CN109491388A - 一种无人艇动力定位系统 - Google Patents

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陈涛
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ZHUHAI HAISIBI SHIP ENGINEERING Co Ltd
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Abstract

本发明创造公开了一种无人艇动力定位系统，无人艇包括控制单元、传感器单元以及执行单元，控制单元分别与传感器单元以及执行单元连接，控制单元包括PLC控制器，传感器单元包括GPS、惯性导航仪以及风速仪，执行单元包括推进器、舵机以及压载水箱，PLC控制器分别与GPS、惯性导航仪、风速仪、推进器、舵机以及压载水箱连接。本发明创造通过设置横向推进器，能够有效控制无人艇的横向位移，通过设置压载水箱能够有效控制无人艇的定位速度，能够及时快速调整无人艇的定位状态，能够保持无人艇的稳定。

Description

一种无人艇动力定位系统
技术领域
本发明创造涉及无人船舶定位技术，具体的说，是涉及一种无人艇动力定位系统。
背景技术
目前海上航行的大多数船舶仅装备推进器和舵装置，用以推进和操纵船舶。推进器主要包括主机和推进器，能够控制船舶的纵向速度。舵装置为改变船舶航向的主要设备。
无人艇需要同时调节舵角和推进器，进而控制无人艇水平面的3个自由度的运动，此时无人艇的控制系统则属于欠驱动系统。
欠驱动系统的无人艇运动控制复杂，需要应用有3个自由度、6状态、2输入的具有动力学模型和运动数学模型的船舶模型，而这两个模型都具有较强非线性。因此，在无人艇的动力定位方面具有较大的难度。
上述缺陷，值得改进。
发明内容
为了克服现有的技术的不足，本发明创造提供一种无人艇动力定位系统。
本发明创造技术方案如下所述：
一种无人艇动力定位系统，包括无人艇，所述无人艇包括控制单元、传感器单元以及执行单元，所述控制单元分别与所述传感器单元以及所述执行单元连接，所述控制单元包括PLC控制器，所述传感器单元包括GPS、惯性导航仪以及风速仪，所述执行单元包括推进器、舵机以及压载水箱，所述PLC控制器分别与所述GPS、所述惯性导航仪、所述风速仪、所述推进器、所述舵机以及所述压载水箱连接。
进一步的，所述压载水箱上分别设置有空气压缩机、排气阀以及排水阀，所述排气阀与大气接通，所述排水阀与河水或海水接通。
进一步的，所述推进器包括纵向推进器以及横向推进器，所述纵向推进器提供所述无人艇纵向移动的动力，通过控制所述纵向推进器的功率实现所述无人艇在纵向的动力定位；所述横向推进器用于控制所述无人艇的横向位移，且所述无人艇的左右两侧均设置有所述横向推进器。
进一步的，所述横向推进器包括左横向推进器、右横向推进器，所述左横向推进器、所述右横向推进器呈左右对称分布设置。
进一步的，所述左横向推进器、所述右横向推进器均至少为2个。
进一步的，所述左横向推进器、所述右横向推进器均为3个，且所述左横向推进器、所述右横向推进器沿所述无人艇底部纵向方向均匀分布设置。
进一步的，所述压载水箱设于所述无人艇的中心位置处。
根据上述方案的本发明创造，其有益效果在于，本发明创造通过设置横向推进器，能够有效控制无人艇的横向位移，通过设置压载水箱能够有效控制无人艇的定位速度，能够及时快速调整无人艇的定位状态，能够保持无人艇的稳定。
附图说明
图1为本发明创造的结构示意图。
图2为本发明创造无人艇行驶过程状态示意图。
图3为本发明创造中压载水箱的结构示意图。
图4为本发明创造的系统控制原理示意图。
图5为本发明创造的控制结构示意图。
图6为本发明创造中压载水箱的结构框图。
在图中，1、舵机；2、纵向推进器；3、横向推进器；4、压载水箱；41、排气阀；42、排水阀；A、设计水位；B、动力定位水位；C、纵荡；D、艏摇；E、横荡。
具体实施方式
下面结合附图以及实施方式对本发明创造进行进一步的描述：
如图1-6所示，一种无人艇动力定位系统，包括无人艇，无人艇包括控制单元、传感器单元以及执行单元，控制单元分别与传感器单元以及执行单元连接，控制单元包括PLC控制器，传感器单元包括GPS、惯性导航仪以及风速仪，执行单元包括推进器、舵机1以及压载水箱4，PLC控制器分别与GPS、惯性导航仪、风速仪、推进器、舵机1以及压载水箱4连接。
优选的，在某一具体实施例中，压载水箱4上分别设置有空气压缩机、排气阀41以及排水阀42，排气阀41与大气接通，排水阀42与河水或海水或湖水接通。
优选的，在某一具体实施例中，推进器包括纵向推进器2以及横向推进器3，纵向推进器提供无人艇纵向移动的动力，通过控制纵向推进器2的功率实现无人艇在纵向的动力定位；横向推进器3用于控制无人艇的横向位移，且无人艇的左右两侧均设置有横向推进器3。
优选的，在某一具体实施例中，横向推进器3包括左横向推进器、右横向推进器，左横向推进器、右横向推进器呈左右对称分布设置，且左横向推进器、右横向推进器均至少为2个。
优选的，在某一具体实施例中，左横向推进器、右横向推进器均为3个，且左横向推进器、右横向推进器沿无人艇底部纵向方向均匀分布设置。
优选的，在某一具体实施例中，压载水箱4设于无人艇的中心位置处。
本发明创造通过设置横向推进器，能够有效控制无人艇的横向位移，通过设置压载水箱能够有效控制无人艇的定位速度，能够及时快速调整无人艇的定位状态，能够保持无人艇的稳定。
其中，本发明创造中的无人艇包括控制单元、传感器单元和执行单元，
（1）控制单元：控制单元连接传感器单元和执行单元，是整个系统的核心，主要作用是接收控制指令，处理传感器单元获取的数据，控制执行单元执行指令。
（2）传感器单元：传感器单元包括GPS、惯性导航仪和风速仪，GPS能够实时获取船艇的定位信息，主要是经纬度信息；惯性导航仪可以获取船的主要平衡姿态数据，主要包括艏向和纵横摇角度等信息；风速仪主要获取风力风向信息。
（3）执行单元：执行单元包括纵向推进器、舵机1、横向推进器和压载水箱；纵向推进器2可以提供无人艇纵向移动的动力，通过控制纵向推进器2的功率可以实现无人艇在纵向上的动力定位，可以控制无人艇的纵荡C。舵机1可以控制船艇的艏摇D。横向推进器3沿船底部纵向均匀分布，可以控制无人艇的横向位移，可以调整无人艇的横荡E，采用电力推进，通过正反转动调整船艇的横向位移。
压载水箱4的安装位置位于无人艇的重心位置。当无人艇接收定位信息后，压载水箱4的排气阀41和排水阀42打开，外部的水进入压载水箱4，从而导致无人艇吃水增加，无人艇的移动阻力增大，更加方便调整无人艇的精度。同时可以通过控制排气阀41的开关，调整吃水深度。当到达合适的位置，排水阀42和排气阀41关闭。
当无人艇接收到出航的指令后，压载水箱4的排水阀42打开，空气压缩机启动，通过排气阀41向压载水箱中注入空气，水箱中的水通过排水孔向外排出，此时无人艇的吃水变小，阻力减小。
本发明创造工作流程：
指定定位目标：控制单元在接收到定位指令后，将GPS接收的数据与定位指令中的数据进行对比，然后自主规划航线，在距离目标位置20米范围内时，航行速度降至怠速，此时，无人艇进入初步定位状态。
初步定位状态:在无人艇进入初步定位状态时，控制单元通过GPS、惯性导航仪和风速仪获得的数据，对纵向推进器2、舵机1以及横向推进器3的推力和力矩进行分配，并发送指令，纵向推进器2、舵机1以及横向推进器3并按照指令执行，此时控制单元、传感器单元和执行单元形成闭环控制。
精确定位状态:当无人艇距离目标位置10米范围内，执行单元中的压载水箱4开始进行执行相应指令，压载水箱4的排气阀41和排水阀42打开，外部的水进入压载水箱4，从而导致无人艇吃水增加，无人艇的移动阻力增大，无人艇移动速度减小；当无人艇到达目标位置时，压载水箱4注满，此时，控制单元对无人艇的整体状态进行调整，向执行单元发送指令，执行单元中的纵向推进器2、舵机1以及横向推进器3等通过调整推力和力矩进行分配，使纵荡C、横荡E和艏摇D等维持相对稳定状态,无人艇稳定后吃水处于动力定位水位B。
启航:当无人艇接收到启航指令时，压载水箱4的排水阀42打开，空气压缩机启动，通过排气阀41向压载水箱4中注入空气，压载水箱4中的水通过排水孔向外排出，此时无人艇的吃水变小，以致达到无人艇的设计水位A,阻力减小。无人艇的控制单元，重新分配纵向推进器、舵机以及横向推进器的推力和力矩，使无人艇能够迅速恢复运动状态。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明创造所附权利要求的保护范围。
上面结合附图对本发明创造专利进行了示例性的描述，显然本发明创造专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明创造专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明创造专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明创造的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无人艇动力定位系统，包括无人艇，其特征在于，所述无人艇包括控制单元、传感器单元以及执行单元，所述控制单元分别与所述传感器单元以及所述执行单元连接，所述控制单元包括PLC控制器，所述传感器单元包括GPS、惯性导航仪以及风速仪，所述执行单元包括推进器、舵机以及压载水箱，所述PLC控制器分别与所述GPS、所述惯性导航仪、所述风速仪、所述推进器、所述舵机以及所述压载水箱连接。
2.根据权利要求1所述的无人艇动力定位系统，其特征在于，所述压载水箱上分别设置有空气压缩机、排气阀以及排水阀，所述排气阀与大气接通，所述排水阀与河水或海水接通。
3.根据权利要求1所述的无人艇动力定位系统，其特征在于，所述推进器包括纵向推进器以及横向推进器，所述纵向推进器提供所述无人艇纵向移动的动力，通过控制所述纵向推进器的功率实现所述无人艇在纵向的动力定位；所述横向推进器用于控制所述无人艇的横向位移，且所述无人艇的左右两侧均设置有所述横向推进器。
4.根据权利要求3所述的无人艇动力定位系统，其特征在于，所述横向推进器包括左横向推进器、右横向推进器，所述左横向推进器、所述右横向推进器呈左右对称分布设置。
5.根据权利要求4所述的无人艇动力定位系统，其特征在于，所述左横向推进器、所述右横向推进器均至少为2个。
6.根据权利要求5所述的无人艇动力定位系统，其特征在于，所述左横向推进器、所述右横向推进器均为3个，且所述左横向推进器、所述右横向推进器沿所述无人艇底部纵向方向均匀分布设置。
7.根据权利要求1所述的无人艇动力定位系统，其特征在于，所述压载水箱设于所述无人艇的中心位置处。
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