CN110239676B - 一种实现自动控制进出港的科学考察船 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现自动控制进出港的科学考察船，包括船体，在船体上设置有用于控制自动进出港的控制系统，控制系统包括测量部分、控制部分，控制部分包括控制器，以及分别与控制器连接的用于驱动船舶航行的手动控制单元及自动控制单元，以及计算机软件系统，在港口或码头上设置有用于实时监测船舶逐渐靠近距离的激光定位系统，当实际船位参数达到预先设定的自动控制船舶移位的距离参数时，发送驱动船舶自动移位的信号至自动控制单元，同时发送停止手动操控的信号至手动控制单元，控制船舶自动平稳停靠至预先设定停靠点。本发明通过实时信号反馈，能够做到对主推进器及侧推进器的精准控制，实现了船舶最终停靠位置的准确性。

Description

一种实现自动控制进出港的科学考察船

技术领域

本发明涉及船舶控制技术领域，尤其涉及一种实现自动控制进出港的科学考察船。

背景技术

船舶抵离港需要进行系离泊作业，这项工作具有一定的风险性,属于船舶关键操作。现有轮船的停泊，有的需要引航人员指挥，有的需要具有丰富经验的船长完成，没有一个统一的停泊方式，而在汽车行业中，汽车的停靠通过超声波来监测、通过左右视镜来完成停靠，但是船舶比汽车更大，而且汽车的停靠方式只能运用于近距离，其周边的停靠环境简单，而船舶停泊离码头的距离较远，通过这种类似于汽车的方式无法达到要求，并且船舶在停靠过程中还需考虑风浪流，如风的风速，水的流速等。传统的船舶靠码头一般是船长运用良好的船艺，提前摆好船位、找好入泊角度、控制好船速等，利用车、舵、拖轮、侧推、锚和缆绳等的配合才能顺利靠上码头。目前大多数船舶还是船长操控，靠码头时是船头、船尾轮流更靠近于码头，不停的控制螺旋桨的正转、反转，并操作舵的方向，使船头、船尾分别靠近码头，多次移动后，靠惯性做最后的停靠，实际上所有的船只在一定意义上都是依靠船舶在水中的惯性，并依靠舵的干预来实现的，大型船舶，位置不好的港口，船舶靠港需要花上相当长的时间。而且对与停船操作人员的经验要求极高，这里面对船长、引水的经验，特别是一些气象情况不良的情况下，这种靠泊方案受到的影响非常大。若由于船长技术不到位，对挂靠港口水文、气象等情况不熟悉，靠泊期间虽然使用了拖轮助拖，但由于指挥不当，船舶靠泊时船首与码头装卸桥吊相撞的事故。码头泊位前方虽然安装了一些防撞碰垫，由于船舶的惯性力远大于陆地上的汽车，制动性能依然比较差，在靠泊时，由于速度控制不当，造成船舶与码头接触时仍有巨大的撞击力，造成严重的后果。特别是海况不良时，在海上也发生了一些船与码头相撞的事故。

随着智能化越来越多地应用到各行各业，船舶智能化也成为是当前船舶、航运领域的创新课题，如何实现船舶的自动靠泊码头是其中关键技术之一。船舶智能化的现有技术中，无人艇的无人操控技术还是比较先进的，虽然有一些机械臂抓取的靠泊方式，但是靠泊岸边时还是少不了人工的参与，当船舶靠岸时，一般还是需要人工操作系缆、停泊。CN207529224 U公开了一种船舶自动靠泊系统，采用各方位的摄像头将码头停靠边沿的实时情况传达至控制系统，由控制系统根据码头情况对应相关参数，由控制系统调节推进系统的运行轨迹，以实现自动靠泊功能CN 107672745 A公开了一种船舶自动系泊装置及船舶，其中，所述船舶自动系泊装置包括固定柱、系泊组件、驱动装置以及控制器，固定柱具有朝前的台阶部；系泊组件包括安装筒和多个卡爪，多个卡爪的一端可翻转地安装于安装筒的前端，具有相互靠近的卡持位置以及相互远离的解扣位置，当处于卡持位置时，多个卡爪用以与固定柱的台阶部卡持，以使得系泊组件与固定柱固定，当处于解扣位置时，多个卡爪用以与固定柱解扣；驱动装置安装于安装筒，且驱动多个卡爪翻转，以使得多个卡爪在所述卡持位置和解扣位置之间切换；控制器与所述驱动装置电性连接，控制驱动装置运转。CN204825794 U一种船舶自动靠泊装置。主要解决船舶在靠泊时，时间长，成本高，效率低以及安全性低的技术问题。其特征在于，所述码头泊位上设有依次分布的前部电磁铁、中部电磁铁以及后部电磁铁，还包括控制前部电磁铁、中部电磁铁以及后部电磁铁通电或断电的控制机构，所述前部电磁铁、中部电磁铁以及后部电磁铁分别与船舶的首部、中部以及尾部磁吸配合。只需要接通电磁铁的电源，该电磁铁便会产生强大的磁性，依靠磁性吸引船体靠上码头。

上述专利记载了与自动靠泊有关的现有技术，由上述公开的技术可知，由于船舶在靠岸时，风速、水流及风浪对船舶的影响是最大的，而且风速、水流及风浪实时变化，在这种情况下，无论采用信号检测、磁力控制还是卡爪辅助，均不能够实现对船舶靠岸时快速、安全、平稳的精准控制，也无法做到完全脱离人为操作实现自动化进出港，这成为了目前制约船舶快速、安全、平稳进出港的一大难题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种实现手动、自动配合控制，确保船舶快速、安全、平稳进出港的实现自动控制进出港的科学考察船。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种实现自动控制进出港的科学考察船，包括具有动力部分及推力器部分的船体，推力器部分包括分别设置在船艉及船艏的主推进器及侧推进器，在船体上设置有用于控制自动进出港的控制系统，所述控制系统包括测量部分、控制部分，所述测量部分包括一用于采集船舶艏向信号的电罗经，一用于采集船舶所处环境风向风速信号的风速风向仪，一用于接收卫星定位信号的差分全球定位系统，其特征在于：所述控制部分包括控制器，以及分别与控制器连接的用于驱动船舶航行的手动控制单元及自动控制单元，以及分别与控制器相连的用于将测量部分采集的信息进行处理并将控制指令输出至推力器部分以实现预定的船舶艏向控制、定位控制或运动控制的计算机软件系统，在港口或码头上设置有与所述控制部分通过无线信号连接的用于实时监测船舶逐渐靠近距离的激光定位系统，当船舶驶入靠泊区域时，预先设定停靠点的船位坐标参数及自动控制船舶移位的距离参数，启动手动控制单元并操控船舶向船舶停靠点方向快速航行，当船舶航行至接近码头时，测量部分发送船舶实际船位信号至控制器，同时激光定位系统发送船舶逐渐靠近码头距离的实际参数的信号至控制器，控制器通过信号比较，当实际船位参数达到预先设定的自动控制船舶移位的距离参数时，发送驱动船舶自动移位的信号至自动控制单元，同时发送停止手动操控的信号至手动控制单元，结合测量部分收到的风、浪、流实时信息，对主推进器和/或侧推进器发送启动信号，改变船舶位置或艏向，在平衡作用于船舶的扰动力和扰动力矩的前提下，控制船舶自动平稳停靠至预先设定停靠点。

上述的实现自动控制进出港的科学考察船，所述激光定位系统沿船舶停靠方向在码头或港口依次设置多个。

上述的实现自动控制进出港的科学考察船，所述控制器发送驱动船舶自动移位的信号至自动控制单元后，计算机软件系统通过比较器连续地对测量部分传输来的风、浪、流等实时数据信号与预先设定停靠点的船位坐标参数进行综合比较，在得出一个作用在船舶上实时变化的矢量外力或者误差值后，控制器根据矢量外力或误差值、设定指标不断地进行运算，自动计算并生成到达设定地点的航行轨迹，同时对主推进器及侧推进器发出推进指令，使各推进器产生的矢量合推力随着矢量外力的变化而变化使船舶的推力与外作用力成为一个平衡的状态，精确地按预定轨迹低速移动。

上述的实现自动控制进出港的科学考察船，所述手动控制单元包括一用于实现船舶的前后、左右及瞬间位移的手动操纵杆，手动操纵杆通过位移模拟输入单元与控制器信号连接，还包括一当手动操纵杆将位移信号输入位移模拟输入单元时发送信号至控制器，控制器发送暂停信号至自动控制单元的自动控制模式切换模块，所述手动控制模式切换模块与控制器信号连接。

上述的实现自动控制进出港的科学考察船，所述自动控制单元包括移动参数输入模块，所述移动参数输入模块与控制器信号连接，还包括一当移动参数输入至参数输入模块时发送信号至控制器，控制器发送暂停信号至手动控制单元的手动控制模式切换模块，所述手动控制模式切换模块与控制器信号连接。

上述的实现自动控制进出港的科学考察船，所述电罗经采集到船舶艏向信号后发送至控制器，计算机软件系统通过实际航向与设定航向的比较产生控制信号输出到推进器，使推进器动作，保持船舶实际航向与设定航向之间的偏差最小，进行航向控制。

本发明实现自动控制进出港的科学考察船的优点是：本发明采用远距离手动控制船舶航行，近距离自动、平稳靠岸的控制方式，在远距离航行时可提高船速，有效缩短了船舶靠岸时间，近距离靠岸采用动力定位系统辅助，能够实现船舶位置、方向上的准确性，在风、浪、流的影响下，可有效确保船舶平稳的靠近码头，通过激光定位系统的辅助定位，弥补了差分全球定位系统当信号不稳定时无法控制船舶自动靠岸的问题，使得控制更加精准、安全，同时激光定位系统可检测到船舶艏、艉在靠近码头时的实际距离参数，通过实时信号反馈，能够做到对主推进器及侧推进器的精准控制，实现了船舶最终停靠位置的准确性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为控制系统的电路结构框图；

图3为本发明船舶自动进港示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明；

如图1、2、3所示，一种实现自动控制进出港的科学考察船，包括具有动力部分及推力器部分的船体1，推力器部分包括分别设置在船艉2及船艏3的主推进器4及侧推进器5，在船体上设置有用于控制自动进出港的控制系统，控制系统包括测量部分、控制部分，测量部分包括一用于采集船舶艏向信号的电罗经，一用于采集船舶所处环境风向风速信号的风速风向仪，一用于接收卫星定位信号的差分全球定位系统。其中，控制部分包括控制器，以及分别与控制器连接的用于驱动船舶航行的手动控制单元及自动控制单元，手动控制单元包括一用于实现船舶的前后、左右及瞬间位移的手动操纵杆，手动操纵杆通过位移模拟输入单元与控制器信号连接，还包括一当手动操纵杆将位移信号输入位移模拟输入单元时发送信号至控制器，控制器发送暂停信号至自动控制单元的自动控制模式切换模块，所述手动控制模式切换模块与控制器信号连接。自动控制单元包括移动参数输入模块，所述移动参数输入模块与控制器信号连接，还包括一当移动参数输入至参数输入模块时发送信号至控制器，控制器发送暂停信号至手动控制单元的手动控制模式切换模块，所述手动控制模式切换模块与控制器信号连接。

本发明还包括一分别与控制器相连的用于将测量部分采集的信息进行处理并将控制指令输出至推力器部分以实现预定的船舶艏向控制、定位控制或运动控制的计算机软件系统，在港口或码头上设置有与所述控制部分通过无线信号连接的用于实时监测船舶逐渐靠近距离的激光定位系统6，本发明中，为获取船舶靠港时更加准确的船舶位置距离信息，激光定位系统6沿船舶停靠方向在码头或港口7依次设置多个。

控制器发送驱动船舶自动移位的信号至自动控制单元后，计算机软件系统通过比较器连续地对测量部分传输来的风、浪、流等实时数据信号与预先设定停靠点的船位坐标参数进行综合比较，在得出一个作用在船舶上实时变化的矢量外力或者误差值后，控制器根据矢量外力或误差值、设定指标不断地进行运算，自动计算并生成到达设定地点的航行轨迹，同时对主推进器4及侧推进器5发出推进指令，使各推进器产生的矢量合推力随着矢量外力的变化而变化使船舶的推力与外作用力成为一个平衡的状态，精确地按预定轨迹低速移动。电罗经采集到船舶艏向信号后发送至控制器，计算机软件系统通过实际航向与设定航向的比较产生控制信号输出到推进器，使推进器动作，保持船舶实际航向与设定航向之间的偏差最小，进行航向控制。

具体靠港时，当船舶驶入靠泊区域，预先设定停靠点的船位坐标参数及自动控制船舶移位的距离参数，启动手动控制单元并操控船舶向船舶停靠点方向快速航行，当船舶航行至接近码头时，测量部分发送船舶实际船位信号至控制器，同时激光定位系统6发送船舶逐渐靠近码头距离的实际参数的信号至控制器，控制器通过信号比较，当实际船位参数达到预先设定的自动控制船舶移位的距离参数时，发送驱动船舶自动移位的信号至自动控制单元，同时发送停止手动操控的信号至手动控制单元，结合测量部分收到的风、浪、流实时信息，对主推进器4和/或侧推进器5发送启动信号，改变船舶位置或艏向，在平衡作用于船舶的扰动力和扰动力矩的前提下，控制船舶自动平稳停靠至预先设定停靠点。

上述技术方案记载了船舶进港的控制系统及方法，当然，船舶在出港时，同样可以根据最终目的地及航向，预先设定所要驶出的方位，根据预先设定的方位对船舶采用先自动后手动控制的方式，实现船舶安全出港。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种实现自动控制进出港的科学考察船，包括具有动力部分及推力器部分的船体，推力器部分包括分别设置在船艉及船艏的主推进器及侧推进器，在船体上设置有用于控制自动进出港的控制系统，所述控制系统包括测量部分、控制部分，所述测量部分包括一用于采集船舶艏向信号的电罗经，一用于采集船舶所处环境风向风速信号的风速风向仪，一用于接收卫星定位信号的差分全球定位系统，其特征在于：所述控制部分包括控制器，以及分别与控制器连接的用于驱动船舶航行的手动控制单元及自动控制单元，以及分别与控制器相连的用于将测量部分采集的信息进行处理并将控制指令输出至推力器部分以实现预定的船舶艏向控制、定位控制或运动控制的计算机软件系统，在港口或码头上设置有与所述控制部分通过无线信号连接的用于实时监测船舶逐渐靠近距离的激光定位系统，当船舶驶入靠泊区域时，预先设定停靠点的船位坐标参数及自动控制船舶移位的距离参数，启动手动控制单元并操控船舶向船舶停靠点方向快速航行，当船舶航行至接近码头时，测量部分发送船舶实际船位信号至控制器，同时激光定位系统发送船舶逐渐靠近码头距离的实际参数的信号至控制器，控制器通过信号比较，当实际船位参数达到预先设定的自动控制船舶移位的距离参数时，发送驱动船舶自动移位的信号至自动控制单元，同时发送停止手动操控的信号至手动控制单元，结合测量部分收到的风、浪、流实时信息，对主推进器和/或侧推进器发送启动信号，改变船舶位置或艏向，在平衡作用于船舶的扰动力和扰动力矩的前提下，控制船舶自动平稳停靠至预先设定停靠点。

2.根据权利要求1所述的实现自动控制进出港的科学考察船，其特征是：所述激光定位系统沿船舶停靠方向在码头或港口依次设置多个。

3.根据权利要求1所述的实现自动控制进出港的科学考察船，其特征是：所述控制器发送驱动船舶自动移位的信号至自动控制单元后，计算机软件系统通过比较器连续地对测量部分传输来的风、浪、流等实时数据信号与预先设定停靠点的船位坐标参数进行综合比较，在得出一个作用在船舶上实时变化的矢量外力或者误差值后，控制器根据矢量外力或误差值、设定指标不断地进行运算，自动计算并生成到达设定地点的航行轨迹，同时对主推进器及侧推进器发出推进指令，使各推进器产生的矢量合推力随着矢量外力的变化而变化使船舶的推力与外作用力成为一个平衡的状态，精确地按预定轨迹低速移动。

4.根据权利要求1所述的实现自动控制进出港的科学考察船，其特征是：所述手动控制单元包括一用于实现船舶的前后、左右及瞬间位移的手动操纵杆，手动操纵杆通过位移模拟输入单元与控制器信号连接，还包括一当手动操纵杆将位移信号输入位移模拟输入单元时发送信号至控制器，控制器发送暂停信号至自动控制单元的自动控制模式切换模块，所述手动控制模式切换模块与控制器信号连接。

5.根据权利要求1所述的实现自动控制进出港的科学考察船，其特征是：所述自动控制单元包括移动参数输入模块，所述移动参数输入模块与控制器信号连接，还包括一当移动参数输入至参数输入模块时发送信号至控制器，控制器发送暂停信号至手动控制单元的手动控制模式切换模块，所述手动控制模式切换模块与控制器信号连接。

6.根据权利要求1所述的实现自动控制进出港的科学考察船，其特征是：所述电罗经采集到船舶艏向信号后发送至控制器，计算机软件系统通过实际航向与设定航向的比较产生控制信号输出到推进器，使推进器动作，保持船舶实际航向与设定航向之间的偏差最小，进行航向控制。

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