CN109956019A - 带有自动导航安全辅助系统的农用无人空气动力船及导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有自动导航安全辅助系统的农用无人空气动力船及导航方法，属于农业机械技术领域。农用无人空气动力船包括船体，还包括对船体进行远程监控与无线控制的岸基设备；船体上设有：动力单元、施药单元、定位系统以及船载控制器。通过尾舵控制船体的行进方向。通过输液管将药箱中的肥料或除草剂等药液输出并流入水田中，优选在输液管上设有节流阀用来控制药液的流量，同时，药箱的开口处封有药箱盖，以防船体在行进过程中摇晃药箱以使药液溅出。船体上具有为发动机提供燃油的油箱。船载控制器根据船体的实时位置信息和航向信息与目标路径及期望航向进行比对，计算确定油门舵机、螺旋桨舵机和尾舵舵机的角度值，并对船体进行导航控制。

Description

带有自动导航安全辅助系统的农用无人空气动力船及导航 方法

技术领域

本发明涉及农业机械技术领域，具体地说，涉及一种带有自动导航安全辅助系统的农用无人空气动力船及导航方法。

背景技术

空气动力船是一种硬质平底船，其与传统船舶的最大区别特点是没有水下动力装置和水下转向装置。空气动力船是基于空气动力学原理，利用置于船体上部的内燃机或电动机带动空气螺旋桨产生推动力，并由船体后部的尾舵控制方向。该类船吃水深度极浅，机动性高，目前主要应用于滩涂沼泽，湿地浅滩，冰雪湖面和漂浮物多、水底情况复杂的水域，鲜有应用于工农业生产及科学研究领域的产品。

该种应用于稻田环境的无人空气动力船均采用2.4G Hz的无线遥控设备，由操作员进行现场控制，实施施肥或除草作业。为保证作业的顺利进行，需要对操作员进行长期的专业培训。此外，在大区块的稻田环境下，当作业中的无人船超出操作员的视距范围后，操作员将无法判断无人船的位置，姿态等信息。造成作业路径无法控制，酿成重复撒药，重复施肥，甚至碰撞事故等极端险情。

发明内容

本发明的目的为提供一种带有自动导航安全辅助系统的农用无人空气动力船及导航方法，可准确判断船体的位置信息并控制船体根据预设路线稳定航行。

为了实现上述目的，本发明提供的带有自动导航安全辅助系统的农用无人空气动力船包括船体，还包括对船体进行远程监控和无线控制的岸基设备；船体上设有：

动力单元，包括发动机、与所述发动机的输出轴相连的空气螺旋桨以及用于控制船体航行方向的尾舵；

施药单元，包括药箱以及与药箱相连的输液管；

定位系统，用于获取船体的实时位置信息和航向信息；

船载控制器，根据船体的实时位置信息和航向信息与目标路径及期望航向进行比对，计算确定油门舵机、螺旋桨舵机和尾舵舵机的角度值，并对船体进行导航控制。

上述技术方案中，通过尾舵控制船体的行进方向。通过输液管将药箱中的肥料或除草剂等药液输出并流入水田中，优选在输液管上设有节流阀用来控制药液的流量，同时，药箱的开口处封有药箱盖，以防船体在行进过程中摇晃药箱以使药液溅出。另外，船体上还具有为发动机提供燃油的油箱。

通过定位系统获取船体的实时位置信息和航向信息，通过控制系统计算确定所连接的油门舵机、扇叶舵机和尾舵舵机的角度值。无线通信系统为3G/4G 模块，将船体的实时状态包括船速，导航误差，任务完成情况发送给岸基设备的处理器，供作业员远程监控。

具体的方案为空气螺旋桨的两扇叶通过凸轮连杆机构连接到舵机上，以控制两扇叶的倾斜角度。扇叶倾斜角度的大小可以在发动机转速不变的情况下，改变风力的大小；扇叶倾斜角度的正反可以改变风力的方向，进而控制船的前进和后退。

更具体的方案为凸轮连杆机构包括分别与空气螺旋桨的两片扇叶相连的第一支架和第二支架、套设在发动机的机架上的凸轮以及安装在发动机的输出轴上的轴承；第一支架和第二支架连接在轴承的内圈上；凸轮上铰接有第一连杆，该第一连杆的一端铰接在轴承的外圈上，另一端通过与其铰接的第二连杆连接舵机输出端。

轴承可以沿发动机输出轴的轴向进行移动，第一支架和第二支架的一端分别连接两扇叶，另一端固定在轴承的内圈上，扇叶在发动机的带动下旋转并带动轴承的内圈旋转，轴承的外圈相对发动机的机架静止。舵机带动第二连杆移动，进而带动第一连杆绕连接凸轮的中端摆动，从而使铰接在轴承的外圈上的一端沿发动机输出轴的轴向移动，并带动轴承移动，实现改变扇叶的倾斜角度。

另一个更具体的方案为发动机上安装有用于探测发动机转速的磁传感器。

另一个具体的方案为岸基设备具有无线紧急制动器，与设置在船体的无线紧急制动器接收机配合实现迅速关停发动机，避免发生碰撞等危险事故；还具有与设置在船体上的遥控器接收机配合使用的遥控器，在GPS信号不好时实现人工对船体进行远程操作。

本发明提供的带有自动导航安全辅助系统的农用无人空气动力船的导航方法包括以下步骤：

步骤1)开始并跟随第P_i条路径，初始时i＝1；

步骤2)利用船载定位系统，获取当前位置信息和航向信息；

步骤3)判断在前视距离为d时，是否与期望路径有交点，若有交点，则执行步骤4)，否则，执行步骤5)；

步骤4)按照PD控制操舵角对船体进行航行控制；

步骤5)控制尾舵转最大角度，以使船体尽快返回期望路径；

步骤6)根据船体的当前位置和路径末端的端点位置，判断是否结束当前路径的导航，若结束，执行步骤7)，否则，执行步骤8)；

步骤7)转弯进入下一条路径进行导航，使i＝i+1；

步骤8)继续在本路径上执行步骤2)～步骤5)；

步骤9)根据路径条数，判断是否完成所有路径导航，若完成，则结束导航；若未完成，则按照步骤6)继续导航。

一个优选的方案为，步骤3)中判断前视距离与期望路径是否有交点的方法为：

设期望路径为y＝ax+b，根据所获取的船体当前位置(x₀,y₀)计算交点 (x_los，y_los)的位置，公式如下

其中，A_los＝(a²+1)，B_los＝2a(b-y₀-2x₀)， a是期望路径的斜率，b是期望路径的截距；

当船体的当前位置(x₀,y₀)到期望路径y＝ax+b的距离小于d时，则有交点，当距离大于d时，则无交点。

另一个优选的方案为，步骤4)中PD控制方法如下：

船的期望航向角计算公式为

航向差为

其中，是利用定位系统获取的实时航向角信息，

则PD控制的操舵角为

其中，k_p是PD控制比例因子；k_d是PD控制微分因子；δ_t是输出操舵角；和分别是t时刻和t-1时刻的航向差。

以上导航方法基于上述带有自动导航安全辅助系统的农用无人空气动力船实现。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过计算船体的操舵角控制船体的航向，并实时对船体进行分析，使船体沿预设路径航行，从而避免重复撒药或重复施肥所造成的浪费。

附图说明

图1为本发明实施例的农用无人空气动力船的示意图；

图2为本发明实施例的农用无人空气动力船的空气螺旋桨与舵机的连接结构图；

图3为本发明实施例的农用无人空气动力船的自动导航安全辅助系统的硬件支持示意图；

图4为本发明实施例的导航分析图；

图5为本发明实施例的农用无人空气动力船的导航流程图。

其中，1、船体；2、药箱；3、药箱盖；4、输液管；5、节流阀；6、定位系统；7、船载控制器；8、油箱；9、机架；10、发动机；11、空气螺旋桨； 111、第一支架；112、第二支架；113、轴承；114、第一连杆；115、凸轮； 116、第二连杆；117、舵机；12、尾舵。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

农用无人空气动力船实施例

参见图1至图3，本实施例的农用无人空气动力船包括船体1和岸基设备。其中，岸基设备对船体1进行远程监控与无线控制，包括岸基计算机、遥控器和无线紧急制动器，无线紧急制动器与设置在船体上的无线紧急制动器接收机配合实现迅速关停船体1上的发动机，遥控器与设置在船体1上的遥控器接收机配合使用实现人工对船体1进行远程操作。

船体1上设有动力单元、施药单元、定位系统6以及船载控制器7。

动力单元包括安装在船体1后部的发动机10、与发动机10的输出轴相连的空气螺旋桨11以及设置在船体尾部的尾舵12。船体1上设有用于安装发动机10的机架9，发动机10的燃油通过油箱8提供，且发动机10上安装有磁传感器用于探测发动机10的转速。发动机10提供输出动力，带动空气螺旋桨 11转动产生推力，并由尾舵12控制船体行走方向。

空气螺旋桨11包含两个可变换倾斜角度的扇叶，两扇叶通过凸轮连杆机构连接到舵机117上。本实施例的凸轮连杆机构包括分别与空气螺旋桨11的两片扇叶相连的第一支架111和第二支架112、套设在发动机10的机架上的凸轮115以及安装在发动机10的输出轴上的轴承113。第一支架111和第二支架112连接在轴承113的内圈上，凸轮115上铰接有第一连杆114，该第一连杆114的一端铰接在轴承113的外圈上，另一端通过与其铰接的第二连杆116 连接舵机117的输出端。

轴承113可以沿发动机10的输出轴的轴向进行移动，第一支架111和第二支架112的一端分别连接两扇叶，另一端固定在轴承113的内圈上，扇叶在发动机10的带动下旋转并带动轴承113的内圈旋转，轴承的外圈相对发动机 10的机架静止。舵机117带动第二连杆116移动，进而带动第一连杆114绕连接凸轮115的中端摆动，从而使铰接在轴承113的外圈上的一端沿发动机 10输出轴的轴向移动，并带动轴承113移动，实现改变扇叶的倾斜角度。倾斜角度的大小可以在发动机10转速不变的情况下，改变风力的大小；倾斜角度的正反可以改变风力的方向，进而控制船体1的前进和后退。

施药单元包括药箱2和输液管4，药箱2位于船体的中部，其内装入适量的用于施肥或除草的药液，上部采用药箱盖3封住以避免药箱2在摇晃过程中将药液溅出。输液管4与药箱2相连，其出口处设有节流阀5，药液可以通过输液管4流入水田，节流阀5用来控制药液的流量。

船载控制器7根据船体1的实时位置信息和航向信息与目标路径及期望航向进行比对，计算确定油门舵机、螺旋桨舵机和尾舵舵机的角度值，并对船体 1进行导航控制，参见图4和图5，该导航控制方法包括以下步骤：

步骤1)开始并跟随第P_i条路径，初始时i＝1；

步骤2)利用船载定位系统，获取当前位置信息和航向信息；

步骤3)判断在前视距离为d时，是否与期望路径有交点，若有交点，则执行步骤4)，否则，执行步骤5)；

判断前视距离与期望路径是否有交点的方法为：

设期望路径为y＝ax+b，根据所获取的船体当前位置(x₀,y₀)计算交点 (x_los，y_los)的位置，公式如下

其中，A_los＝(a²+1)，B_los＝2a(b-y₀-2x₀)， a是期望路径的斜率，b是期望路径的截距；

当船体的当前位置(x₀,y₀)到期望路径y＝ax+b的距离小于d时，则有交点，当距离大于d时，则无交点；

步骤4)按照PD控制操舵角对船体进行航行控制；

PD控制方法如下：

船的期望航向角计算公式为

航向差为

其中，是利用定位系统获取的实时航向角信息，

则PD控制的操舵角为

其中，k_p是PD控制比例因子；k_d是PD控制微分因子；δ_t是输出操舵角；和分别是t时刻和t-1时刻的航向差；

步骤5)控制尾舵转最大角度，以使船体尽快返回期望路径；

步骤6)根据船体的当前位置和路径末端的端点位置，判断是否结束当前路径的导航，若结束，执行步骤7)，否则，执行步骤8)；

步骤7)转弯进入下一条路径进行导航，使i＝i+1；

步骤8)继续在本路径上执行步骤2)～步骤5)；

步骤9)根据路径条数，判断是否完成所有路径导航，若完成，则结束导航；若未完成，则按照步骤6)继续导航。

通过定位系统获取船体的实时位置信息和航向信息，通过控制系统计算确定所连接的油门舵机、扇叶舵机和尾舵舵机的角度值。无线通信系统优选为 3G/4G模块，将船体的实时状态包括船速，导航误差，任务完成情况发送给岸基设备的处理器，供作业员远程监控。当出现紧急情况时，岸基侧的无线紧急制动器与船载无线紧急制动器接收机配合使用，可以迅速关停发动机，避免发生碰撞等危险事故。

导航方法实施例

本实施例的导航方法已经包含在农用无人空气动力船实施例中，此处不再赘述。

Claims (8)

1.一种带有自动导航安全辅助系统的农用无人空气动力船，包括船体，其特征在于，还包括对船体进行远程监控和无线控制的岸基设备；

所述船体上设有：

动力单元，包括发动机、与所述发动机的输出轴相连的空气螺旋桨以及用于控制船体航行方向的尾舵；

施药单元，包括药箱以及与药箱相连的输液管；

定位系统，用于获取船体的实时位置信息和航向信息；

船载控制器，根据船体的实时位置信息和航向信息与目标路径及期望航向进行比对，计算确定油门舵机、螺旋桨舵机和尾舵舵机的角度值，并对船体进行导航控制。

2.根据权利要求1所述的农用无人空气动力船，其特征在于：

所述的空气螺旋桨的两扇叶通过凸轮连杆机构连接到舵机上，以控制两扇叶的倾斜角度。

3.根据权利要求2所述的农用无人空气动力船，其特征在于：

所述的凸轮连杆机构包括分别与所述空气螺旋桨的两片扇叶相连的第一支架和第二支架、套设在所述发动机的机架上的凸轮以及安装在所述发动机的输出轴上的轴承；

所述第一支架和第二支架连接在所述轴承的内圈上；

所述凸轮上铰接有第一连杆，该第一连杆的一端铰接在所述轴承的外圈上，另一端通过与其铰接的第二连杆连接所述的舵机输出端。

4.根据权利要求2所述的农用无人空气动力船，其特征在于：

所述的发动机上安装有用于探测发动机转速的磁传感器。

5.根据权利要求1所述的农用无人空气动力船，其特征在于：

所述的岸基设备具有无线紧急制动器，与设置在船体上的无线紧急制动器接收机配合实现迅速关停发动机；

还具有与设置在船体上的遥控器接收机配合使用的遥控器，实现人工对船体进行远程操作。

6.一种带有自动导航安全辅助系统的农用无人空气动力船的导航方法，其特征在于，包括：

步骤1)开始并跟随第P_i条路径，初始时i＝1；

步骤2)利用船载定位系统，获取当前位置信息和航向信息；

步骤3)判断在前视距离为d时，是否与期望路径有交点，若有交点，则执行步骤4)，否则，执行步骤5)；

步骤4)按照PD控制操舵角对船体进行航行控制；

步骤5)控制尾舵转最大角度，以使船体尽快返回期望路径；

步骤6)根据船体的当前位置和路径末端的端点位置，判断是否结束当前路径的导航，若结束，执行步骤7)，否则，执行步骤8)；

步骤7)转弯进入下一条路径进行导航，使i＝i+1；

步骤8)继续在本路径上执行步骤2)～步骤5)；

步骤9)根据路径条数，判断是否完成所有路径导航，若完成，则结束导航；若未完成，则按照步骤6)继续导航。

7.根据权利要求6所述的导航方法，其特征在于，步骤3)中判断前视距离与期望路径是否有交点的方法为：

设期望路径为y＝ax+b，根据所获取的船体当前位置(x₀,y₀)计算交点(x_los，y_los)的位置，公式如下

其中，A_los＝(a²+1)，B_los＝2a(b-y₀-2x₀)， a是期望路径的斜率，b是期望路径的截距；

当船体的当前位置(x₀,y₀)到期望路径y＝ax+b的距离小于d时，则有交点，当距离大于d时，则无交点。

8.根据权利要求6所述的导航方法，其特征在于，步骤4)中PD控制方法如下：

船的期望航向角计算公式为

航向差为

其中，是利用定位系统获取的实时航向角信息，

则PD控制的操舵角为

其中，k_p是PD控制比例因子；k_d是PD控制微分因子；δ_t是输出操舵角；和分别是t时刻和t-1时刻的航向差。