CN109263814B - 一种水面多功能自主巡航船系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种水面多功能自主巡航船系统，包括岸上控制系统、船体、动力系统、传感器系统和水上控制系统；岸上控制系统包括中央控制器、显示系统和岸上无线收发机；动力系统分为空气动力推进系统和水动力推进系统；传感器系统能够检测船体位置、姿态，船体周围环境信息；水上控制系统包括水上控制器和水上无线收发机；水上控制器通过水上无线收发机接收岸上无线收发机发送的控制指令，并转化为驱动指令控制相关船上部件；水上控制系统将检测的船体位置、姿态，船体周围环境信息，以及动力系统的工作状态发送给岸上控制系统。本发明实现远程无线遥控和自主航行，采用水动力推进和空气动力推进两种方式组合实现对克服复杂水下环境对自主航行的影响。

Description

一种水面多功能自主巡航船系统
技术领域
本发明涉及水面航行器技术领域，具体为一种水面多功能自主巡航船系统。
背景技术
根据调查分析，在中国的近海、景区、公园等类似区域需要大量的人力物力对水域的情况进行监管维护，以及对突发事件及时处理。监管维护工作包括对水面垃圾清理、实时了解水面情况等，突发事件包括人员意外落水救生等。
目前这些工作主要是靠有人船舶来完成，工作人员通过人力来处理上述情况，费时费力，而且效率低，可靠性不高，尤其是在一些危险或受污染环境下，工作人员自身的安全难以得到保障。而且现有的设备往往功能单一，如垃圾清理船只能实现垃圾清理，对于一些城市公园中的小水体而言，体积大、造价昂贵、适用领域窄、作业时污染环境。
在现有产品方面，专利CN103195035A中提出的产品，可以进行水面监测，但无法自主航行。专利CN105544485A中提出的自主巡航船，虽然解决了前述一款产品的无法自主移动的问题，但是并没有采用螺旋桨与空气推进的混合动力，螺旋桨容易被垃圾堵住，安全性较差。
发明内容
未解决现有技术存在的问题，本发明提出一种水面多功能自主巡航船系统，采用上位机和下位机的设置实现远程无线遥控和自主航行，采用水动力推进和空气动力推进两种方式组合实现对克服复杂水下环境对自主航行的影响。
本发明的技术方案为：
所述一种水面多功能自主巡航船系统，其特征在于：包括岸上控制系统、船体、动力系统、传感器系统和水上控制系统；
所述岸上控制系统包括中央控制器、显示系统和岸上无线收发机；中央控制器能够接受用户的控制指令，并通过岸上无线收发机发送给水上控制系统；所述中央控制器能够通过岸上无线收发机接收水上控制系统发送的船上信息，并在显示系统中显示；
所述动力系统、传感器系统和水上控制系统均安装在船体上；所述动力系统分为空气动力推进系统和水动力推进系统；所述传感器系统能够检测船体位置、姿态，船体周围环境信息；所述水上控制系统包括水上控制器和水上无线收发机；水上控制器通过水上无线收发机接收岸上无线收发机发送的控制指令，并转化为驱动指令控制相关船上部件；水上控制器还能通过水上无线收发机将传感器系统检测的船体位置、姿态，船体周围环境信息，以及动力系统的工作状态发送给岸上无线收发机；
所述空气动力推进系统布置在船体两侧上方，通过调节船体两侧空气动力推进系统的不同推力，提供船体的偏航力矩，能够快速改变船体航向；所述空气动力推进系统和水动力推进系统能够独立完成船体航行的任务，也能够共同完成船体航行的任务；
所述船体两侧布置有任务模块接口，能够根据不同的任务要求安装相应的任务完成设备。
进一步的优选方案，所述一种水面多功能自主巡航船系统，其特征在于：所述传感器系统包括卫星定位系统、超声波测距模块、姿态测量系统、摄像头和微动开关；所述卫星定位系统能够获取船体位置信息，所述姿态测量系统能够获取船体姿态角，所述超声波测距模块能够获取船体与周围障碍物的距离，所述摄像头获取船体周围环境图像，所述微动开关检测船体是否与周围障碍物发生碰撞。
进一步的优选方案，所述一种水面多功能自主巡航船系统，其特征在于：所述空气动力推进系统由两组空气推进风扇组成，空气推进风扇通过机械臂与船体连接；所述机械臂与船体之间转动连接，能够根据水域环境，调节机械臂的展开宽度。
进一步的优选方案，所述一种水面多功能自主巡航船系统，其特征在于：所述水上控制器实时检测水动力推进系统的工作状态，当判断水动力推进系统被水下物体缠住时，能够控制水动力推进系统停止工作，通过空气动力推进系统进行工作。
进一步的优选方案，所述一种水面多功能自主巡航船系统，其特征在于：所述水上控制器内具有自主航行控制模块，能够根据接收到的航行路径，以及实时采集的船体位置信息、姿态信息，控制船体按照设定的航行路径行进；并实时采集船体与周围障碍物的距离，当船体与周围障碍物的距离小于第一设定值时，通过空气动力推进系统和水上控制器共同或空气动力推进系统单独改变航行路径避障，当船体与周围障碍物的距离小于第二设定值时，控制船体停止行进，并向岸上控制系统发出警报信号；所述第一设定值小于第二设定值。
进一步的优选方案，所述一种水面多功能自主巡航船系统，其特征在于：所述中央控制器中包括MCU单片机和外置计算机，MCU单片机具有USART串口接口、IIC接口和SPI接口；中央控制器通过SPI接口连接岸上无线收发机，通过IIC接口连接MPU9250传感器和显示系统，通过USB转USART串口接口连接中央控制器的外置计算机；所述显示系统采用OLED液晶模块；所述岸上无线收发机采用NRF24L01P无线模块；
MCU单片机通过NRF无线模块接收水上控制系统发送来的表示船体位置信息和姿态信息的32字节二进制数据，解码翻译成10进制字符串后，通过IIC接口发送给OLED液晶模块进行船姿显示，并通过USART串口发送给外置计算机；MCU单片机通过NRF无线模块接收水上控制系统发送来的船体周围环境图像发送给外置计算机进行显示；
MCU单片机通过IIC接口连接MPU9250传感器，感知用户的体感操纵信息，并转换为控制指令，通过NRF无线模块发出；
MCU单片机通过USART串口连接外置计算机，用户通过外置计算机也能够产生控制指令，通过MCU单片机经NRF无线模块发出。
进一步的优选方案，所述一种水面多功能自主巡航船系统，其特征在于：所述水上控制器采用MCU单片机，水上控制器具有USART串口接口、IIC接口、SPI接口、PWM波输出接口和IO接口；水上控制器通过SPI接口连接水上无线收发机，通过IIC接口连接姿态测量系统，通过USART串口接口连接卫星定位系统、超声波测距模块和摄像头，通过PWM波输出接口连接空气动力推进系统和水动力推进系统，以及用于安装超声波测距模块的云台，通过IO接口连接微动开关；所述水上无线收发机采用NRF24L01P无线模块；所述姿态测量系统采用MPU6050传感器；所述卫星定位系统采用NEO-6M GPS模块；
水上控制器通过NRF无线模块接收岸上控制系统发送来的控制指令，并根据控制指令通过PWM波输出接口控制空气动力推进系统和水动力推进系统；水上控制器通过IIC接口、USART串口接口以及IO接口接收航行状态信息，并将航行信息编码成32字节二进制数据，通过NRF无线模块发出。
有益效果
本发明提出的水面多功能自主巡航船系统，其动力方式采用空气动力推进系统和水动力推进系统相组合的方式，正常情况下，单独通过水动力推进系统进行航行，当在需要快速转弯时，例如在紧急避障时，水动力推进系统与空气动力推进系统共同快速改变航向，当在复杂水体环境中，水动力推进系统被缠住后，可以单独通过空气动力推进系统航行。所以该水面多功能自主巡航船系统具有较高的航行稳定性。
本发明在巡航过程中，可以借助摄像头、传感器感知周围环境，通过安装不同的任务模块，如垃圾收集网等实现水上监控跟踪和漂浮垃圾收集的功能；而在水上救援任务中，本发明可以携带救生衣等轻便的救生设备，依据实时传输的视频信号，接近救援任务地点实施救援。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：本发明一种新型水面多功能自主巡航船主视图；
图2：本发明一种新型水面多功能自主巡航船左视图；
图3：本发明一种新型水面多功能自主巡航船俯视图。
1、主船体，2、空气推进风扇，3、第一天线，4、船体加强杆，5、云台，6、超声波传感器，7、水下推进螺旋桨，8、摄像头，9、麦克风，10、第二天线，11、v型尾翼。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本实施例中的一种新型水面多功能自主巡航船系统，包括岸上控制系统、船体、动力系统、传感器系统和水上控制系统。
所述岸上控制系统包括中央控制器、显示系统和岸上无线收发机；中央控制器能够接受用户的控制指令，并通过岸上无线收发机发送给水上控制系统；所述中央控制器能够通过岸上无线收发机接收水上控制系统发送的船上信息，并在显示系统中显示。
岸上控制系统具有信息显示和远程遥控两个主要功能。
所述中央控制器中包括MCU单片机和外置计算机，MCU单片机为STM32F103C8T6，该单片机性能满足系统要求，且简单易用，具有USART串口接口、IIC接口和SPI接口。中央控制器通过SPI接口连接岸上无线收发机，通过IIC接口连接MPU9250传感器和显示系统，通过USB转USART串口接口连接中央控制器的外置计算机(串口波特率为115200，无校验位，8个数据位，1个停止位)；所述显示系统采用OLED液晶模块；所述岸上无线收发机采用NRF24L01P无线模块。
中央控制器的MCU单片机通过NRF无线模块接收水上控制系统发送来的表示船体位置信息和姿态信息的32字节二进制数据，解码翻译成10进制字符串后，通过IIC接口发送给OLED液晶模块进行船姿显示，并通过USART串口发送给外置计算机；MCU单片机通过NRF无线模块接收水上控制系统发送来的船体周围环境图像发送给外置计算机进行显示。
MCU单片机通过IIC接口连接MPU9250传感器，在定时器TIM2的10ms中断中读取MPU9250传感器数据，通过卡尔曼滤波器获取X、Y姿态角(对应横滚、俯仰)，通过其中的陀螺仪和磁罗盘数据融合获得Z轴偏航角。通过倾斜包含MPU9250传感器的接收机，可以控制船的速度和转弯，实现用户的体感遥控，体感遥控转换为控制指令，通过NRF无线模块发出。
当然，MCU单片机通过USART串口连接外置计算机，用户通过外置计算机也能够产生控制指令，通过MCU单片机经NRF无线模块发出。
所述动力系统、传感器系统和水上控制系统均安装在船体上。
所述动力系统分为空气动力推进系统和水动力推进系统；水动力推进系统由转动轴、水下推进螺旋桨与电机组成，水动力推进系统布置在船体后侧；空气动力推进系统由两组空气推进风扇组成，布置在船体两侧上方，空气推进风扇通过机械臂与船体连接；所述机械臂与船体之间转动连接，能够根据水域环境，调节机械臂的展开宽度，从而改变船体宽度。通过调节船体两侧空气动力推进系统的不同推力，提供船体的偏航力矩，能够快速改变船体航向；所述空气动力推进系统和水动力推进系统能够独立完成船体航行的任务，也能够共同完成船体航行的任务。
所述船体两侧布置有任务模块接口，能够根据不同的任务要求安装相应的任务完成设备。例如布置救生设备可以完成水面搜救任务，布置垃圾清运设备可以完成水面垃圾清理任务等。
所述传感器系统能够检测船体位置、姿态，船体周围环境信息。本实施例中所述传感器系统包括卫星定位系统、超声波测距模块、姿态测量系统、摄像头和微动开关；所述卫星定位系统能够获取船体位置信息，所述姿态测量系统能够获取船体姿态角，所述超声波测距模块能够获取船体与周围障碍物的距离，所述摄像头获取船体周围环境图像，所述微动开关检测船体是否与周围障碍物发生碰撞。
所述水上控制系统包括水上控制器和水上无线收发机；水上控制器通过水上无线收发机接收岸上无线收发机发送的控制指令，并转化为驱动指令控制相关船上部件；水上控制器还能通过水上无线收发机将传感器系统检测的船体位置、姿态，船体周围环境信息，以及动力系统的工作状态发送给岸上无线收发机。
所述水上控制器实时检测水动力推进系统的工作状态，当判断水动力推进系统被水下物体缠住时，能够控制水动力推进系统停止工作，通过空气动力推进系统进行工作。
所述水上控制器内具有自主航行控制模块，能够根据接收到的航行路径，以及实时采集的船体位置信息、姿态信息，控制船体按照设定的航行路径行进；并实时采集船体与周围障碍物的距离，当船体与周围障碍物的距离小于第一设定值时，通过空气动力推进系统和水上控制器共同或空气动力推进系统单独改变航行路径避障，当船体与周围障碍物的距离小于第二设定值时，控制船体停止行进，并向岸上控制系统发出警报信号；所述第一设定值小于第二设定值。
本实施例中，所述水上控制器采用MCU单片机，MCU型号与中央控制器相同(STM32F103C8T6)。水上控制器具有USART串口接口、IIC接口、SPI接口、PWM波输出接口和IO接口。水上控制器通过SPI接口连接水上无线收发机，通过IIC接口连接姿态测量系统，通过USART串口接口连接卫星定位系统、超声波测距模块和摄像头，通过PWM波输出接口连接空气动力推进系统和水动力推进系统，以及用于安装超声波测距模块的云台，通过IO接口连接微动开关；所述水上无线收发机采用NRF24L01P无线模块；所述姿态测量系统采用MPU6050传感器；所述卫星定位系统采用NEO-6M GPS模块。
水上控制器通过NRF无线模块接收岸上控制系统发送来的控制指令，并根据控制指令通过PWM波输出接口控制空气动力推进系统和水动力推进系统，实现了对巡航船所有航行动作的控制。水上控制器通过IIC接口、USART串口接口以及IO接口接收航行状态信息，并将航行信息编码成32字节二进制数据，通过NRF无线模块发出。水上控制器通过IO接口连接微动开关，检测船体是否发生碰撞，当发生触碰时停船。
在实际工作中，很多情况下水域环境的具体信息不能事先得到，因此首次工作时巡航路线需要根据环境的不同而进行不同的设置。在岸上控制系统中，用户能够预先设定巡航路径，一般巡航路径为S型，可获得更全面的水面信息。根据期望的巡航路径，自主巡航船进行自动航行，并在航行过程中采集周围环境信息，当出现障碍物时，则进行避障航行，最终得到最优的巡航路径。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种水面多功能自主巡航船系统，其特征在于：包括岸上控制系统、船体、动力系统、传感器系统和水上控制系统；
所述岸上控制系统包括中央控制器、显示系统和岸上无线收发机；中央控制器能够接受用户的控制指令，并通过岸上无线收发机发送给水上控制系统；所述中央控制器能够通过岸上无线收发机接收水上控制系统发送的船上信息，并在显示系统中显示；
所述动力系统、传感器系统和水上控制系统均安装在船体上；所述动力系统分为空气动力推进系统和水动力推进系统；所述传感器系统能够检测船体位置、姿态，船体周围环境信息；所述水上控制系统包括水上控制器和水上无线收发机；水上控制器通过水上无线收发机接收岸上无线收发机发送的控制指令，并转化为驱动指令控制相关船上部件；水上控制器还能通过水上无线收发机将传感器系统检测的船体位置、姿态，船体周围环境信息，以及动力系统的工作状态发送给岸上无线收发机；
所述空气动力推进系统布置在船体两侧上方，通过调节船体两侧空气动力推进系统的不同推力，提供船体的偏航力矩，能够快速改变船体航向；所述空气动力推进系统和水动力推进系统能够独立完成船体航行的任务，也能够共同完成船体航行的任务；
所述船体两侧布置有任务模块接口，能够根据不同的任务要求安装相应的任务完成设备。
2.根据权利要求1所述一种水面多功能自主巡航船系统，其特征在于：所述传感器系统包括卫星定位系统、超声波测距模块、姿态测量系统、摄像头和微动开关；所述卫星定位系统能够获取船体位置信息，所述姿态测量系统能够获取船体姿态角，所述超声波测距模块能够获取船体与周围障碍物的距离，所述摄像头获取船体周围环境图像，所述微动开关检测船体是否与周围障碍物发生碰撞。
3.根据权利要求1或2所述一种水面多功能自主巡航船系统，其特征在于：所述空气动力推进系统由两组空气推进风扇组成，空气推进风扇通过机械臂与船体连接；所述机械臂与船体之间转动连接，能够根据水域环境，调节机械臂的展开宽度。
4.根据权利要求3所述一种水面多功能自主巡航船系统，其特征在于：所述水上控制器实时检测水动力推进系统的工作状态，当判断水动力推进系统被水下物体缠住时，能够控制水动力推进系统停止工作，通过空气动力推进系统进行工作。
5.根据权利要求3所述一种水面多功能自主巡航船系统，其特征在于：所述水上控制器内具有自主航行控制模块，能够根据接收到的航行路径，以及实时采集的船体位置信息、姿态信息，控制船体按照设定的航行路径行进；并实时采集船体与周围障碍物的距离，当船体与周围障碍物的距离小于第一设定值时，通过空气动力推进系统和水上控制器共同或空气动力推进系统单独改变航行路径避障，当船体与周围障碍物的距离小于第二设定值时，控制船体停止行进，并向岸上控制系统发出警报信号；所述第一设定值小于第二设定值。
6.根据权利要求2所述一种水面多功能自主巡航船系统，其特征在于：所述中央控制器中包括MCU单片机和外置计算机，MCU单片机具有USART串口接口、IIC接口和SPI接口；中央控制器通过SPI接口连接岸上无线收发机，通过IIC接口连接MPU9250传感器和显示系统，通过USB转USART串口接口连接中央控制器的外置计算机；所述显示系统采用OLED液晶模块；所述岸上无线收发机采用NRF24L01P无线模块；
MCU单片机通过NRF无线模块接收水上控制系统发送来的表示船体位置信息和姿态信息的32字节二进制数据，解码翻译成10进制字符串后，通过IIC接口发送给OLED液晶模块进行船姿显示，并通过USART串口发送给外置计算机；MCU单片机通过NRF无线模块接收水上控制系统发送来的船体周围环境图像发送给外置计算机进行显示；
MCU单片机通过IIC接口连接MPU9250传感器，感知用户的体感操纵信息，并转换为控制指令，通过NRF无线模块发出；
MCU单片机通过USART串口连接外置计算机，用户通过外置计算机也能够产生控制指令，通过MCU单片机经NRF无线模块发出。
7.根据权利要求2所述一种水面多功能自主巡航船系统，其特征在于：所述水上控制器采用MCU单片机，水上控制器具有USART串口接口、IIC接口、SPI接口、PWM波输出接口和IO接口；水上控制器通过SPI接口连接水上无线收发机，通过IIC接口连接姿态测量系统，通过USART串口接口连接卫星定位系统、超声波测距模块和摄像头，通过PWM波输出接口连接空气动力推进系统和水动力推进系统，以及用于安装超声波测距模块的云台，通过IO接口连接微动开关；所述水上无线收发机采用NRF24L01P无线模块；所述姿态测量系统采用MPU6050传感器；所述卫星定位系统采用NEO-6M GPS模块；
水上控制器通过NRF无线模块接收岸上控制系统发送来的控制指令，并根据控制指令通过PWM波输出接口控制空气动力推进系统和水动力推进系统；水上控制器通过IIC接口、USART串口接口以及IO接口接收航行状态信息，并将航行信息编码成32字节二进制数据，通过NRF无线模块发出。
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