CN116101441A - 一种夹角可调的无人船拖船及其拖动无人船的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种夹角可调的无人船拖船及其拖动无人船的方法，解决了无人船因故障或供电不足导致无法返回岸边的问题，其技术方案要点是前部固定桩及两侧固定桩、连接安装于前部固定桩和两侧固定桩之间的转轴、控制拖船转动方向的转向螺旋桨推进器、分别固定安装于两侧固定桩的尾部以控制拖船的前进与后退的行进螺旋桨推进器、分别固定安装于两侧固定桩的中部通过控制两侧固定桩围绕转轴转动对无人船进行夹持或放松的夹持螺旋桨推进器、电机、电机驱动模块、船舶自动识别系统与通信模块，本发明的一种夹角可调的无人船拖船及其拖动无人船的方法，能完成对无人船的拖船操作，使用便捷、高效，且能适应不同的使用场景和需求，更加普适。

Description

一种夹角可调的无人船拖船及其拖动无人船的方法

技术领域

本发明涉及无人船，特别涉及一种夹角可调的无人船拖船及其拖动无人船的方法。

背景技术

随着无人驾驶技术的广泛应用，无人船作为新型智能化水上自动驾驶平台具备自动化程度高、使用成本低、可以执行高风险作业等优点。无人船采用现代通信与信息技术和人工智能技术能够完成自主航行任务。无人船不仅能够降低人们的劳动强度，提高航行的安全性，还能代替人类在某些危险场景下执行高风险任务，减少人员伤亡风险。

但无人船作为一种自动化设备，也面临失灵、故障等问题，且无人船常常作业在江河湖海的水面上，人类无法直接到达，这样就需要无人船拖船将故障的无人船拖至岸边。拖船的设计也至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种夹角可调的无人船拖船及其拖动无人船的方法，能完成对无人船的拖船操作，使用便捷、高效，且能适应不同的使用场景和需求，更加普适。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种夹角可调的无人船拖船，包括有：

前部固定桩及两侧固定桩；

转轴，连接安装于前部固定桩和两侧固定桩之间，用于活动连接两侧固定桩；

转向螺旋桨推进器，固定安装于前部固定桩，控制拖船的转动方向；

行进螺旋桨推进器，分别固定安装于两侧固定桩的尾部，控制拖船的前进与后退；

夹持螺旋桨推进器，分别固定安装于两侧固定桩的中部，转动提供向内或向两侧的推力，通过控制两侧固定桩围绕转轴转动对无人船进行夹持或放松；

电机，设置有若干组，分别用于控制转向螺旋桨推进器、行进螺旋桨推进器、夹持螺旋桨推进器的转速和正反转；

电机驱动模块，耦接于电机，用于控制电机转速及转向；

还包括有安装于前部固定桩的用于与船舶及岸台间数据自动交换的船舶自动识别系统、进行通信传输的通信模块。

作为优选，所述转向螺旋桨推进器为双向推进器，横向贯穿于所述前部固定桩，包括有两个分别位于前部固定桩左右两侧的螺旋桨；

所述行进螺旋桨推进器及夹持螺旋桨推进器均设置有两个，分别设置于两侧固定桩。

作为优选，螺旋桨推进器的螺旋桨均包括桨叶和桨毂，所述桨叶为4片，每片桨叶之间角度等间隔设置。

作为优选，还包括有安装于前端固定桩用于对周围环境图像进行拍摄和传输的视频采集模块、进行环境扫描和避障的激光雷达模块。

作为优选，还包括有耦接于电机驱动模块、视频采集模块、激光雷达模块、通信模块、船舶自动识别系统以进行主控的主控模块，所述主控模块为Jetson nano。

作为优选，还包括有进行供电的电源模块，所述电源模块包括有24V锂电池及将24V直流电转换为5V与12V直流电的稳压芯片。

一种夹角可调的拖船拖动无人船的方法，包括有以下步骤：

S1、船舶自动识别系统自动交换获取拖船与无人船的航行信息，主控模块处理信息，通过4G模块进行信息数据传输；

S2、拖船的主控模块接收4G模块传输的岸台指令，通过控制螺旋桨推进器控制拖船的行进，根据设定的路径信息及设定的避碰策略到达被拖无人船处；

S3、视频采集模块采集获取环境图像数据，激光雷达模块扫描获取环境位置结构数据，主控模块接收岸台指令并控制电机驱动模块响应；

S4、电机驱动模块控制夹持螺旋桨推进器转动产生向内侧的推力，推动两侧固定桩围绕转轴转动向内侧夹紧无人船，控制转向螺旋桨推进器及行进螺旋桨推进器拖动无人船航行。

作为优选，主控模块向电机驱动模块输入不同PWM信号，电机驱动模块通过改变加在电机两端的电压控制电机的转速和正反转。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

通过船舶自动识别系统能获取无人船的航行信息，拖船通过电机及电机驱动模块对设置的转向螺旋桨推进器和行进螺旋桨推进器的控制，能实现对拖船的行进控制，通过转轴连接前部固定桩的两侧固定桩，能在夹持螺旋桨推进器的配合下，实现夹持和放松的操作，进而能对需要拖动的无人船进行快速的夹持，操作便捷高效，且能适应于不同型号的无人船，具有更高的实用性，能根据具体不同使用场景和需求进行拓展应用，有效解决无人船因故障或供电不足导致无法返回岸边的问题。

附图说明

图1为本实施例拖船的结构示意图；

图2为本实施例各模块的连接示意框图；

图3为拖船对无人船进行夹持的示意图；

图4为拖船行进的示意图；

图5为本方法的流程示意图。

图中：1：视频采集模块；2：激光雷达传感器模块；3：船舶自动识别系统；4：通信模块；5、6：转轴；7：转向螺旋桨推进器；8、9、夹持螺旋桨推进器；10、11：行进螺旋桨推进器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

根据一个或多个实施例，公开了一种夹角可调的无人船拖船，如图1及图2所示，包括有前部固定桩及两侧固定桩、转轴、转向螺旋桨推进器、行进螺旋桨推进器、夹持螺旋桨推进器、电机、电机驱动模块、船舶自动识别系统、通信模块、视频采集模块、激光雷达模块、主控模块、电源模块。

前部固定桩的后侧壁内凹设置，与无人船的船头相匹配，根据与两侧固定桩的连接分为A、B两部分，两侧固定桩则包括C、D两部分，分别与前部固定桩的A、B两部分连接。两侧固定桩呈侧壁圆弧过渡，进而能与无人船的侧壁相匹配，夹持时更加的贴合稳定。前部固定桩和两侧固定桩之间则分别通过转轴连接，使得两侧固定桩能绕转轴连接处转动，可调节拖船对无人船的夹紧和放松。

前部固定桩安装有控制拖船转动方向的转向螺旋桨推进器，转向螺旋桨推进器为双向推进器，横向贯穿于前部固定桩，包括有两个分别位于前部固定桩左右两侧的螺旋桨。行进螺旋桨推进器及夹持螺旋桨推进器均设置有两个，行进螺旋桨推进器分别设置于两侧固定桩的尾部，控制拖船的前进与后退。夹持螺旋桨推进器，分别固定安装于两侧固定桩的中部，转动提供向内或向两侧的推力，通过控制两侧固定桩围绕转轴转动对无人船进行夹持或放松。螺旋桨推进器的螺旋桨均包括桨叶和桨毂，桨叶为4片，每片桨叶之间角度等间隔设置。

视频采集模块、激光雷达模块、船舶自动识别系统、通信模块均固定安装于前部固定桩。电机驱动模块、视频采集模块、激光雷达模块、通信模块、船舶自动识别系统、电源模块均电连接于主控模块，主控模块为Jetson nano。船舶自动识别系统用于与船舶及岸台间数据自动交换，通信模块进行通信传输，视频采集模块用于对周围环境图像进行拍摄和传输，激光雷达模块进行环境扫描和避障，电源模块包括有24V锂电池及将24V直流电转换为5V与12V直流电的稳压芯片。电机驱动模块耦接于电机，用于控制电机转速及转向，电机针对螺旋桨推进器设置，包括有5个直流电机，分别用于控制转向螺旋桨推进器、行进螺旋桨推进器、夹持螺旋桨推进器的转速和正反转。

如图3及图4所示当无人船拖船需要前进或后退时，电机M4、M5控制行进螺旋桨推进器10、11的桨叶旋转将桨后的的水向后或向前拨，而产生反作用力；当无人船拖船需要左右转向时，电机M1控制转向螺旋桨推进器7的右桨叶和左桨叶同时正转或反转，产生向左或向右的推力，使得无人船拖船转向；当无人船拖船到达无人船处，需要带动无人船行驶时，电机M2、M3控制夹持螺旋桨推进器8、9的桨叶旋转产生向里的推力，使得两侧固定桩C、D转动转轴5、6夹紧无人船，需要松开无人船时，电机M2、M3控制夹持螺旋桨推进器8、9的桨叶旋转产生向外的推力，使得两侧固定桩C、D转动转轴5、6张开。

船舶自动识别系统3允许在船舶与其他船舶之间、船舶与岸台之间自动交换从船舶传感器输入(或内置GPS的信息)以及静态的和与航程相关的数据。岸边用户可以接收到无人船拖船和被拖无人船的船舶自动识别系统发送的船名、船舶概况、船位、航速、航向、航行状态等信息。基本功能应包括：

1.在VHF范围内船舶间交换信息，以增进情况了解；

2.在船舶与岸台间交换信息；

3.自主报告；

4.在船舶与船舶间和船舶和岸台间交换与安全相关的信息。

激光雷达模块2安装在船头上方，由激光发射接收装置、感光部件和光学部件三部分组成。激光雷达通过USB转串口连接Jetson nano。当无人船拖船行驶时，激光雷达通过统计发射出激光束到接受到激光束的时间来计算出障碍物的距离。激光雷达向周围进行扫描，将得到的环境数据经Jetson nano处理传输给上位机。

该无人船拖船所采用的视频采集模块1主要是由USB摄像头组成，安装在拖船最前方，通过USB接口与Jetson nano相连，摄像头所拍摄的无人船周围环境图像经由USB数据线传输给Jetson nano。

Jetson nano经USB接口与4G通信模块4相连，将所采集到的激光雷达信息和摄像头图像传输给上位机显示，上位机将环境图像显示给用户。

无人船拖船由5个直流电机控制，直流电机主要用于控制螺旋桨推进器中的桨叶，直流电机将电能转化为机械能，带动桨叶旋转。Jetson nano无法直接驱动电机，因此需要电机驱动模块驱动直流电机。

1.直流电机与直流电机驱动板输出口相连；

2.直流电机驱动板与Jetson nano的GPIO引脚相连；

3.直流电机转向和转速均由Jetson nano编程控制；

4.直流电机驱动板通过输出不同的电平组合就可实现对直流电机的操纵；

5.Jetson nano向直流电机驱动板输入不同占空比的PWM脉冲信号就可以控制电机的转速。

根据一个或多个实施例，公开了一种夹角可调的拖船拖动无人船的方法，如图5所示，包括有以下步骤：

S1、船舶自动识别系统自动交换获取拖船与无人船的航行信息，主控模块处理信息，通过4G模块进行信息数据传输；

S2、拖船的主控模块接收4G模块传输的岸台指令，通过控制螺旋桨推进器控制拖船的行进，根据设定的路径信息及设定的避碰策略到达被拖无人船处；

S3、视频采集模块采集获取环境图像数据，激光雷达模块扫描获取环境位置结构数据，主控模块接收岸台指令并控制电机驱动模块响应；

S4、电机驱动模块控制夹持螺旋桨推进器转动产生向内侧的推力，推动两侧固定桩围绕转轴转动向内侧夹紧无人船，控制转向螺旋桨推进器及行进螺旋桨推进器拖动无人船航行。

主控模块向电机驱动模块输入不同PWM信号，电机驱动模块通过改变加在电机两端的电压控制电机的转速和正反转。

通过充电模块给电源模块的电池充电；

通过电源模块为各模块供电，电源模块利用稳压芯片得到符合系统需求的稳压源，从而对整个系统进行供电；

通过4G通信模块硬件将射频、基带集成在一块PCB小板上，完成无线接收、发射、基带信号处理功能。控制模块通过USB接口与4G通信模块相连。无人船拖船利用通信模块将摄像头获取的图像数据、激光雷达获取的环境数据和AIS获取的无人船拖船以及被拖无人船的航行信息传输给上位机，上位机将数据整合，以供用户实时查看并分析数据，同时上位机也可通过4G通信将指令发送至无人船拖船的控制模块，实现双向通信的效果；

通过视频采集模块为高清晰USB摄像头，用于实时拍摄无人船拖船周围的环境，并将画面数据通过通讯接口发送给控制模块；

通过船舶自动识别系统得到无人船拖船和被拖无人船的船舶概况、船位、航速、航向、航行状态等航行信息，并将这些数据通过接口传输给控制模块。控制模块可将这些航行信息与激光雷达获取的信息进行信息融合，用以了解无人船拖船的状况和所在位置，同时确定起点和终点进行路径规划，使得无人船拖船按照规划的路径信息和设定的避碰策略准确到达被拖无人船处；

通过激光雷达模块实现对周围环境障碍物距离的实时测量，进而感知周围环境，并将周围障碍物的精确三维位置和结构等数据传输给控制单元，为无人船拖船避碰和上位机控制提供数据基础；

通过电机驱动模块主要包括电机驱动板，控制单元向电机驱动板输入不同PWM信号，电机驱动器改变加在电机两端的电压来控制直流电机的转速和正反转；

推进器包括5个直流电机和6个MAU4型螺旋桨，其中电机M1控制船头左右两个MAU4型螺旋桨，其他电机各控制一个MAU4型螺旋桨。螺旋桨与直流电机转轴相连，通过直流电机实现对螺旋桨转速和正反转的控制，从而控制固定桩夹紧、放松无人船，并控制无人船拖船进行前进、后退、左右转向等操作，实现对无人船的拖动。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种夹角可调的无人船拖船，其特征是，包括有：

前部固定桩及两侧固定桩；

转轴，连接安装于前部固定桩和两侧固定桩之间，用于活动连接两侧固定桩；

转向螺旋桨推进器，固定安装于前部固定桩，控制拖船的转动方向；

行进螺旋桨推进器，分别固定安装于两侧固定桩的尾部，控制拖船的前进与后退；

夹持螺旋桨推进器，分别固定安装于两侧固定桩的中部，转动提供向内或向两侧的推力，通过控制两侧固定桩围绕转轴转动对无人船进行夹持或放松；

电机，设置有若干组，分别用于控制转向螺旋桨推进器、行进螺旋桨推进器、夹持螺旋桨推进器的转速和正反转；

电机驱动模块，耦接于电机，用于控制电机转速及转向；

还包括有安装于前部固定桩的用于与船舶及岸台间数据自动交换的船舶自动识别系统、进行通信传输的通信模块。

2.根据权利要求1所述的夹角可调的无人船拖船，其特征是：

所述转向螺旋桨推进器为双向推进器，横向贯穿于所述前部固定桩，包括有两个分别位于前部固定桩左右两侧的螺旋桨；

所述行进螺旋桨推进器及夹持螺旋桨推进器均设置有两个，分别设置于两侧固定桩。

3.根据权利要求2所述的夹角可调的拖船拖动无人船，其特征是：螺旋桨推进器的螺旋桨均包括桨叶和桨毂，所述桨叶为4片，每片桨叶之间角度等间隔设置。

4.根据权利要求1所述的夹角可调的无人船拖船，其特征是：

还包括有安装于前端固定桩用于对周围环境图像进行拍摄和传输的视频采集模块、进行环境扫描和避障的激光雷达模块。

5.根据权利要求4所述的夹角可调的无人船拖船，其特征是：

还包括有耦接于电机驱动模块、视频采集模块、激光雷达模块、通信模块、船舶自动识别系统以进行主控的主控模块，所述主控模块为Jetson nano。

6.根据权利要求5所述的夹角可调的无人船拖船，其特征是：还包括有进行供电的电源模块，所述电源模块包括有24V锂电池及将24V直流电转换为5V与12V直流电的稳压芯片。

7.一种夹角可调的拖船拖动无人船的方法，其特征是，包括有以下步骤：

S1、船舶自动识别系统自动交换获取拖船与无人船的航行信息，主控模块处理信息，通过4G模块进行信息数据传输；

S2、拖船的主控模块接收4G模块传输的岸台指令，通过控制螺旋桨推进器控制拖船的行进，根据设定的路径信息及设定的避碰策略到达被拖无人船处；

S3、视频采集模块采集获取环境图像数据，激光雷达模块扫描获取环境位置结构数据，主控模块接收岸台指令并控制电机驱动模块响应；

S4、电机驱动模块控制夹持螺旋桨推进器转动产生向内侧的推力，推动两侧固定桩围绕转轴转动向内侧夹紧无人船，控制转向螺旋桨推进器及行进螺旋桨推进器拖动无人船航行。

8.根据权利要求7所述的夹角可调的拖船拖动无人船的方法，其特征是：主控模块向电机驱动模块输入不同PWM信号，电机驱动模块通过改变加在电机两端的电压控制电机的转速和正反转。

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