CN113501109A - 主动导引式无人船的船坞及回坞方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动导引式无人船的船坞及回坞方法，水岸固定机构将无人船停靠机构安装在岸边；电路舱中包括GPS装置、无线电能发射电路、主控电路、WiFi通信电路、继电器和电机驱动电路；无人船停靠机构上设置有孔洞，孔洞用于容纳无人船的舱体；无人船停靠机构的面向无人船一侧装有磁铁和无线充电线圈，当无人船进入船坞后，磁铁吸住无人船前端的铁块，从而固定无人船，无线充电线圈与无人船上的接收线圈位置匹配；视觉靶标设置在无人船停靠机构上方，视觉靶标的朝向无人船的一面为红色，视觉靶标的侧面为蓝色。本发明在无人船根据视觉靶标导引后进入导杆区域时，导杆并拢，对无人船进行准确导引，充分体现了本发明的自主性和安全性能。

Description

主动导引式无人船的船坞及回坞方法

技术领域

本发明属于无人船技术领域，特别涉及一种主动导引式无人船的船坞及回坞方法。

背景技术

无人船是一种新型水域监测工具，具有监测灵活性强、监测范围广、自动测量、监测功能扩展性强、成本低等优点，被广泛使用。但是，现有的无人船大多采用电池供电，其续航能力有效，限制了无人船在野外的长期使用。亟需提出一种适用于双体和三体式无人船的主动引导式船坞装置，配合相应的入坞方法，实现无人船快速、准确入坞、可靠固定以及快速充电。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种主动导引式无人船的船坞，包括水岸固定机构、电路舱、无人船停靠机构、视觉靶标和导引装置，其中，水岸固定机构将无人船停靠机构安装在岸边；电路舱中包括GPS装置、无线电能发射电路、主控电路、WiFi通信电路、继电器和电机驱动电路；无人船停靠机构上设置有孔洞，孔洞用于容纳无人船的舱体；无人船停靠机构的面向无人船一侧装有磁铁和无线充电线圈，当无人船进入船坞后，磁铁吸住无人船前端的铁块，从而固定无人船，无线充电线圈与无人船上的接收线圈位置匹配；视觉靶标设置在无人船停靠机构上方，视觉靶标的朝向无人船的一面为红色，视觉靶标的侧面为蓝色；

所述导引装置包括导杆、滑块、丝杆、螺母和电机，其中导杆设置两根，导杆上设置滑块，滑块可沿导杆长边方向运动，与滑块连接的杆嵌入螺母上设置的孔中，形成一个转动副；螺母套接在丝杆上，二者的螺纹形状匹配，螺母在丝杆上可旋转运动；电机与丝杆连接，当电机正转时，丝杆转动而带动螺母向电机所处位置靠近，两根导杆向外侧张开，当电机反转时，螺母远离电机，两根导杆向内并拢。

优选地，通过电网接口和开关电源对船坞进行供电。

优选地，还包括太阳能发电板和锂电池，由太阳能发电板向锂电池充电，锂电池对船坞进行供电。

优选地，所述导杆默认为张开状态。

基于上述目的，本发明还提供了一种主动导引式无人船的船坞的回坞方法，包括以下步骤：

S10，无人船航行到船坞前方区域；

S20，无人船采用视觉导引方法靠近船坞；

S30，船坞的两根导杆收拢，将无人船导入船坞；

S40，无人船在船坞停靠、充电；

S50，无人船离开船坞，开始新的任务，船坞的两根导杆重新张开。

优选地，回坞任务开始时，导杆处于张开状态，当无人船通过视觉靶标导引航行到船坞前方两个导引杆之间的区域时，两根导杆并拢，无人船被引导回坞。

优选地，所述S20中视觉导引方法包括以下步骤：

S21，提取指定颜色区域，并转换为二值图像；

S22，找到颜色区域的最大连通域，并输出面积；

S23，找到最大连通域的中心，并输出该点横坐标。

优选地，所述S30，船坞的两根导杆收拢，将无人船导入船坞，包括以下步骤：

S31，无人船离开船坞后，导引杆处于张开状态；

S32，无人船启动回坞任务后，行驶到船坞前方位置，此时船坞和无人船通过WiFi通信方式联通；

S33，无人船通过视觉导引方法航行到船坞附近，无人船上的推进器停止转动，并向船坞发送信号；

S34，船坞收到信号后，转动电机，使得两根导杆合拢，将无人船导引到船坞正面，同时给无人船发送信号；

S35，无人船收到信号后，启动推进器再向前行驶，直至进入船坞，船坞上的磁铁吸住无人船前方的铁块，完成无人船的固定。

与现有技术相比，本发明公开的主动导引式无人船的船坞及回坞方法，至少具有以下有益效果：

(1)船坞为无人船提供了停靠和充电载体，同时船坞上设置视觉靶标，实现了返航、定位、回坞完全自动化操作，提高了定位停靠的准确度和效率；

(2)对无人船的充电设置无线充电线圈，与无人船的前部的充电接收线圈匹配，进行高效充电；无线充电线圈上方设置磁铁，对无人船进行稳妥固定，保证充电有效性；

(3)在无人船进入导杆区域时，导杆并拢，对无人船进行准确导引，充分体现了本发明的自主性和安全性能；

(4)采用改进的视觉靶标导引方法，使得无人船不会偏离导杆张开的范围，回坞自动化、精确化。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例主动导引式无人船的船坞的结构立体图；

图2为本发明实施例主动导引式无人船的船坞的导引装置结构图；

图3为本发明实施例主动导引式无人船的船坞的无人船回坞后状态图；

图4为本发明实施例主动导引式无人船的船坞的回坞方法中视觉导引步骤流程图；

图5为本发明实施例主动导引式无人船的船坞的回坞方法中S10时状态图；

图6为本发明实施例主动导引式无人船的船坞的回坞方法中S20时状态图；

图7为本发明实施例主动导引式无人船的船坞的回坞方法中S30时状态图；

图8为本发明实施例主动导引式无人船的船坞的回坞方法中S40时状态图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

主动导引式无人船的船坞1实施例参见图1-2，包括水岸固定机构10、电路舱20、无人船停靠机构30、视觉靶标33和导引装置，其中，水岸固定机构10将无人船停靠机构30安装在岸边；电路舱20中包括GPS装置、无线电能发射电路、主控电路、WiFi通信电路、继电器和电机驱动电路；无人船停靠机构30上设置有孔洞，孔洞用于容纳无人船的舱体；无人船停靠机构30的面向无人船2的一侧装有磁铁31和无线充电线圈32，当无人船2进入船坞1后，磁铁31吸住无人船2前端的铁块，从而固定无人船2，无线充电线圈32与无人船2上的接收线圈位置匹配；视觉靶标33设置在无人船停靠机构30上方，视觉靶标33的朝向无人船2的一面为红色，视觉靶标33的侧面为蓝色；

导引装置包括导杆41、滑块42、丝杆43、螺母44和电机45，其中导杆41设置两根，导杆41上设置滑块42，滑块42可沿导杆41长边方向运动，与滑块42连接的杆嵌入螺母44上设置的孔中，形成一个转动副；螺母44套接在丝杆43上，二者的螺纹形状匹配，螺母44在丝杆43上可旋转运动；电机45与丝杆43连接，当电机45正转时，丝杆43转动而带动螺母44向电机45所处位置靠近，两根导杆41向外侧张开，当电机45反转时，螺母44远离电机45，两根导杆41向内并拢。参见图3，为无人船回坞后状态图。

具体实施例中，船坞1可采用多种供电方式，岸边有电网接口时，采用开关电源进行供电；如果没有电网接口，也可配备太阳能发电板和锂电池组自主供电。当无人船回到船坞附近时，船坞通过WiFi通信电路连接到无人船的路由器上，从而建立通信链接。船坞通过电机45驱动器控制导杆41的步进电机45，并通过继电器控制无线充电发射模块的开关。导杆41默认为张开状态。

本发明还提供了一种主动导引式无人船的船坞的回坞方法，包括以下步骤：

S10，无人船航行到船坞前方区域；状态图参见图5，1为船坞，2为无人船，下同；

S20，无人船采用视觉导引方法靠近船坞；状态图参见图6；

S30，船坞的两根导杆收拢，将无人船导入船坞；状态图参见图7；

S40，无人船在船坞停靠、充电；状态图参见图8；

S50，无人船离开船坞，开始新的任务，船坞的两根导杆重新张开。

回坞任务开始时，导杆处于张开状态，当无人船通过视觉靶标导引航行到船坞前方两个导引杆之间的区域时，两根导杆并拢，无人船被引导回坞。

参见图4，S20中视觉导引方法包括以下步骤：

S21，提取指定颜色区域，并转换为二值图像；

S22，找到颜色区域的最大连通域，并输出面积；

S23，找到最大连通域的中心，并输出该点横坐标。

视觉导引方法通过识别颜色区域的面积来评估无人船跟船坞的相对位置，并进行姿态调整。无人船的控制策略参见表1。

表1视觉导引方法的控制策略

视觉导引方法可以使无人船航行到船坞附近，但无法保证无人船精确进入船坞。因此，视觉回坞后，S30，船坞的两根导杆收拢，将无人船导入船坞，包括以下步骤：

S31，无人船离开船坞后，导引杆处于张开状态；

S32，无人船启动回坞任务后，行驶到船坞前方位置，此时船坞和无人船通过WiFi通信方式联通；

S33，无人船通过视觉导引方法航行到船坞附近，无人船上的推进器停止转动，并向船坞发送信号；

S34，船坞收到信号后，转动电机，使得两根导杆合拢，将无人船导引到船坞正面，同时给无人船发送信号；

S35，无人船收到信号后，启动推进器再向前行驶，直至进入船坞，船坞上的磁铁吸住无人船前方的铁块，完成无人船的固定。

具体实施例中，回坞过程包括：

无人船完成航行任务或者电池电量不足，启动回坞程序；

无人船航行到船坞前方区域，并面向船坞方向；

无人船通过视觉导引方法行驶到船坞附近；

导引装置动作，并通过主动引导方法将无人船导引入坞；

无人船通过磁力固定、充电；

充电完成后，无人船的推进器反转，脱开磁力固定，开始新的任务；

导杆张开。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种主动导引式无人船的船坞，其特征在于，包括水岸固定机构、电路舱、无人船停靠机构、视觉靶标和导引装置，其中，水岸固定机构将无人船停靠机构安装在岸边；电路舱中包括GPS装置、无线电能发射电路、主控电路、WiFi通信电路、继电器和电机驱动电路；无人船停靠机构上设置有孔洞，孔洞用于容纳无人船的舱体；无人船停靠机构的面向无人船一侧装有磁铁和无线充电线圈，当无人船进入船坞后，磁铁吸住无人船前端的铁块，从而固定无人船，无线充电线圈与无人船上的接收线圈位置匹配；视觉靶标设置在无人船停靠机构上方，视觉靶标的朝向无人船的一面为红色，视觉靶标的侧面为蓝色；

所述导引装置包括导杆、滑块、丝杆、螺母和电机，其中导杆设置两根，导杆上设置滑块，滑块可沿导杆长边方向运动，与滑块连接的杆嵌入螺母上设置的孔中，形成一个转动副；螺母套接在丝杆上，二者的螺纹形状匹配，螺母在丝杆上可旋转运动；电机与丝杆连接，当电机正转时，丝杆转动而带动螺母向电机所处位置靠近，两根导杆向外侧张开，当电机反转时，螺母远离电机，两根导杆向内并拢。

2.根据权利要求1所述的主动导引式无人船的船坞，其特征在于，通过电网接口和开关电源对船坞进行供电。

3.根据权利要求1所述的主动导引式无人船的船坞，其特征在于，还包括太阳能发电板和锂电池，由太阳能发电板向锂电池充电，锂电池对船坞进行供电。

4.根据权利要求1所述的主动导引式无人船的船坞，其特征在于，所述导杆默认为张开状态。

5.一种权利要求1-4之一所述主动导引式无人船的船坞的回坞方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10，无人船航行到船坞前方区域；

S20，无人船采用视觉导引方法靠近船坞；

S30，船坞的两根导杆收拢，将无人船导入船坞；

S40，无人船在船坞停靠、充电；

S50，无人船离开船坞，开始新的任务，船坞的两根导杆重新张开。

6.根据权利要求5所述的主动导引式无人船的船坞的回坞方法，其特征在于，回坞任务开始时，导杆处于张开状态，当无人船通过视觉靶标导引航行到船坞前方两个导引杆之间的区域时，两根导杆并拢，无人船被引导回坞。

7.根据权利要求5所述的主动导引式无人船的船坞的回坞方法，其特征在于，所述S20中视觉导引方法包括以下步骤：

S21，提取指定颜色区域，并转换为二值图像；

S22，找到颜色区域的最大连通域，并输出面积；

S23，找到最大连通域的中心，并输出该点横坐标。

8.根据权利要求5所述的主动导引式无人船的船坞的回坞方法，其特征在于，所述S30，船坞的两根导杆收拢，将无人船导入船坞，包括以下步骤：

S31，无人船离开船坞后，导引杆处于张开状态；

S32，无人船启动回坞任务后，行驶到船坞前方位置，此时船坞和无人船通过WiFi通信方式联通；

S33，无人船通过视觉导引方法航行到船坞附近，无人船上的推进器停止转动，并向船坞发送信号；

S34，船坞收到信号后，转动电机，使得两根导杆合拢，将无人船导引到船坞正面，同时给无人船发送信号；

S35，无人船收到信号后，启动推进器再向前行驶，直至进入船坞，船坞上的磁铁吸住无人船前方的铁块，完成无人船的固定。

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