CN114408105A - 一种基于氢燃料电池技术的无人船 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及船舶自动驾驶技术领域，且公开了一种基于氢燃料电池技术的无人船，包括氢燃料电池管理系统、人机交互系统、通讯系统、IMU、全球卫星定位系统、障碍物解析系统、激光雷达装置、毫米波雷达装置、视觉检测装置、驱动解析模块、驱动伺服系统、转向伺服系统、挡位伺服系统。本发明利用氢燃料电池作为无人船的动力源，将船舶的能源供给更加绿色、环保，提供的自动驾驶功能，将先进的自动驾驶技术引入船舶领域，为内河和近海的货运作业、观光旅游船行业带来更加智能、高效、环保、便利的作业环境，降低更多的劳动强度，带来更大的社会效益和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及船舶自动驾驶技术领域，具体为一种基于氢燃料电池技术的无人船。
背景技术
现有技术中，船舶的驱动主要采用内燃机。内燃机释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气，燃气膨胀推动活塞运动，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动叶轮设备工作。这个过程不断重复。但是随着国家对环保要求的提高，内燃机驱动方式对环境带来的污染已满足不了国家对环保的要求。氢燃料电池是一种将燃料与氧化剂通过电解质将其化学能直接转化为电能的装置。氢燃料电池的电极本身不包含活性储能物质，只是催化转化元件，并且燃料电池常见的排放物为水，具有高效、无污染等特点，因此氢燃料电池在船舶上的应用前景巨大。
另外自动驾驶技术在汽车和工业领域已经持续发展多年，技术趋于成熟，但在船舶的应用上目前在国内基本处于起步阶段。传统的内河和近海领域货运船舶基本靠船员驾驶和维护，船员长时间的驾驶船舶，对身体造成无法逆转的伤害，为此在前述氢燃料电池的基础上，我们设计了基于氢燃料电池技术的无人船。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种基于氢燃料电池技术的无人船，本发明利用氢燃料电池作为无人船的动力源，将船舶的能源供给更加绿色、环保。提供的自动驾驶功能，将先进的自动驾驶技术引入船舶领域，为内河和近海的货运作业、观光旅游船行业带来更加智能、高效、环保、便利的作业环境，降低更多的劳动强度，带来更大的社会效益和经济效益。
本发明提供如下技术方案：一种基于氢燃料电池技术的无人船，包括氢燃料电池管理系统、人机交互系统、通讯系统、IMU、全球卫星定位系统、障碍物解析系统、激光雷达装置、毫米波雷达装置、视觉检测装置、驱动解析模块、驱动伺服系统、转向伺服系统、挡位伺服系统；
所述激光雷达装置主要用于探测中短距离障碍物信息，经过障碍物解析模块处理后输出障碍物距离及轮廓数据，供MCU高级辅助驾驶系统决策用；
所述毫米波雷达装置主要用于探测中长距离障碍物信息，经过障碍物解析模块处理后输出障碍物距离及速度信息，供MCU高级辅助驾驶系统决策用；
所述视觉检测装置主要用于探测短距离障碍物信息，由于视觉检测装置受环境光影响较大，其作为激光雷达装置的辅助检测手段，提供近距离障碍物更多的纹理、形状和分类等信息，以供MCU高级辅助驾驶系统决策用；
所述障碍物解析模块用于解析分析激光雷达、毫米波雷达和视觉检测装置的数据并给出结构化分析结果，供MCU高级辅助驾驶系统决策用；
所述全球卫星定位系统主要用来采集无人船绝对坐标位置，以进行自动驾驶的路径规划和导航；
所述IMU主要进行姿态解算及实时捕获无人船运行状态；
所述驱动伺服系统由大功率伺服电机、伺服驱动器和水冷系统构成，用于接收驱动解析模块的指令并将带动喷泵的叶轮旋转，从而驱动动力艇前进和后退；
所述转向伺服系统由交流伺服电机及其伺服驱动器构成，用于接收驱动解析模块的指令并将带动喷泵矢量喷口转动，从而实现动力艇的转向动作；
所述挡位伺服系统由交流伺服电机及其伺服驱动器构成，用于接收驱动解析模块的指令并将带动喷泵翻斗转动，从而实现动力艇的空挡、前进挡和倒挡的切换；
所述驱动解析模块接收MCU的驱动指令，并根据驱动伺服系统、转向伺服系统和挡位伺服系统的状态，进行处理后输出实时的驱动伺服系统、转向伺服系统和挡位伺服系统的运行指令；
所述人机交互系统包括动力开关、仪表和一个高分辨率触摸显示屏；仪表用于实时显示驱动伺服电机的转速和温度等状态；触摸显示屏用于用户进行参数配置和无人船的状态显示；
所述氢燃料管理系统属于氢燃料电池的一部分，主要用于氢燃料电池的运行实时状态和MCU的交互，用于启停、监控、控制氢燃料电池；
所述通讯系统主要负责无人船与地面控制站的通讯，包括动作和任务下发、无人船的运行状态回传和任务执行状态回传；
所述MCU是氢燃料动力艇的大脑，负责进行监控监测和控制各个子模块的运行状态。
与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：
该基于氢燃料电池技术的无人船，氢燃料电池负责给伺服驱动系统、通讯系统、捷联惯导系统、障碍物检测装置、MCU、人机交互系统和其他辅助电气系统供电。伺服电机系统和转向电机系统负责接收指令并输出动力到喷泵；通讯系统负责无人船与岸基调度系统进行通讯，以完成指令下发、任务执行和状态监控；捷联惯导系统负责对无人船的全局绝对位置和姿态的准确测量；障碍物检测装置负责采集分析障碍物信息并发送给MCU；MCU作为中央处理单元，负责整个动力艇的集中控制，人机交互系统负责实时展示动力艇个装置运行状态、障碍物信息、声光报警及运行时参数的设置和动作执行。
该发明利用氢燃料电池作为无人船的动力源，将船舶的能源供给更加绿色、环保，提供的自动驾驶功能，将先进的自动驾驶技术引入船舶领域，为内河和近海的货运作业、观光旅游船行业带来更加智能、高效、环保、便利的作业环境，降低更多的劳动强度，带来更大的社会效益和经济效益。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明无人船单次任务执行控制逻辑图；
图3为本发明无人船多次任务执行控制逻辑图；
图4为本发明激光雷达对无人船作用的控制逻辑图；
图5为本发明毫米波雷达对无人船作用的控制逻辑图。
具体实施方式
为了使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部件的详细说明，以避免不必要地混淆本发明的概念。
请参阅图1，一种基于氢燃料电池技术的无人船，包括氢燃料电池管理系统、人机交互系统、通讯系统、IMU、全球卫星定位系统、障碍物解析系统、激光雷达装置、毫米波雷达装置、视觉检测装置、驱动解析模块、驱动伺服系统、转向伺服系统、挡位伺服系统；
所述激光雷达装置主要用于探测中短距离障碍物信息，经过障碍物解析模块处理后输出障碍物距离及轮廓数据，供MCU高级辅助驾驶系统决策用；
所述毫米波雷达装置主要用于探测中长距离障碍物信息，经过障碍物解析模块处理后输出障碍物距离及速度信息，供MCU高级辅助驾驶系统决策用；
所述视觉检测装置主要用于探测短距离障碍物信息，由于视觉检测装置受环境光影响较大，其作为激光雷达装置的辅助检测手段，提供近距离障碍物更多的纹理、形状和分类等信息，以供MCU高级辅助驾驶系统决策用；
所述障碍物解析模块用于解析分析激光雷达、毫米波雷达和视觉检测装置的数据并给出结构化分析结果，供MCU高级辅助驾驶系统决策用；
所述全球卫星定位系统主要用来采集无人船绝对坐标位置，以进行自动驾驶的路径规划和导航；
所述IMU主要进行姿态解算及实时捕获无人船运行状态；
所述驱动伺服系统由大功率伺服电机、伺服驱动器和水冷系统构成，用于接收驱动解析模块的指令并将带动喷泵的叶轮旋转，从而驱动动力艇前进和后退；
所述转向伺服系统由交流伺服电机及其伺服驱动器构成，用于接收驱动解析模块的指令并将带动喷泵矢量喷口转动，从而实现动力艇的转向动作；
所述挡位伺服系统由交流伺服电机及其伺服驱动器构成，用于接收驱动解析模块的指令并将带动喷泵翻斗转动，从而实现动力艇的空挡、前进挡和倒挡的切换；
所述驱动解析模块接收MCU的驱动指令，并根据驱动伺服系统、转向伺服系统和挡位伺服系统的状态，进行处理后输出实时的驱动伺服系统、转向伺服系统和挡位伺服系统的运行指令；
所述人机交互系统包括动力开关、仪表和一个高分辨率触摸显示屏；仪表用于实时显示驱动伺服电机的转速和温度等状态；触摸显示屏用于用户进行参数配置和无人船的状态显示；
所述氢燃料管理系统属于氢燃料电池的一部分，主要用于氢燃料电池的运行实时状态和MCU的交互，用于启停、监控、控制氢燃料电池；
所述通讯系统主要负责无人船与地面控制站的通讯，包括动作和任务下发、无人船的运行状态回传和任务执行状态回传；
所述MCU是氢燃料动力艇的大脑，负责进行监控监测和控制各个子模块的运行状态。
无人船单次任务执行控制逻辑，如图2所示，所述无人船单次任务执行完毕后，无人船将等待地面控制站下发下一次任务，在执行下一次任务之前，无人船将不做任何动作，但实时反馈无人船姿态、位置、设备运行状态等监控数据到地面控制站。
无人船多次任务执行控制逻辑，如图3所示，所述无人船多次任务执行过程中，没执行完一次任务后将自动判断所有任务是否执行完毕，否则执行依次按顺序执行下一条任务，所有任务执行完毕后，无人船将等待地面控制站下发下一次任务，在执行下一次任务之前，无人船将不做任何动作，但实时反馈无人船姿态、位置、设备运行状态等监控数据到地面控制站。
激光雷达对无人船作用的控制逻辑如图4所示，所述激光雷达装置主要用于障碍物距离识别。根据激光雷达装置测量的距离，设置了三段控制，阈值1范围外不作动作，阈值1范围内地面控制站和触摸显示屏将警示，进入阈值2范围内，自动驾驶系统将主动规划局部路径绕开障碍物；进入阈值3 范围内，自动驾驶系统将紧急停机，以迫使无人船保持停止以免发生碰撞危险。
毫米波雷达对无人船作用的控制逻辑如图5所示，所述毫米波雷达除了提供距离障碍物的距离信息，还可提供障碍物的速度信息，以供自动驾驶系统决策用。除了在前述激光雷达根据距离作出三段安全防护措施，毫米波雷达还可根据无人船行进速度与障碍物速度的关系进行避障处理，当无人船速度低于障碍物行进速度时，无人船按原规划路径运行；当无人船速度高于障碍物行进速度并在三段安全防护距离范围内，将采取重新规划局部路径绕开障碍物或紧急停机处理。
视觉检测装置的主要控制逻辑与激光雷达装置的控制逻辑类似，但视觉检测装置将障碍物类型分类更细，如人、船、水面漂浮物、岸边等障碍物进行结构化识别，进而可进行可视化展示，并针对障碍物的安全等级进行相应的行船减速处理。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种基于氢燃料电池技术的无人船，其特征在于：包括氢燃料电池管理系统、人机交互系统、通讯系统、IMU、全球卫星定位系统、障碍物解析系统、激光雷达装置、毫米波雷达装置、视觉检测装置、驱动解析模块、驱动伺服系统、转向伺服系统、挡位伺服系统；
所述激光雷达装置主要用于探测中短距离障碍物信息，经过障碍物解析模块处理后输出障碍物距离及轮廓数据，供MCU高级辅助驾驶系统决策用；
所述毫米波雷达装置主要用于探测中长距离障碍物信息，经过障碍物解析模块处理后输出障碍物距离及速度信息，供MCU高级辅助驾驶系统决策用；
所述视觉检测装置主要用于探测短距离障碍物信息，由于视觉检测装置受环境光影响较大，其作为激光雷达装置的辅助检测手段，提供近距离障碍物更多的纹理、形状和分类等信息，以供MCU高级辅助驾驶系统决策用；
所述障碍物解析模块用于解析分析激光雷达、毫米波雷达和视觉检测装置的数据并给出结构化分析结果，供MCU高级辅助驾驶系统决策用；
所述全球卫星定位系统主要用来采集无人船绝对坐标位置，以进行自动驾驶的路径规划和导航；
所述IMU主要进行姿态解算及实时捕获无人船运行状态；
所述驱动伺服系统由大功率伺服电机、伺服驱动器和水冷系统构成，用于接收驱动解析模块的指令并将带动喷泵的叶轮旋转，从而驱动动力艇前进和后退；
所述转向伺服系统由交流伺服电机及其伺服驱动器构成，用于接收驱动解析模块的指令并将带动喷泵矢量喷口转动，从而实现动力艇的转向动作；
所述挡位伺服系统由交流伺服电机及其伺服驱动器构成，用于接收驱动解析模块的指令并将带动喷泵翻斗转动，从而实现动力艇的空挡、前进挡和倒挡的切换；
所述驱动解析模块接收MCU的驱动指令，并根据驱动伺服系统、转向伺服系统和挡位伺服系统的状态，进行处理后输出实时的驱动伺服系统、转向伺服系统和挡位伺服系统的运行指令；
所述人机交互系统包括动力开关、仪表和一个高分辨率触摸显示屏；仪表用于实时显示驱动伺服电机的转速和温度等状态；触摸显示屏用于用户进行参数配置和无人船的状态显示；
所述氢燃料管理系统属于氢燃料电池的一部分，主要用于氢燃料电池的运行实时状态和MCU的交互，用于启停、监控、控制氢燃料电池；
所述通讯系统主要负责无人船与地面控制站的通讯，包括动作和任务下发、无人船的运行状态回传和任务执行状态回传；
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