CN114566075A - 基于嵌入式系统的帆船驾驶辅助教学及导航系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于嵌入式系统的帆船驾驶辅助教学及导航系统，包括核心控制系统及分别与其连接的传感器系统，通信系统，触控显示系统以及供能系统；所述传感器系统包括角位移传感器，船头风向传感器，前帆迷你型横置风向传感器，水平倾角传感器；通信系统包括卫星定位模块和蓝牙通讯模块。本发明基于嵌入式系统的帆船驾驶辅助教学及导航系统，通过嵌入式物联网技术，为帆船初学爱好者提供了安心可靠的航行的驾驶辅助支援及航行导向，提高初学者体验的安全性与舒适性。本发明系统保障了帆船初学者的安全性与体验的舒适性，便捷性，为水上运动，尤其是帆船运动的推广提供了技术支持与便利。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于嵌入式系统的初学者帆船驾驶辅助教学及导航系统。
背景技术
近年，随着我国经济的稳健快速发展，人民生活水平的不断提高，在满足基本生活需求的前提下，广大人民群众对于娱乐文化生活方面的需求日益提高。其中，水上运动开始得到了广泛的青睐。尤其是帆船这项运动，近年来，在公园、湖泊、海滩，日益频繁地出现了她的身影，各地居民亦纷纷自发地组建起了帆船俱乐部。
然而，由于其对于航行驾驶技巧的高要求，初学者上手的难易度较高，学习过程所耗费成本较高等方面的问题，帆船运动的推广速度和普及程度，远远低于潜水、冲浪、皮划艇等其他水上运动。因此，为了能够更安全有效，低成本地普及和推广帆船运动，让更多人投身参与体验这项水上运动之中，一种面向初学者帆船驾驶辅助教学系统具有着高度的市场需求，并且是符合实际要求和广大人民群众的期待的。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种基于嵌入式系统的帆船驾驶辅助教学及导航系统。
本发明的技术解决方案是这样实现的：
基于嵌入式系统的帆船驾驶辅助教学及导航系统，包括核心控制系统及分别与其连接的传感器系统，通信系统，触控显示系统以及供能系统；所述传感器系统包括角位移传感器，船头风向传感器，前帆迷你型横置风向传感器，水平倾角传感器；通信系统包括卫星定位模块和蓝牙通讯模块。
优选的，所述传感器系统中：
角位移传感器，安装在主桅杆内，监测主帆支架的偏转角度，主帆支架与船体中心线成一直线时为0°位置，俯视方向逆时针角度为正，顺时针角度为负；
船头风向传感器，安装在船头，监测风向与船体所形成的夹角，正逆风方向为0°位置，俯视方向逆时针角度为正，顺时针角度为负；
前帆迷你型横置风向传感器，安装在前帆底边中线中点处，行进方向的左右侧各安装一个，监测前帆内外侧风的流向，水平向后方向为0°位置，上下偏离45°以内，输出0，其余情况输出1；
水平倾角传感器，安装在船体主桅杆下部舱体内，监测船的水平倾角，水平时显示倾角为0°。
优选的，所述核心控制系统，根据传感器系统和卫星定位模块的信息，规划导航路径，规划方法包括：
S01、输入行驶目的地；
S02、判断卫星定位模块的地图上当前位置及实时风向；
S03、根据当前位置，实时风向及设定的目的地进行路径规划；
S04、触控显示系统显示路径及实时位置、风向朝向；
S05、根据实时定位及风向，实时更新优化路径规划；
S06、到达当前目的地后，导航完成或跳转至导航下一个目的地。
优选的，S02中，根据前t0时间段内船的行进轨迹，在卫星定位模块上进行船的实时位置及朝向的确认；通过船头风向传感器的相对船偏移角度，确认卫星定位模块地图上实时风向。
优选的，S03中路径规划包括：
（1）目的地在正逆风±45°范围以内，则先逆风斜向45°行进后，再转舵90°，z字形行进至目的地；
（2）目的地在正顺风方向±5°范围内，则先顺风斜向5°方向航行至中点，再将主帆翻折调向行进至目的地；
（3）目的地在其余方向角度，则按直线路径规划。
优选的，帆船航行过程中分为以下情形：
（1）以正逆风方向行驶：即船头风向传感器的0°位置，进入其±45°区域内，系统识别为进入行进死区，通过蓝牙通信提示，每隔t1时间提示一次，引导驾驶人调整舵向，就近将船头调整至±45°，若呼叫提示t2时间没有调整，则视为驾驶人企图停靠港口或休整，则改为引导其调整舵向，将船头调整至0°；
（2）以最大逆风攀爬角±45°行驶：当船头朝向在正逆风方向±50°的区间内时，视为以最大逆风攀爬角航行，实时监测船头风向夹角，目标值就近设定为±45°，每隔t1时间提示一次，引导驾驶人实时调整舵向，将船头调整至±45°；
（3）以横侧向风运行：船头风向传感器读取目前的风向位置夹角θ在±50°～±160°区间内，此时将主帆支架的角位移传感器的目标值设定为θ/2,每隔t1时间提示一次，引导驾驶人实时调整主帆支架角度至其目标值；同时，实时读取前帆迷你型横置风向传感器的输出值，若在左侧横向行进情况下，如果左侧传感器输出1，则提示驾驶人收紧前帆调整，如果右侧传感器输出1，则提示驾驶人放松前帆调整；右侧3横向行进情况则相反；
（4）以逆风±160～±175°区间方向运行：视作为顺风航行方向，此时控制系统提示主帆前帆全开，全速航行；
（5）以逆风±175～±180°区间方向运行：视作正顺风航行方向，核心控制系统通过蓝牙通信模块发出警示，要求调整舵角，避免在该区间内航行；
优选的，水平倾角传感器若检测到船体倾斜超40°，核心控制系统通过通信模块向驾驶人发出警示，提示其改变船上人员配重分布或放松主帆的调节绳，来调整船体平衡。
有益效果：
1、本发明基于嵌入式系统的帆船驾驶辅助教学及导航系统，通过嵌入式物联网技术，为帆船初学爱好者提供了安心可靠的航行的驾驶辅助支援及航行导向，提高初学者体验的安全性与舒适性。
2、本发明系统，保障了帆船初学者的安全性与体验的舒适性，便捷性，为水上运动，尤其是帆船运动的推广提供了技术支持与便利。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1为本发明帆船驾驶辅助教学及导航系统的构成示意图；
图2为本发明帆船驾驶辅助教学及导航系统实际搭载情景的示意图；
图3为通过侧视图及俯视图展示的角位移传感器及船头风向传感器的0°位置的示意图；
图4为智能导航路径规划的流程示意图；
图5为实时风向及设定的目的地进行路径规划的示意图；
图6为帆船航行过程中几类情形的示意图。
具体实施方式
下面结合附图来说明本发明。
如图1所示，本发明基于嵌入式系统的帆船驾驶辅助教学及导航系统，包括核心控制系统及分别与其连接的传感器系统，通信系统，触控显示系统以及供能系统；所述传感器系统包括角位移传感器，船头风向传感器，前帆迷你型横置风向传感器，水平倾角传感器；通信系统包括卫星定位模块和蓝牙通讯模块。核心控制系统包含MCU；通信系统包含GPS定位模块（通过定位记录行进轨迹，为回顾复盘学习提供参考，紧急情况下，亦可为救援提供指向）以及蓝牙通讯模块（行进过程中通过蓝牙通讯，将辅助指示内容传输至手机或蓝牙耳机中）；触控显示系统包含LED触控显示屏；供能系统包含电池模块。
如图2所示，所述传感器系统中各传感器安装位置及角度如下。
角位移传感器，安装在主桅杆内，监测主帆支架的偏转角度，主帆支架与船体中心线成一直线时为0°位置，俯视方向逆时针角度为正，顺时针角度为负；
船头风向传感器，安装在船头，监测风向与船体所形成的夹角，正逆风方向为0°位置，俯视方向逆时针角度为正，顺时针角度为负；如图3所示为角位移传感器和船头风向传感器的安装示意图；
前帆迷你型横置风向传感器，安装在前帆底边中线中点处，行进方向的左右侧各安装一个，监测前帆内外侧风的流向，水平向后方向为0°位置，上下偏离45°以内，输出0，其余情况输出1；
水平倾角传感器，安装在船体主桅杆下部舱体内，监测船的水平倾角，水平时显示倾角为0°。
如图4所示，所述核心控制系统，根据传感器系统和卫星定位模块的信息，规划导航路径，规划方法包括：
S01、输入行驶目的地；
S02、判断卫星定位模块的地图上当前位置及实时风向：根据前t0时间段内船的行进轨迹，在卫星定位模块上进行船的实时位置及朝向的确认；通过船头风向传感器的相对船偏移角度，确认卫星定位模块地图上实时风向。
S03、根据当前位置，实时风向及设定的目的地进行路径规划；如图5所示，路径规划包括：
（1）目的地在正逆风±45°范围以内，被称为死区(Dead Position,无法前行区域)，图5中北风情况举例则为北偏东及北偏西45°区域，此时行进至圈Ⅰ位置需要逆风斜向45°行进后，转舵(tacking)z字形行进；
（2）目的地在正顺风方向±5°范围内，如圈Ⅲ为目的地时，正顺风方向±5°区间为危险区(Dangerous Zone, 风向突变，及突增，导致船不稳定侧翻等险况风险较高)，南偏西及南偏东5°范围内，顺风斜向5°方向航行至中点后将主帆翻折(Jiving)调向行进。
（3）目的地在其余方向角度，如圈Ⅱ为目的地时，则按直线路径规划。
S04、触控显示系统显示路径及实时位置、风向朝向；
S05、根据实时定位及风向，实时更新优化路径规划；
S06、到达当前目的地后，导航完成或跳转至导航下一个目的地。
帆船航行过程中大体可分为图6所示的几类情形：
a、圈1所示方向为正逆风方向，即船头风向传感器的0°位置，进入其±45°区域内，系统识别为进入行进死区(Dead Position)，通过蓝牙通信提示，每隔5s提示一次，引导驾驶人调整舵向，就近将船头调整至±45°(逆风航行最大爬升角度)，若呼叫提示30秒没有调整，则视为驾驶人企图停靠港口或休整，则改为引导其调整舵向，将船头调整至0°。
b、圈2所示方向为最大逆风攀爬角(±45°)，当船头朝向在±50°的区间内时，均视为其企图以最大逆风攀爬角航行，实时监测船头风向夹角，目标值就近设定为±45°，每隔5s提示一次，引导驾驶人实时调整舵向，将船头调整至±45°。
c、圈3所示方向为横侧向风运行，船头风向传感器读取目前的风向位置夹角θ(±50至160°区间)，此时将主帆支架的角位移传感器的目标值设定为θ/2, ，每隔5s提示一次，引导驾驶人实时调整主帆支架角度至其目标值；同时，实时读取前帆迷你型横置风向传感器的输出值，若左侧3的行进方向情况下，如果左侧传感器输出1，则提示驾驶人收紧前帆调整(收前帆调节绳)，如果右侧传感器输出1，则提示驾驶人放松前帆调整(放前帆调节绳)，右侧3的情况则相反。
d、圈4所示方向(±160至175°区间)，可以被视作为顺风航行方向，此时控制系统提示主帆前帆全开，全速航行。
e、圈5所示方向为正顺风方向，在±175至180°区间，此区间内，风向突变，及突增，导致船不稳定侧翻等险况风险较高，在此区域内，控制模块发处警示，要求调整舵角，避免在该区间内航行。
水平倾角传感器若检测到船体倾斜超40°，此时船体有侧翻风险，控制模块则通过蓝牙向驾驶人发处警示，提示其改变船上人员配重分布或放松主帆的调节绳，来调整船体平衡。
Claims (7)
1.基于嵌入式系统的帆船驾驶辅助教学及导航系统，其特征在于，包括核心控制系统及分别与其连接的传感器系统，通信系统，触控显示系统以及供能系统；所述传感器系统包括角位移传感器，船头风向传感器，前帆迷你型横置风向传感器，水平倾角传感器；通信系统包括卫星定位模块和蓝牙通讯模块。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的帆船驾驶辅助教学及导航系统，其特征在于，所述传感器系统中：
角位移传感器，安装在主桅杆内，监测主帆支架的偏转角度，主帆支架与船体中心线成一直线时为0°位置，俯视方向逆时针角度为正，顺时针角度为负；
船头风向传感器，安装在船头，监测风向与船体所形成的夹角，正逆风方向为0°位置，俯视方向逆时针角度为正，顺时针角度为负；
前帆迷你型横置风向传感器，安装在前帆底边中线中点处，行进方向的左右侧各安装一个，监测前帆内外侧风的流向，水平向后方向为0°位置，上下偏离45°以内，输出0，其余情况输出1；
水平倾角传感器，安装在船体主桅杆下部舱体内，监测船的水平倾角，水平时显示倾角为0°。
3.根据权利要求2所述的基于嵌入式系统的帆船驾驶辅助教学及导航系统，其特征在于，所述核心控制系统，根据传感器系统和卫星定位模块的信息，规划导航路径，规划方法包括：
S01、输入行驶目的地；
S02、判断卫星定位模块的地图上当前位置及实时风向；
S03、根据当前位置，实时风向及设定的目的地进行路径规划；
S04、触控显示系统显示路径及实时位置、风向朝向；
S05、根据实时定位及风向，实时更新优化路径规划；
S06、到达当前目的地后，导航完成或跳转至导航下一个目的地。
4.根据权利要求3所述的基于嵌入式系统的帆船驾驶辅助教学及导航系统，其特征在于，S02中，根据前t0时间段内船的行进轨迹，在卫星定位模块上进行船的实时位置及朝向的确认；通过船头风向传感器的相对船偏移角度，确认卫星定位模块地图上实时风向。
5.根据权利要求3所述的基于嵌入式系统的帆船驾驶辅助教学及导航系统，其特征在于，S03中路径规划包括：
（1）目的地在正逆风±45°范围以内，则先逆风斜向45°行进后，再转舵90°，z字形行进至目的地；
（2）目的地在正顺风方向±5°范围内，则先顺风斜向5°方向航行至中点，再将主帆翻折调向行进至目的地；
（3）目的地在其余方向角度，则按直线路径规划。
6.根据权利要求5所述的基于嵌入式系统的帆船驾驶辅助教学及导航系统，其特征在于，帆船航行过程中分为以下情形：
（1）以正逆风方向行驶：即船头风向传感器的0°位置，进入其±45°区域内，系统识别为进入行进死区，通过蓝牙通信提示，每隔t1时间提示一次，引导驾驶人调整舵向，就近将船头调整至±45°，若呼叫提示t2时间没有调整，则视为驾驶人企图停靠港口或休整，则改为引导其调整舵向，将船头调整至0°；
（2）以最大逆风攀爬角±45°行驶：当船头朝向在正逆风方向±50°的区间内时，视为以最大逆风攀爬角航行，实时监测船头风向夹角，目标值就近设定为±45°，每隔t1时间提示一次，引导驾驶人实时调整舵向，将船头调整至±45°；
（3）以横侧向风运行：船头风向传感器读取目前的风向位置夹角θ在±50°～±160°区间内，此时将主帆支架的角位移传感器的目标值设定为θ/2,每隔t1时间提示一次，引导驾驶人实时调整主帆支架角度至其目标值；同时，实时读取前帆迷你型横置风向传感器的输出值，若在左侧横向行进情况下，如果左侧传感器输出1，则提示驾驶人收紧前帆调整，如果右侧传感器输出1，则提示驾驶人放松前帆调整；右侧3横向行进情况则相反；
（4）以逆风±160～±175°区间方向运行：视作为顺风航行方向，此时控制系统提示主帆前帆全开，全速航行；
（5）以逆风±175～±180°区间方向运行：视作正顺风航行方向，核心控制系统通过蓝牙通信模块发出警示，要求调整舵角，避免在该区间内航行。
7.根据权利要求6所述的基于嵌入式系统的帆船驾驶辅助教学及导航系统，其特征在于，水平倾角传感器若检测到船体倾斜超40°，核心控制系统通过通信模块向驾驶人发出警示，提示其改变船上人员配重分布或放松主帆的调节绳，来调整船体平衡。
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