电力推进系统的无线数据传输路径可以通过母船控制台或者手持无线遥控器进行手动选择；当控制位置位于母船控制台时：
1)通过母船控制台上的“数传电台”按钮选择为无线数据传输路径为：母船控制台控制数据-->母船控制台可编程逻辑控制器-->母船控制台内800MHz 数传电台-->无人艇控制箱内800MHz数传电台-->无人艇控制箱内可编程逻辑控制器；
2)通过母船控制台上的“WIFI”按钮选择为无线数据传输路径为：母船控制台控制数据-->母船控制台可编程逻辑控制器-->母船控制台内工业WIFI交换机-->无人艇控制箱内工业WIFI交换机-->无人艇控制箱内可编程逻辑控制器；
当控制位置位于手持无线遥控器时：
1)通过手持无线遥控器上的“数传电台”模式按钮选择为无线数据传输路径为：手持无线遥控器控制数据-->手持无线遥控器内置工业WIFI模块-->母船控制台工业WIFI交换机-->母船控制台800MHz数传电台-->无人艇控制箱内 800MHz数传电台-->无人艇控制箱内编程频逻辑控制器；
2)通过手持无线遥控器上的“WIFI直连”模式按钮选择为无线数据传输路径为：手持无线遥控器控制数据通-->手持无线遥控器内置工业WIFI模块-->无人艇控制箱内工业WIFI交换机-->无人艇控制箱内可编程逻辑控制器；
3)通过手持无线遥控器上的“WIFI间接”模式按钮选择为无线数据传输路径为：手持无线遥控器控制数据通-->手持无线遥控器内置工业WIFI模块-->母船控制台工业WIFI交换机-->母船控制台可编程逻辑控制器-->母船控制台工业WIFI交换机-->无人艇控制箱内工业WIFI交换机-->无人艇控制箱内可编程逻辑控制器。
所述无线遥控控制系统，手持无线遥控器、母船控制台可编程逻辑控制器和无人艇控制箱内可编程逻辑控制器具有时间同步功能；手持无线遥控器采集其内置工业WIFI模块的发射和接收信号强度，母船控制台可编程逻辑控制器采集母船控制台800MHz数传电台和母船控制台工业WIFI交换机的发射和接收信号强度，无人艇控制箱内可编程逻辑控制器采集无人艇控制箱内工业WIFI交换机和无人艇控制箱内800MHz数传电台的发射和接收信号强度；无人艇上设置有GPS模块，母船救助船上设置有GPS模块，通过母船控制台可编程逻辑控制器和无人艇控制箱内可编程逻辑控制器计算出无人艇和母船之间的距离；控制数据从手持无线遥控器或者母船控制台可编程逻辑控制器发至无人艇上时均带有各设备时间戳、信号强度和距离信息；
所述无线遥控控制系统，无线数据传输的路径可以通过母船控制台或者手持无线遥控器进行自动选择；当控制权限在母船控制台时，选择母船控制台上的“自动”模式按钮选择为自动无线数据传输选择模式，根据各设备的时间戳 (延时特性)、信号强度和距离自动选择无线数据传输路径。该自动选择路径的判据是：
1)500米内，采用“WIFI”模式路径；
2)500米～1000米，按信号强度择优选取“WIFI”模式路径或“数传电台”模式路径；
3)1000米以外，采用“数传电台”模式路径；
当控制权限在手持无线遥控器时，选择手持无线遥控器上的“自动”模式按钮选择为自动无线数据传输选择模式，根据各设备的时间戳(延时特性)、信号强度和距离自动选择无线数据传输路径。该自动选择路径的判据是：
1)100米内，采用“WIFI直连”模式路径；
2)100米～200米，按信号强度择优选取“WIFI直连”模式路径或“WIFI间接”模式路径；
3)200米～500米，采用“WIFI间接”模式路径；
4)500米～1000米，按信号强度择优选取“WIFI间接”模式路径或“数传电台”模式路径；
5)1000米以外，采用“数传电台”模式路径；
亦可根据现场实际运行情况通过工业一体机修改上述参数。
Claims (3)
1.一种无人艇无线遥控电力推进系统的通讯方法，建立无人艇无线遥控电力推进系统，系统包括无线遥控控制系统和电力推进系统，无线遥控控制系统包含1套母船控制台、1套手持无线遥控器和2套无人艇控制箱；电力推进系统包含两套电力推进设备，每套设备包括推进变频器、推进电机、转舵伺服控制器和转舵伺服电机，电力推进系统由2套540V磷酸铁锂电池组供电；母船控制台或手持无线遥控器或手持无线遥控器通过母船控制台与2套无人艇控制箱进行控制通讯，2套无人艇控制箱分别控制一套电力推进设备；
所述母船控制台内配置可编程逻辑控制器、800MHz数传电台、工业WIFI交换机、控制面板、24V开关电源和工控机；可编程逻辑控制器通过800MHz数传电台与电力推进系统800MHz数传电台进行通讯，可编程逻辑控制器通过工业WIFI交换机与无线遥控器、电力推进系统进行WIFI通讯；
所述通讯由三级发射功率和两种传输协议的实现：手持无线遥控器内置工业WIFI模块和天线发射功率最小，工业WIFI交换机和天线发射功率处于中间档，数传电台和天线发射功率最高；WIFI传输数据采用以太网ModbusTcp协议传输；数传电台传输数据采用串口ModbusRtu协议传输；其特征在于，
无人艇上设置有GPS模块，母船控制台上设置有GPS模块，通过母船控制台可编程逻辑控制器和无人艇控制箱内可编程逻辑控制器计算出无人艇和母船之间的距离；控制数据从手持无线遥控器或者母船控制台可编程逻辑控制器发至无人艇上时均带有各设备时间戳、信号强度和距离信息；
所述无线遥控控制系统，无线数据传输的路径通过母船控制台或者手持无线遥控器进行自动选择；
当控制权限在母船控制台时，选择母船控制台上的“自动”模式按钮选择为自动无线数据传输选择模式，根据各设备的时间戳、信号强度和距离自动选择无线数据传输路径，该母船控制台自动选择路径的判据是：
1)500米内，采用“WIFI”模式路径；
2)500米～1000米，按信号强度择优选取“WIFI”模式路径或“数传电台”模式路径；
3)1000米以外，采用“数传电台”模式路径；
当控制权限在手持无线遥控器时，选择手持无线遥控器上的“自动”模式按钮选择为自动无线数据传输选择模式，根据各设备的时间戳、信号强度和距离自动选择无线数据传输路径，该手持无线遥控器自动选择路径的判据是：
1)100米内，采用“WIFI直连”模式路径，即手持无线遥控器与电力推进系统直接WIFI通讯；
2)100米～200米，按信号强度择优选取“WIFI直连”模式路径或“WIFI间接”模式路径，所述“WIFI间接”模式路径指手持无线遥控器与母船控制台进行WIFI通讯，母船控制台再通过工业WIFI交换机与电力推进系统直接WIFI通讯；
3)200米～500米，采用“WIFI间接”模式路径；
4)500米～1000米，按信号强度择优选取“WIFI间接”模式路径或“数传电台”模式路径；
5)1000米以外，采用“数传电台”模式路径。
2.根据权利要求1所述无人艇无线遥控电力推进系统的通讯方法，其特征在于，所述手持无线遥控器配置有触摸屏和2套控制手柄，手持无线遥控器采用12伏可更换电池，手持无线遥控器内置2.4GWIFI模块，手持无线遥控器通过WIFI模块与母船控制台、电力推进系统进行WIFI通讯。
3.根据权利要求1所述无人艇无线遥控电力推进系统的通讯方法，其特征在于，所述无人艇内的每个无人艇控制箱都有可编程逻辑控制器、800MHz数传电台、工业WIFI交换机和24V开关电源，通过800MHz数传电台与母船控制台进行通讯，通过工业WIFI交换机与无线遥控器、母船控制台进行WIFI通讯。
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