CN109765826A - 引航员登离船自动攀爬跟随防护系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于安全防护领域，尤其涉及公开了引航员登离船自动攀爬跟随防护系统及方法，包括姿态监控装置和攀爬防护装置，姿态监控装置和攀爬防护装置通信连接；姿态监控装置中的姿态监控电源管理模块、姿态监测模块、姿态监控通讯传输模块、姿态监控人机交互模块、姿态监控数据存储模块均与姿态监控MCU模块连接；攀爬防护装置中的爬防护电源管理模块、运动监测模块、电机驱动模块、攀爬防护电子锁紧模块、攀爬防护通讯传输模块、攀爬防护人机交互模块、攀爬防护数据存储模块均与攀爬防护MCU模块连接。本发明的有益效果：解决引航员登离船过程中的安全防护和全程实时监控功能，减少了手动防护的二次风险和操作繁琐等问题，更便捷化、智能化。
Description
技术领域
本发明属于安全防护领域，涉及引航员登离船安全防护技术，具体指一种引航员登离船自动攀爬跟随防护系统及方法。
背景技术
引航员作为船舶引航的主要人员，是一种高难度的技术性职业，鉴于气象条件恶劣、引航梯破旧断裂、引航员疏忽大意等不同因素的影响，极易造成引航员安全事故，而当前并没有针对引航员发生坠落状况的应对措施和安全设备。
据统计，引航员每年登离船事故致死率达到十万分之五十四，而同期各行业平均职业工伤致死率仅为十万分之五点五，高出将近10倍；据引航协会统计，日本700多名引航员中，有8％的引航员在职业生涯中因登离船事故受伤，有约1％的引航员在登离船事故中丧生。种种数据分析表明，引航员登离船安全问题已经成为引航工作的重中之重。
IMO、IMPA等组织不停地针对各种缺陷，修改、完善了引航员登离船装置及其布置规定，并强制要求船舶实施。2010年12月3日，IMO海上安全委员会(MSC)88次会议上，通过了第308号关于SOLAS公约修正案的决议，即IMO A.1045(27)决议，要求2012年7月1日生效。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供引航员登离船自动攀爬跟随防护系统及方法，有效解决了引航员登离船过程中无安全防护问题，实现引航员登离船过程中的自动跟随防护和全程监控功能，具有便捷性、智能化、实用性等优点。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
引航员登离船自动攀爬跟随防护系统，其特征在于包括姿态监控装置和攀爬防护装置，所述姿态监控装置和所述攀爬防护装置通信连接；
所述姿态监控装置包括姿态监控MCU模块、姿态监控电源管理模块、姿态监测模块、姿态监控通讯传输模块、姿态监控人机交互模块和姿态监控数据存储模块，所述姿态监控电源管理模块、所述姿态监测模块、所述姿态监控通讯传输模块、所述姿态监控人机交互模块、所述姿态监控数据存储模块均与所述姿态监控MCU模块连接；
所述攀爬防护装置包括攀爬防护MCU模块、攀爬防护电源管理模块、运动监测模块、电机驱动模块、攀爬防护电子锁紧模块、攀爬防护通讯传输模块、攀爬防护人机交互模块和攀爬防护数据存储模块，所述爬防护电源管理模块、所述运动监测模块、所述电机驱动模块、所述攀爬防护电子锁紧模块、所述攀爬防护通讯传输模块、所述攀爬防护人机交互模块、所述攀爬防护数据存储模块均与所述攀爬防护MCU模块连接。
进一步地，所述姿态监控电源管理模块与所述姿态监测模块、所述姿态监控通讯传输模块、所述姿态监控人机交互模块、所述姿态监控数据存储模块、所述姿态监控MCU模块连接并供电；
所述姿态监控通讯传输模块为主机蓝牙模块，所述攀爬防护通讯传输模块为从机蓝牙模块。
进一步地，所述姿态监控MCU模块和所述攀爬防护装置MCU采用STM32系列微处理器，以ARM Cortex-M0，M0+，M3,M4或M7为内核，具备IIC和SPI总线接口、USART串口接口、ADC采集接口、定时器。
进一步地，所述姿态监控电源管理模块包括连接的锂电池供电及电量监测单元、充电指示单元，所述锂电池供电及电量监测单元包括连接的5075BMR-05-SM芯片、TP4056芯片和XC6202芯片，所述充电指示单元采用LED-RGB-0603芯片。
所述姿态监控姿态监测模块采用JY901芯片；所述姿态监控通讯传输模块采用HC-08蓝牙芯片；所述姿态监控装置人机交互模块为液晶显示屏，所述液晶显示屏为0.91寸OLED显示屏；所述姿态监控数据存储模块采用W25X16存储器。
进一步地，所述爬防护电源管理模块与所述运动监测模块、所述电机驱动模块、所述攀爬防护电子锁紧模块、所述攀爬防护通讯传输模块、所述攀爬防护人机交互模块、所述攀爬防护数据存储模块均、所述攀爬防护MCU模块连接并供电。
进一步地，所述攀爬防护装置MCU模块采用STM32系列微处理器，以ARM Cortex-M0，M0+，M3,M4或M7为内核，具备IIC和SPI总线接口、USART串口接口、ADC采集接口、多路定时器接口；
进一步地，所述攀爬防护电源管理模块包括连接的LM2575D2T-5芯片和AMS1117-3.3V芯片，所述攀爬防护电量监测模块采用LM358芯片，所述攀爬防护电量监测模块与所述蜂鸣报警模块连接。
所述攀爬防护运动监测模块采用JY901为核心芯片；所述攀爬防护电机驱动模块用于驱动两路24V直流电机；所述攀爬防护电子锁紧模块采用MG996R舵机；所述攀爬防护通讯传输模块采用HC-08蓝牙模块和232串口通信端子，所述攀爬防护装置数据存储模块采用W25X16，所述攀爬防护人机交互模块包括液晶显示屏和按键模块；
进一步地，所述姿态监控MCU模块采用STM32F103C8T6芯片，所述STM32F103C8T6芯片通过引脚10对所述锂电池供电及电量监测单元的TP4056芯片的BAT引脚5进行ADC采样；所述STM32F103C8T6芯片通过U2TX引脚12、U2RX引脚13、SDA2引脚14和SCL2引脚15分别与所述姿态监控姿态监测模块的JY901芯片的TX引脚3、RX引脚4、SDA2引脚9和SCL2引脚10连接；所述STM32F103C8T6芯片通过UART TX引脚30、UART RX引脚31分别与所述姿态监控通讯传输模块的HC-08蓝牙芯片的UART TX引脚3、UART RX引脚4连接，所述STM32F103C8T6芯片通过SCL引脚42、SDA引脚43分别与所述OLED显示屏的SCL引脚4、SDA引脚3连接；所述STM32F103C8T6芯片的PB12引脚25、PB13引脚26、PB14引脚27、PB15引脚28与所述姿态监控数据存储模块的W25X16存储器的PB12引脚1、PB13引脚6、PB14引脚2、PB15引脚5连接；
所述TP4056芯片的Vin引脚4连接5075BMR-05-SM芯片的VCC引脚1,所述TP4056芯片的FAULT引脚6和CHRG引脚7分别通过电阻R4和电阻R3连接所述LED-RGB-0603芯片的G引脚2和R引脚1，所述TP4056芯片的TEMP引脚1连接热敏电阻NTC1接地，所述TP4056芯片的CE引脚8连接总线并通过电阻1和电阻5接地，所述热敏电阻NTC1和所述电阻5并联；
所述TP4056芯片BAT引脚5通过PMOS管连接所述XC6202芯片的Vin引脚2，所述XC6202芯片的Vss引脚3接地，所述XC6202芯片的Vout引脚1通过电阻R2和激光二级管LD1接地，所述XC6202芯片的Vss引脚3和Vout引脚1间连接电容C2，所述XC6202芯片的Vss引脚3和Vin引脚2间连接电容C1。
进一步地，所述攀爬防护MCU模块采用STM32F103C8T6芯片，所述STM32F103C8T6芯片通过引脚10对所述攀爬防护电量监测模块的LM358芯片的BAT引脚5进行ADC电平采集连接；
所述STM32F103C8T6芯片通过SDA2引脚14和SCL2引脚11分别与所述所述攀爬防护运动监测模块的JY901芯片的SDA2引脚9和SCL2引脚10连接；
所述STM32F103C8T6芯片通过U2TX引脚12、U2RX引脚13与所述232串口通讯端子的KF128-3P的U2TX引脚1、U2RX引脚2连接；
所述STM32F103C8T6芯片通过UART TX引脚30、UART RX引脚31分别与所述攀爬防护通讯传输模块的HC-08蓝牙芯片的UART TX引脚3、UART RX引脚4连接；
所述STM32F103C8T6芯片通过DS1302 SCK引脚15、DS1302 CE引脚16、DS1302 IO引脚17分别与时钟显示模块的DS1302芯片的DS1302 SCK引脚7、DS1302 CE引脚6、DS1302 IO引脚5连接；
所述STM32F103C8T6芯片的PB12引脚25、PB13引脚26、PB14引脚27、PB15引脚28与所述攀爬防护装置数据存储模块的W25X16存储器的PB12引脚1、PB13引脚6、PB14引脚2、PB15引脚5连接；
所述STM32F103C8T6芯片的PMW引脚29连接舵机驱动模块的SN74LV245ADBRG4芯片的PMW引脚2连接；舵机驱动模块的SN74LV245ADBRG4芯片连接MG996R舵机；
所述STM32F103C8T6芯片通过D0引脚32、D1引脚33、DC引脚41分别与所述OLED显示屏的D0引脚3、D1引脚4、DC引脚6连接；
所述STM32F103C8T6芯片通过ENA引脚42、ENB引脚43、IN1引脚45、IN2引脚46、IN3引脚21、IN4引脚22分别与电子端子Header8的ENA引脚5、ENB引脚6、IN1引脚4、IN2引脚3、IN3引脚2、IN4引脚1连接。
引航员登离船自动攀爬跟随防护方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：攀爬绳与船体固定；
步骤二：姿态监控装置佩戴于人体腰间，使用安全绳将攀爬防护装置和人体相连；
步骤三：使姿态监控装置和攀爬防护装置相互间通信连通；
步骤四：根据高挂低用原则，将攀爬防护装置置于人体的上方；
步骤五：人体沿着软梯移动，姿态监控装置监测人体运动状态；
步骤六：判断人体是否爬升或下降完一阶软梯，若爬升或下降完一阶软梯则执行步骤七，否则返回步骤五；
步骤七：姿态监控装置发送步数信息至攀爬防护装置，攀爬防护装置移动距离s0；其中s0为两节软梯间的距离；
步骤八：判断是否发生坠落风险，若有坠落风险执行步骤九，否则执行步骤十二；
步骤九：攀爬防护装置机械锁紧启动，防坠器将绳子与机械装置锁死；电子锁紧启动，对机械锁紧进行二次保护，防止引航员发生坠落事故；
步骤十：判断坠落和安全风险是否解除，若坠落风险解除则执行步骤十一，否则返回至步骤五；
步骤十一：机械锁紧和电子锁紧恢复，返回至步骤五；
步骤十二：判断是否到达终点，若到达终点执行步骤十三，否则执行步骤五；
步骤十三：攀爬防护装置从攀爬绳中取出，断开姿态监控装置和攀爬防护装置通信，关闭电源。
本发明公开了引航员登离船自动攀爬跟随防护系统，由姿态监控装置和攀爬防护装置组成，所述姿态监控装置包括MCU模块、电源管理模块、姿态监测模块、通讯传输模块、人机交互模块和数据存储模块；所述攀爬防护装置包括MCU模块、电源管理模块、运动监测模块、电机驱动模块、电子锁紧模块、通讯传输模块、人机交互模块和数据存储模块，解决了引航员登离船过程中的全程安全防护问题，还实现引航员登离船过程中的自动跟随防护功能，减少了手动防护的二次风险和操作繁琐等问题，具有便捷性、智能化、实用性等优点。
附图说明
图1为本发明中引航员登离船自动攀爬跟随防护系统的结构框图；
图2为本发明中引航员登离船自动攀爬跟随防护系统的姿态监控装置的功能图；
图3为本发明中引航员登离船自动攀爬跟随防护系统的攀爬防护装置的功能图；
图4为本发明中姿态监控MCU模块的电路图；
图5为本发明中姿态监控电源管理模块的锂电池供电及电量监测单元的电路图；
图6为本发明中姿态监控电源管理模块的充电指示单元的电路图；
图7为本发明中姿态监控通讯传输模块的电路图；
图8为本发明中姿态监测模块的电路图；
图9为本发明中姿态监控人机交互模块的电路图；
图10为本发明中姿态监控数据存储模块；
图11为本发明中与姿态监控MCU模块连接的数据下载线的电路图；
图12为本发明中攀爬防护MCU模块的电路图；
图13为本发明中攀爬防护电量监测模块的电路图；
图14为本发明中蜂鸣报警模块的电路图；
图15为本发明中攀爬防护通讯传输模块中的蓝牙模块电路图；
图16为本发明中攀爬防护通讯传输模块中的232串口通讯端子电路图；
图17为本发明中运动监测模块电路图；
图18为本发明中舵机驱动模块电路图；
图19为本发明中攀爬防护人机交互模块的液晶显示屏的电路图；
图20为本发明中攀爬防护人机交互模块的按键模块电路图；
图21为本发明中攀爬防护数据存储模块；
图22为本发明中与攀爬防护MCU模块连接的时钟显示模块的电路图
图23为本发明中与攀爬防护MCU模块连接的数据下载线的电路图；
图24为本发明中电机端子的电路图；
图25为本发明中锂电池充电及供电模块的电路图；
图26为本发明中电机驱动模块的欠压保护单元的电路图；
图27为本发明中电机驱动模块的过载保护单元电路图；
图28为本发明中电机驱动模块的光耦隔离驱动单元电路图；
图29为本发明中电机驱动模块的电机H桥电路电路图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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创造和简化描述，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创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
实施例1
引航员登离船自动攀爬跟随防护系统，包括姿态监控装置和攀爬防护装置，姿态监控装置和攀爬防护装置通信连接；
姿态监控装置包括姿态监控MCU模块、姿态监控电源管理模块、姿态监测模块、姿态监控通讯传输模块、姿态监控人机交互模块和姿态监控数据存储模块，姿态监控电源管理模块、姿态监测模块、姿态监控通讯传输模块、姿态监控人机交互模块、姿态监控数据存储模块均与姿态监控MCU模块连接；
攀爬防护装置包括攀爬防护MCU模块、攀爬防护电源管理模块、运动监测模块、电机驱动模块、攀爬防护电子锁紧模块、攀爬防护通讯传输模块、攀爬防护人机交互模块和攀爬防护数据存储模块，攀爬防护电源管理模块、运动监测模块、电机驱动模块、攀爬防护电子锁紧模块、攀爬防护通讯传输模块、攀爬防护人机交互模块、攀爬防护数据存储模块均与攀爬防护MCU模块连接。
引航员登离船自动攀爬跟随防护系统，能够实现引航员登离船过程中安全防护问题，以及实现全程自动攀爬跟随功能，具有便捷性、智能化、实用性等优点。
姿态监控电源管理模块与姿态监测模块、姿态监控通讯传输模块、姿态监控人机交互模块、姿态监控数据存储模块、姿态监控MCU模块连接并供电；
姿态监控MCU模块采用STM32系列微处理器，以ARM Cortex-M0，M0+，M3,M4或M7为内核，具备IIC和SPI总线接口、USART串口接口、ADC采集接口、定时器。
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM-M0，M0+，M3,M4和M7内核(ST's product portfolio contains a comprehensiverange of microcontrollers,from robust,low-cost 8-bit MCUs up to32-bit ARM-based-M0and M0+,-M3,-M4Flash microcontrollers with agreat choice of peripherals.ST has also extended this range to include anultra-low-power MCU platform)。
姿态监控电源管理模块包括连接的锂电池供电及电量监测单元、充电指示单元，锂电池供电及电量监测单元包括连接的5075BMR-05-SM芯片、TP4056芯片和XC6202芯片，充电指示单元采用LED-RGB-0603芯片。姿态监控电源管理模块实现聚合物锂电池供电，用于提供装置所需的电压、电量监控、USB充放电、指示充电状态。
姿态监控姿态监测模块采用JY901为核心芯片；姿态监控通讯传输模块采用HC-08蓝牙为核心芯片和232串口通信端子；姿态监控装置人机交互模块为液晶显示屏，显示屏为0.91寸OLED显示屏；姿态监控数据存储模块采用W25X16存储器。
表二 JY901芯片的引脚功能表
| 名称 | 功能 |
| VCC | 模块电源，3.3V或5V输入 |
| RX | 串行数据输入，TTL电平 |
| TX | 串行数据输出，TTL电平 |
| GND | 地线 |
| SCL | I2C时钟线 |
| SDA | I2C数据线 |
| D0 | 扩展端口0 |
| D1 | 扩展端口1 |
HC-08蓝牙串口通信模块是新一代的基于BluetoothSpecificationV4.0BLE蓝牙协议的数传模块。无线工作频段为2.4GHzISM，调制方式是GFSK。模块最大发射功率为4dBm，接收灵敏度-93dBm，空旷环境下和iphone4s可以实现80米超远距离通信，模块大小26.9mm×13mm×2.2mm，集成了邮票封装孔和排针焊接孔，既可以贴片封装，也又可以焊接排针，很方便嵌入应用系统之内。自带LED状态指示灯，可直观判断蓝牙的连接状态。
HC-08蓝牙串口通信模块采用TI的CC2540F256芯片，配置256K字节空间，支持AT指令，用户可根据需要更改角色(主、从模式)以及串口波特率、设备名称等参数，使用灵活。
姿态监控MCU模块采用STM32F103C8T6芯片，STM32F103C8T6芯片通过引脚10对锂电池供电及电量监测单元的TP4056芯片的BAT引脚5进行ADC采样；STM32F103C8T6芯片通过U2TX引脚12、U2RX引脚13、SDA2引脚14和SCL2引脚15分别与姿态监控姿态监测模块的JY901芯片的TX引脚3、RX引脚4、SDA2引脚9和SCL2引脚10连接；STM32F103C8T6芯片通过UART TX引脚30、UART RX引脚31分别与姿态监控通讯传输模块的HC-08蓝牙芯片的UART TX引脚3、UART RX引脚4连接，STM32F103C8T6芯片通过SCL引脚42、SDA引脚43分别与OLED显示屏的SCL引脚4、SDA引脚3连接；STM32F103C8T6芯片的PB12引脚25、PB13引脚26、PB14引脚27、PB15引脚28与姿态监控数据存储模块的W25X16存储器的PB12引脚1、PB13引脚6、PB14引脚2、PB15引脚5连接；
STM32F103C8T6芯片的SWD DAT引脚34、SWD CLK引脚37连接数据下载线，数据下载线采用现有4脚排针。
TP4056芯片的Vin引脚4连接5075BMR-05-SM芯片的VCC引脚1，TP4056芯片的FAULT引脚6和CHRG引脚7分别通过电阻R4和电阻R3连接LED-RGB-0603芯片的G引脚2和R引脚1，TP4056芯片的TEMP引脚1连接热敏电阻NTC1接地，TP4056芯片的CE引脚8连接总线并通过电阻1和电阻5接地，热敏电阻NTC1和电阻5并联；
TP4056芯片BAT引脚5通过PMOS管连接XC6202芯片的Vin引脚2，XC6202芯片的Vss引脚3接地，XC6202芯片的Vout引脚1通过电阻R2和激光二级管LD1接地，XC6202芯片的Vss引脚3和Vout引脚1间连接电容C2，XC6202芯片的Vss引脚3和Vin引脚2间连接电容C1。
攀爬防护电源管理模块与运动监测模块、电机驱动模块、攀爬防护电子锁紧模块、攀爬防护通讯传输模块、攀爬防护人机交互模块、攀爬防护数据存储模块均、攀爬防护MCU模块连接并供电。
攀爬防护装置MCU模块采用STM32系列微处理器，以ARM Cortex-M0，M0+，M3,M4或M7为内核，具备IIC和SPI总线接口、USART串口接口、ADC采集接口、多路定时器接口；
攀爬防护电源管理模块包括连接的LM2575D2T-5芯片和AMS1117-3.3V芯片，攀爬防护电量监测模块采用LM358芯片，攀爬防护电量监测模块与蜂鸣报警模块连接。
攀爬防护运动监测模块采用JY901为核心芯片；攀爬防护电子锁紧模块采用MG996R舵机；攀爬防护通讯传输模块采用HC-08蓝牙为核心模块和232串口通信端子，攀爬防护装置数据存储模块采用W25X16，采用W25X16存储器；攀爬防护电子锁紧模块通过舵机驱动模块连接攀爬防护MCU模块，攀爬防护人机交互模块包括液晶显示屏和按键模块，液晶显示屏为0.96寸OLED显示屏，按键模块P3为现有4脚薄膜按键产品；还包括与攀爬防护MCU模块连接的时钟显示模块和数据下载线，数据下载线P2采用现有四脚排针；
电机驱动模块用于驱动两路24V直流电机，电机驱动模块通过电机端子和锂电池充电及供电模块连接攀爬防护装置MCU模块，攀爬防护电机驱动模块包括相互连接的欠压保护单元、过载保护单元、光耦隔离驱动单元和电机H桥电路。
锂电池充电及供电模块的J1’与电机端子J1连接，J1’与J1均采用header8，锂电池充电及供电模块的J2采用kf8500，与电机H桥电路、攀爬防护电源管理模块连接；锂电池充电及供电模块的J3采用船型开关，实现对电机的供电控制。
姿态监控MCU模块还包括多个I/O接口，攀爬防护MCU模块还包括多个I/O接口。
I/O接口可设置为中断模式，当I/O设备结束(完成、特殊或异常)时，就会向MCU发出中断请求信号，CPU收到信号就可以采取相应措施。当某个进程要启动某个设备时，MCU就向相应的设备控制器发出一条设备I/O启动指令，然后MCU又返回做原来的工作。
姿态监控通讯传输模块为主机蓝牙模块，攀爬防护通讯传输模块为从机蓝牙模块。主机蓝牙模块连接上从机蓝牙模块，指示灯由交替闪烁变成常亮状态，接收到步数判断程序后，发送步数到攀爬防护装置从机蓝牙中，实现步数信息的近距离无线通信和数据交互。
攀爬防护装置MCU采用STM32F103C8T6芯片，STM32F103C8T6芯片通过引脚10对攀爬防护电量监测模块的LM358芯片的BAT引脚5进行ADC电平采集连接；
STM32F103C8T6芯片通过SDA2引脚14和SCL2引脚11分别与攀爬防护运动监测模块的JY901芯片的SDA2引脚9和SCL2引脚10连接；
STM32F103C8T6芯片通过U2TX引脚12、U2RX引脚13与232串口通讯端子的KF128-3P的U2TX引脚1、U2RX引脚2连接；
STM32F103C8T6芯片通过UART TX引脚30、UART RX引脚31分别与攀爬防护通讯传输模块的HC-08蓝牙芯片的UART TX引脚3、UART RX引脚4连接；
STM32F103C8T6芯片通过DS1302 SCK引脚15、DS1302 CE引脚16、DS1302 IO引脚17分别与时钟显示模块的DS1302芯片的DS1302 SCK引脚7、DS1302 CE引脚6、DS1302 IO引脚5连接；
STM32F103C8T6芯片的PB12引脚25、PB13引脚26、PB14引脚27、PB15引脚28与攀爬防护装置数据存储模块的W25X16存储器的PB12引脚1、PB13引脚6、PB14引脚2、PB15引脚5连接；
STM32F103C8T6芯片的PMW引脚29连接舵机驱动模块的SN74LV245ADBRG4芯片的PMW引脚2连接；舵机驱动模块的SN74LV245ADBRG4芯片连接MG996R舵机；
STM32F103C8T6芯片通过D0引脚32、D1引脚33、DC引脚41分别与OLED显示屏的D0引脚3、D1引脚4、DC引脚6连接；
STM32F103C8T6芯片通过ENA引脚42、ENB引脚43、IN1引脚45、IN2引脚46、IN3引脚21、IN4引脚22分别与电子端子Header8的ENA引脚5、ENB引脚6、IN1引脚4、IN2引脚3、IN3引脚2、IN4引脚1连接。
实施例2
如图1所示，本发明提供了提供引航员登离船自动攀爬跟随防护系统的结构框图。
具体地，引航员登离船自动攀爬跟随防护系统，包括姿态监控装置和攀爬防护装置组成。其中，如图2所示，姿态监控装置包括MCU模块、电源管理模块、姿态监测模块、通讯传输模块、人机交互模块和数据存储模块；如图3所示，攀爬防护装置包括MCU模块、电源管理模块、运动监测模块、电机驱动模块、电子锁紧模块、通讯传输模块、人机交互模块和数据存储模块。
其中，姿态监控装置MCU模块采用嵌入式开发平台拟采用基于ARM内核的STM32系列微处理器，其芯片功耗低、资源丰富，最大主频达到了72MHz，能够实现与各个外设接口的数据传输和交互；姿态监控电源管理模块包括连接的锂电池供电及电量监测单元、充电指示单元，锂电池供电及电量监测单元包括连接的TP4056芯片和XC6202芯片，充电指示单元采用LED-RGB-0603芯片，姿态监控电源管理模块实现聚合物锂电池供电，用于提供装置所需的电压、电量监控、USB充放电、指示充电状态，电量监控包括过压欠压保护和过流保护。其中，电源包含3.3V电源,为MCU模块、姿态监测模块、通讯传输模块、人机交互模块以及数据存储模块供电；其中过压欠压保护由STM32微处理器对TP4056提供的BAT端口进行ADC采样以便实时监测，当电压值高于基准值时，进行涓流充电处理，且采用LED-RGB-0603芯片的充电指示单元的绿色LED指示灯亮，当电压未进行充满电时，停止涓流充电处理，红色LED指示灯亮，若姿态监控装置使用过程中电量过低，则OLED显示屏会每5s闪烁一次，且界面显示低电量报警标志；其中，过流保护由NTC热敏电阻实现，通过判断电路中电流是否超过额定电流值来设置当前电阻实现导通或者高阻态，即实现电路的“通断”状态；USB充放电实现该装置的充电功能；姿态监控装置姿态监测模块采用JY901为核心芯片，该芯片可获得运动过程中引航员的速度、加速度、角度、角速度等信息，该信息通过STM32微处理器进行角度修正、重力加速度剔除、波峰波谷寻找、抖动去除等算法处理后，采集出能够符合引航员登离船过程中攀爬软梯姿态的波形，通过算法的进一步处理，捕捉出引航员的步数，并根据此步数实现引航员和姿态攀爬装置的自动攀爬跟随防护功能；姿态监控通讯传输模块采用HC-08蓝牙为核心芯片，该芯片工作频段为2.4G，采用3.3V电源供电，发射功率最大可达到4dBm，接收电流可达到15.8mA，该模块配置成主机蓝牙模块，当其连接上攀爬防护装置从机蓝牙时，指示灯由交替闪烁变成常亮状态，当接收到步数判断程序后，发送步数到攀爬防护装置从机蓝牙中，实现步数信息的近距离无线通信和数据交互，能够实现5米以内的数据传输；姿态监控装置人机交互模块为液晶显示，显示屏为0.91寸OLED显示屏，通过STM32微处理器进行IIC配置实现人机交互功能，能够实时显示当前引航员速度、加速度、角度、角速度等姿态信息，便于登离船过程中人体姿态信息观测。
具体地，姿态监控装置数据存储模块采用W25X16存储器，用于提供2M字节内存，实时记录引航员登离船过程中的姿态信息和步数，便于后期进行数据分析以及问题查找和改进；
其中，攀爬防护MCU模块采用嵌入式开发平台拟采用基于ARM内核的STM32系列微处理器，其芯片功耗低、资源丰富，最大主频达到了72MHz，能够实现与各个外设接口的数据传输和交互。攀爬防护装置电源管理模块用于提供装置所需的电压，进行过压欠压保护和过流保护，以及充放电和电量检测功能。其中，电源包含24V、5V和3.3V电源，为MCU模块、运动监测模块、电机驱动模块、电子锁紧模块、通讯传输模块、人机交互模块和数据存储模块供电；其中过压欠压保护通过搭建分压保护电路，使用STM32微处理器对LM358芯片引脚进行ADC电平采集，若电压值高于基准值，则满电指示灯点亮；当处于欠压状态，蜂鸣器报警，进行充电提醒；充放电实现通过LM2575D2T-5芯片实现220V到24V电压充电功能。攀爬防护装置运动监测模块采用JY901为核心芯片，通过获取该芯片加速度和角度数据，进行趋势分析和处理，判断当前攀爬防护装置运动过程中的状态，通过加速度和姿态监控装置上传的加速度的分析对比，判断引航员和攀爬防护装置运动状态的同步性；攀爬防护装置电机驱动模块用于驱动两路24V直流电机，电机驱动模块通过电机端子和锂电池充电及供电模块连接攀爬防护装置MCU模块，攀爬防护电机驱动模块包括相互连接的欠压保护单元、过载保护单元、光耦隔离驱动单元和电机H桥电路，实现电机正反转、启停控制和调速，并进行控制信号光耦隔离和静电泄放回路处理以及电压欠压保护处理；当攀爬防护装置蓝牙模块接收到步数信息后，STM32微处理器驱动电机H桥电路控制电机进行正反转转动，跟随引航员运动，当引航员停止时，攀爬防护装置会接收到蓝牙发送的停止指令，STM32微处理器驱动电机停止；信号光耦隔离驱动单元将24V电压和5V和3.3V电压隔离开，当有效信号接收到后，通过对光耦引脚的电平调节实现信号导通，防止大电压造成芯片烧毁；电压欠压保护单元采用复位芯片进行控制，电压欠压时该芯片进行复位，阻止电压供电，预防欠压长时间工作对芯片的影响。舵机驱动电路驱动电子锁紧模块，舵机驱动电路采用SN74LVC245ADBRG4,电子锁紧模块采用MG996R舵机，该电子锁紧用于引航员坠落过程中，机械锁紧制动，MG996R舵机舵臂推动机械锁紧连接杆，使机械锁紧装置与绳子的摩擦力加大，直至停止下滑，实现引航员的锁紧，该电子锁紧装置作为机械锁紧的一种二次保护，配合机械锁紧实现引航员防坠过程中的双重防护。攀爬防护装置通讯传输模块采用HC-08蓝牙为核心模块，该模块配置为从机蓝牙模块，用于与姿态监控装置蓝牙模块进行信息交互和通信，当接收到主机蓝牙模块发送的指令后，STM32微处理器驱动电机进行相应动作；
具体地，攀爬防护装置数据存储模块采用W25X16，用于提供2M字节内存，实时记录攀爬防护装置的姿态信息，如：加速度、角速度、角度、步数等，用于后期姿态数据查看、工作日志查看及数据分析等。
引航员登离船自动攀爬跟随防护方法，包括以下步骤：
步骤一：攀爬绳与船体固定；
步骤二：姿态监控装置佩戴于人体腰间，使用安全绳将攀爬防护装置和人体相连；
步骤三：使姿态监控装置和攀爬防护装置相互间通信连通；
步骤四：根据高挂低用原则，将攀爬防护装置置于人体的上方；
步骤五：人体沿着软梯移动，姿态监控装置监测人体运动状态；
步骤六：判断人体是否爬升或下降完一阶软梯，若爬升或下降完一阶软梯则执行步骤七，否则返回步骤五；
步骤七：姿态监控装置发送步数信息至攀爬防护装置，攀爬防护装置移动距离s0；其中s0为两节软梯间的距离；
步骤八：判断是否发生坠落风险，若有坠落风险执行步骤九，否则执行步骤十二；
步骤九：攀爬防护装置机械锁紧启动，防坠器将绳子与机械装置锁死；电子锁紧启动，对机械锁紧进行二次保护，防止引航员发生坠落事故；
步骤十：判断坠落和安全风险是否解除，若坠落风险解除则执行步骤十一，否则返回至步骤五；
步骤十一：机械锁紧和电子锁紧恢复，返回至步骤五；
步骤十二：判断是否到达终点，若到达终点执行步骤十三，否则执行步骤五；
步骤十三：攀爬防护装置从攀爬绳中取出，断开姿态监控装置和攀爬防护装置通信，关闭电源。
本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.引航员登离船自动攀爬跟随防护系统，其特征在于包括姿态监控装置和攀爬防护装置，所述姿态监控装置和所述攀爬防护装置通信连接；
所述姿态监控装置包括姿态监控MCU模块、姿态监控电源管理模块、姿态监测模块、姿态监控通讯传输模块、姿态监控人机交互模块和姿态监控数据存储模块，所述姿态监控电源管理模块、所述姿态监测模块、所述姿态监控通讯传输模块、所述姿态监控人机交互模块、所述姿态监控数据存储模块均与所述姿态监控MCU模块连接；
所述攀爬防护装置包括攀爬防护MCU模块、攀爬防护电源管理模块、攀爬防护电量监测模块、运动监测模块、电机驱动模块、攀爬防护电子锁紧模块、攀爬防护通讯传输模块、攀爬防护人机交互模块和攀爬防护数据存储模块，所述爬防护电源管理模块、所述攀爬防护电量监测模块、所述运动监测模块、所述电机驱动模块、所述攀爬防护电子锁紧模块、所述攀爬防护通讯传输模块、所述攀爬防护人机交互模块、所述攀爬防护数据存储模块均与所述攀爬防护MCU模块连接。
2.根据权利要求1所述的引航员登离船自动攀爬跟随防护系统，其特征在于所述姿态监控电源管理模块与所述姿态监测模块、所述姿态监控通讯传输模块、所述姿态监控人机交互模块、所述姿态监控数据存储模块、所述姿态监控MCU模块连接并供电。
所述姿态监控通讯传输模块为主机蓝牙模块，所述攀爬防护通讯传输模块为从机蓝牙模块。
3.根据权利要求2所述的引航员登离船自动攀爬跟随防护系统，其特征在于所述姿态监控MCU模块和所述攀爬防护装置MCU模块均采用STM32系列微处理器，以ARM Cortex-M0，M0+，M3,M4或M7为内核，具备IIC和SPI总线接口、USART串口接口、ADC采集接口、定时器。
4.根据权利要求2或3所述的引航员登离船自动攀爬跟随防护系统，其特征在于所述姿态监控电源管理模块包括连接的锂电池供电及电量监测单元、充电指示单元，所述锂电池供电及电量监测单元包括连接的5075BMR-05-SM芯片、TP4056芯片和XC6202芯片，所述充电指示单元采用LED-RGB-0603芯片。
5.根据权利要求4所述的引航员登离船自动攀爬跟随防护系统，其特征在于所述姿态监控姿态监测模块采用JY901芯片；所述姿态监控通讯传输模块采用HC-08蓝牙芯片；所述姿态监控装置人机交互模块为液晶显示屏，所述液晶显示屏为0.91寸OLED显示屏；所述姿态监控数据存储模块采用W25X16存储器。
6.根据权利要求1所述的引航员登离船自动攀爬跟随防护系统，其特征在于所述爬防护电源管理模块与所述运动监测模块、所述电机驱动模块、所述攀爬防护电子锁紧模块、所述攀爬防护通讯传输模块、所述攀爬防护人机交互模块、所述攀爬防护数据存储模块均、所述攀爬防护MCU模块连接并供电。
7.根据权利要求2或3所述的引航员登离船自动攀爬跟随防护系统，其特征在于所述攀爬防护电源管理模块包括连接的LM2575D2T-5芯片和AMS1117-3.3V芯片，所述攀爬防护电量监测模块采用LM358芯片，所述攀爬防护电量监测模块与所述蜂鸣报警模块连接，所述攀爬防护人机交互模块包括液晶显示屏和按键模块。
8.根据权利要求7所述的引航员登离船自动攀爬跟随防护系统，其特征在于所述攀爬防护运动监测模块采用JY901为核心芯片；所述电机驱动模块用于驱动两路24V直流电机；所述攀爬防护电子锁紧模块采用MG996R舵机；所述攀爬防护通讯传输模块采用HC-08蓝牙模块和232串口通信端子，所述攀爬防护装置数据存储模块采用W25X16,。
9.根据权利要求5所述的引航员登离船自动攀爬跟随防护系统，其特征在于所述述攀爬防护MCU模块采用STM32F103C8T6芯片，所述STM32F103C8T6芯片通过引脚10对所述锂电池供电及电量监测单元的TP4056芯片的BAT引脚5进行ADC采样；所述STM32F103C8T6芯片通过U2TX引脚12、U2RX引脚13、SDA2引脚14和SCL2引脚15分别与所述姿态监控姿态监测模块的JY901芯片的TX引脚3、RX引脚4、SDA2引脚9和SCL2引脚10连接；所述STM32F103C8T6芯片通过UART TX引脚30、UART RX引脚31分别与所述姿态监控通讯传输模块的HC-08蓝牙芯片的UART TX引脚3、UART RX引脚4连接，所述STM32F103C8T6芯片通过SCL引脚42、SDA引脚43分别与所述OLED显示屏的SCL引脚4、SDA引脚3连接；所述STM32F103C8T6芯片的PB12引脚25、PB13引脚26、PB14引脚27、PB15引脚28与所述姿态监控数据存储模块的W25X16存储器的PB12引脚1、PB13引脚6、PB14引脚2、PB15引脚5连接；
所述TP4056芯片的Vin引脚4连接5075BMR-05-SM芯片的VCC引脚1,所述TP4056芯片的FAULT引脚6和CHRG引脚7分别通过电阻R4和电阻R3连接所述LED-RGB-0603芯片的G引脚2和R引脚1，所述TP4056芯片的TEMP引脚1连接热敏电阻NTC1接地，所述TP4056芯片的CE引脚8连接总线并通过电阻1和电阻5接地，所述热敏电阻NTC1和所述电阻5并联；
所述TP4056芯片BAT引脚5通过PMOS管连接所述XC6202芯片的Vin引脚2，所述XC6202芯片的Vss引脚3接地，所述XC6202芯片的Vout引脚1通过电阻R2和激光二级管LD1接地，所述XC6202芯片的Vss引脚3和Vout引脚1间连接电容C2，所述XC6202芯片的Vss引脚3和Vin引脚2间连接电容C1；
优选地，所述攀爬防护装置MCU模块采用STM32F103C8T6芯片，所述STM32F103C8T6芯片通过引脚10对所述攀爬防护电量监测模块的LM358芯片的BAT引脚5进行ADC电平采集连接；
所述STM32F103C8T6芯片通过SDA2引脚14和SCL2引脚11分别与所述所述攀爬防护运动监测模块的JY901芯片的SDA2引脚9和SCL2引脚10连接；
所述STM32F103C8T6芯片通过U2TX引脚12、U2RX引脚13与所述232串口通讯端子的KF128-3P的U2TX引脚1、U2RX引脚2连接；
所述STM32F103C8T6芯片通过UART TX引脚30、UART RX引脚31分别与所述攀爬防护通讯传输模块的HC-08蓝牙芯片的UART TX引脚3、UART RX引脚4连接；
所述STM32F103C8T6芯片通过DS1302 SCK引脚15、DS1302 CE引脚16、DS1302 IO引脚17分别与时钟显示模块的DS1302芯片的DS1302 SCK引脚7、DS1302 CE引脚6、DS1302 IO引脚5连接；
所述STM32F103C8T6芯片的PB12引脚25、PB13引脚26、PB14引脚27、PB15引脚28与所述攀爬防护装置数据存储模块的W25X16存储器的PB12引脚1、PB13引脚6、PB14引脚2、PB15引脚5连接；
所述STM32F103C8T6芯片的PMW引脚29连接舵机驱动模块的SN74LVC245ADBRG4芯片的PMW引脚2连接；舵机驱动模块的SN74LV245ADBRG4芯片连接MG996R舵机；
所述STM32F103C8T6芯片通过D0引脚32、D1引脚33、DC引脚41分别与所述OLED显示屏的D0引脚3、D1引脚4、DC引脚6连接；
所述STM32F103C8T6芯片通过ENA引脚42、ENB引脚43、IN1引脚45、IN2引脚46、IN3引脚21、IN4引脚22分别与电子端子Header8的ENA引脚5、ENB引脚6、IN1引脚4、IN2引脚3、IN3引脚2、IN4引脚1连接。
10.应用根据权利要求1-9任一所述的引航员登离船自动攀爬跟随防护系统的引航员登离船自动攀爬跟随防护方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：攀爬绳与船体固定；
步骤二：姿态监控装置佩戴于人体腰间，使用安全绳将攀爬防护装置和人体相连；
步骤三：使姿态监控装置和攀爬防护装置相互间通信连通；
步骤四：根据高挂低用原则，将攀爬防护装置置于人体的上方；
步骤五：人体沿着软梯移动，姿态监控装置监测人体运动状态；
步骤六：判断人体是否爬升或下降完一阶软梯，若爬升或下降完一阶软梯则执行步骤七，否则返回步骤五；
步骤七：姿态监控装置发送步数信息至攀爬防护装置，攀爬防护装置移动距离s0；其中s0为两节软梯间的距离；
步骤八：判断是否发生坠落风险，若有坠落风险执行步骤九，否则执行步骤十二；
步骤九：攀爬防护装置机械锁紧启动，防坠器将绳子与机械装置锁死；电子锁紧启动，对机械锁紧进行二次保护，防止引航员发生坠落事故；
步骤十：判断坠落和安全风险是否解除，若坠落风险解除则执行步骤十一，否则返回至步骤五；
步骤十一：机械锁紧和电子锁紧恢复，返回至步骤五；
步骤十二：判断是否到达终点，若到达终点执行步骤十三，否则执行步骤五；
步骤十三：攀爬防护装置从攀爬绳中取出，断开姿态监控装置和攀爬防护装置通信，关闭电源。
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