CN110471416A - 基于rtk高精度定位的无人船控制系统 - Google Patents

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张安民
徐唐进
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Tianjin University
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/0206—Control of position or course in two dimensions specially adapted to water vehicles

Abstract

本发明涉及船舶智能控制系统技术领域，尤其涉及一种基于RTK高精度定位的无人船控制系统，包括电源模块、GNSS天线、主控制模块、导航定位定向系统、无线数传模块、数传地面基站、工控机、网桥模块、遥控器接收机以及无人船地面站；所述导航定位定向系统通过数据传输单元DTU接受来自岸上基准站的数据，还要利用船上所述GNSS天线采集GPS观测数据，在所述导航定位定向系统内组成差分观测值进行实时处理，给出厘米级定位结果。本发明可利用无人船地面站进行切换遥控模式，防止无人船自主系统故障或失电时，通过遥控模式进行控制，提高无人船航行可靠性。

Description

基于RTK高精度定位的无人船控制系统
技术领域
本发明涉及船舶智能控制系统技术领域，尤其涉及一种基于RTK高精度定位的无人船控制系统。
背景技术
在目前各国经济发展的背景下，大力发展海洋经济是大势所趋，是沿岸国家及地区发展的必经之路。海洋经济的发展必将走上快车道，在开展海洋活动时,无人船在海洋活动中必不可少。
无人船是一种新型的海洋运载平台，在民用和军事领域具有极其广泛的应用前景，可以进行海洋环境监测、海洋气象预报、通信中继、领海监视等工作。微型无人船研制成本低、机动灵活、携带方便且易于开展实验，相比常规水面无人平台有明显优势。其控制系统多采用模块化结构设计，易于快速集成，搭载不同的传感器就可以完成不同的工作任务。随着无人水上平台的推广以及相关定位、导航与控制技术的快速发展，越来越多的无人水上自主平台将应用于海洋监测领域。
目前的去人船中的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，不能实时实时得到厘米级定位精度，导致作业效率比较低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种基于RTK高精度定位的无人船控制系统。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种基于RTK高精度定位的无人船控制系统，其特征在于：包括电源模块、GNSS天线、主控制模块、导航定位定向系统、无线数传模块、数传地面基站、工控机、网桥模块、遥控器接收机以及无人船地面站；所述导航定位定向系统通过数据传输单元DTU接受来自岸上基准站的数据，还要利用船上所述GNSS天线采集GPS观测数据，在所述导航定位定向系统内组成差分观测值进行实时处理，给出厘米级定位结果，所述导航定位定向系统通过惯导系统获取姿态变化增量，应用卡尔曼滤波器、反馈误差控制迭代运算，生成实时导航数据传输至主控制模块，所述主控制模块根据导航数据进行无人船自主控制；
所述无线数传模块包括无线数据链路收发器和840MHz数传天线，所述主控制模块接受、处理船载运动状态信息，通过船上840MHz数传天线与岸基天线进行数据传输，从而使所述无人船地面站与所述主控制模块进行信息交互，无人船地面站的上位机平台监控和分析数据；
所述遥控器接收机收发的控制信号通过船上所述2.4G数传天线进行传输，产生相似的PWM信号控制螺旋推进器，控制无人船的航向与航速；
所述网桥模块通过所述工控机与所述主控制模块连接，网桥模块传输的局域网信号通过所述2.4G数传天线进行测量设备数据传输。
优选地，所述电源用于为所述主控制模块、工控机以及螺旋推进器供电。
优选地，所述主控制模块、导航定位定向系统、无线数传模块、工控机、网桥模块均固定于防水密封箱中。
优选地，还包括水下测绘机构，所述水下测绘机构包括驱动电机、平行驱动螺杆、设备安装接头，主控制模块发送信号至直流电机控制器，通过电压驱动电机，带动平行驱动螺杆升降，控制测量设备升降。
本发明的有益效果是:本发明可根据导航定位系统生成的厘米级实时导航数据进行导航定位，主控制系统与无人船地面站进行通信，并通过主控制系统来控制螺旋推进器，利用无人船地面站设计航线，无人船实时追踪，实现自主航行；可利用无人船地面站进行切换遥控模式，防止无人船自主系统故障或失电时，通过遥控模式进行控制，提高无人船航行可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明控制系统原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1所示，下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
参阅图1-2所示，本发明的一种基于RTK高精度定位的无人船控制系统，包括主船体1、防水密封箱2、电源模块3、GNSS天线4、螺旋推进器5、水下测绘机构6、主控制模块7、导航定位定向系统(POS系统)8、无线数传模块9、数传地面基站10、工控机11、网桥模块12、遥控器接收机13、无人船地面站14；
所述主控制模块7与导航定位定向系统(POS系统)8、无线数传模块9、工控机相连11，网桥模块12与工控机11相连，均固定于所述防水密封箱2中。所述螺旋推进器5通过所述防水密封箱2上的航空接插件与箱内主控制模块7进行连接；
所述电源模块3与所述防水密封箱2、所述螺旋推进器5、所述水下测绘机构6电机相连，提供电力；
所述无人船地面站14连接所述数传地面基站10，存有行驶姿态、航速和无人船当前坐标等数据，且在谷歌地图上实时显示无人船航线，可以通过地面站遥控，或者预设航线，无人船按照航线航行作业。
如图2所示，所述主控制模块7，导航定位定向系统(POS系统)8、GNSS天线4、无线数传模块9、电源模块3共同构成船体自主控制系统；
如图2所示，所述导航定位定向系统(POS系统)8通过DTU接受来自岸上基准站的数据，还要利用船上所述GNSS天线采集GPS观测数据，在所述导航定位定向系统(POS系统)8内组成差分观测值进行实时处理，给出厘米级定位结果；所述导航定位定向系统(POS系统)通过惯导系统(IMU)获取姿态变化增量，应用卡尔曼滤波器、反馈误差控制迭代运算，生成实时导航数据传输至主控制器，所述主控制模块根据导航数据进行无人船自主控制；
如图2所示，所述无线数传模块9包括无线数据链路收发器和840MHz数传天线，所述主控制模块7接受、处理船载运动状态信息，通过船上840MHz数传天线与岸基天线进行数据传输，从而使所述无人船地面站14与所述主控制模块7进行信息交互，无人船地面站14的上位机平台监控和分析数据；
如图2所示，所述遥控器接收机13收发的控制信号，通过船上所述2.4G数传天线进行传输，产生相似的PWM信号控制螺旋推进器5，控制无人船的航向与航速；
如图2所示，所述网桥模块12传输的局域网信号，通过所述2.4G数传天线进行测量设备数据传输；
如图1所示，所述水下测绘机构6包括驱动电机、平行驱动螺杆、设备安装接头，主控制模块7发送信号至直流电机控制器，通过电压驱动电机，带动平行驱动螺杆升降，控制测量设备升降。
上述用于海上测量无人船的工作过程：通过无人船地面站上的控制显示终端的上位机软件启动螺旋推进器，使无人船在水面上可以自由地行驶；当要进行测量作业时，螺旋推进器暂停工作。无人船地面站启动控制器电机控制，控制器驱动步进电机转动，步进电动机带动电机型升降机构开始转动，测量设备开始下降，当达到指定的深度时，控制器发送指令暂停升降装置工作。测量设备浸没到水里后，开始进行相应的工作，将所得到的数据通过存储进工控机中，并通过网桥模块，实时发送到控制显示终端上。
本实施例中，可在无人船地面站操作系统中打开上位机软件，点击连接按钮，数传地面基站与无人船数据传输模块进行无线通讯，将检测命令传输至主控制模块，此时主控制模块对无人船状态进行检查并将无人船的位置、速度、航向角、电机状态等信息回传至无人船地面站，若均正常，用户可以根据上位机上的谷歌地图进行自动规划路径。
无人船根据导航定位定向系统(POS系统)所反馈的当前航向角、速度与位置信息与设置航线、航速进行对比计算出无人船所需的航向角，根据航向角与速度信息，主控制模块通过PWM信号转换模块可输出两路PWM，实现左右点击的差速控制进行无人船的方向调节，开启差速与舵机联合控制模式实现快速精准控制，使无人船跟随航线航行。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于RTK高精度定位的无人船控制系统，其特征在于：包括电源模块、GNSS天线、主控制模块、导航定位定向系统、无线数传模块、数传地面基站、工控机、网桥模块、遥控器接收机以及无人船地面站；所述导航定位定向系统通过数据传输单元DTU接受来自岸上基准站的数据，还要利用船上所述GNSS天线采集GPS观测数据，在所述导航定位定向系统内组成差分观测值进行实时处理，给出厘米级定位结果，所述导航定位定向系统通过惯导系统获取姿态变化增量，应用卡尔曼滤波器、反馈误差控制迭代运算，生成实时导航数据传输至主控制模块，所述主控制模块根据导航数据进行无人船自主控制；
所述无线数传模块包括无线数据链路收发器和840MHz数传天线，所述主控制模块接受、处理船载运动状态信息，通过船上840MHz数传天线与岸基天线进行数据传输，从而使所述无人船地面站与所述主控制模块进行信息交互，无人船地面站的上位机平台监控和分析数据；
所述遥控器接收机收发的控制信号通过船上所述2.4G数传天线进行传输，产生相似的PWM信号控制螺旋推进器，控制无人船的航向与航速；
所述网桥模块通过所述工控机与所述主控制模块连接，网桥模块传输的局域网信号通过所述2.4G数传天线进行测量设备数据传输。
2.根据权利要求1所述的基于RTK高精度定位的无人船控制系统，其特征在于：所述电源用于为所述主控制模块、工控机以及螺旋推进器供电。
3.根据权利要求1所述的基于RTK高精度定位的无人船控制系统，其特征在于：所述主控制模块、导航定位定向系统、无线数传模块、工控机、网桥模块均固定于防水密封箱中。
4.根据权利要求1所述的基于RTK高精度定位的无人船控制系统，其特征在于：还包括水下测绘机构，所述水下测绘机构包括驱动电机、平行驱动螺杆、设备安装接头，主控制模块发送信号至直流电机控制器，通过电压驱动电机，带动平行驱动螺杆升降，控制测量设备升降。
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