CN205186500U - 摆线推进器的监测控制系统以及包括该系统的无人船 - Google Patents

Abstract

摆线推进器的监测控制系统以及包括该系统的无人船，监测控制系统包括ARM主控制板、分别驱动各个转盘转动的主驱动电机、通过无线通信模块和所述ARM主控制板通信的上位机、安装于无人船上的GPS和电子罗盘，ARM主控制板通过电机驱动器控制主驱动电机转动，主驱动电机的输出轴上装有扭矩传感器、编码器，主驱动电机的内部装有电机温度传感器，摆线推进器的主传动箱内装有油液温度传感器，ARM主控制板通过监测上述传感器的数据进而发送PWM信号给舵机以控制舵机的转动角度，并且还通过和电机驱动器之间的Modbus协议控制主驱动电机的转速和加速度，上位机控制软件规划无人船的运行轨迹，并实时控制无人船按照运行轨迹走。

Description

摆线推进器的监测控制系统以及包括该系统的无人船

技术领域

本实用新型属于船舶特种推进器监测与控制领域，具体涉及一种摆线推进器的监测控制系统以及包括该系统的无人船。

背景技术

当今世界各国越来越重视海洋发展战略。推进器是推动船舶运动的装置，长期以来人们为探索新型高效的推进器而不屑地努力。船用螺旋桨推进器是海洋工程装备中最常见的船舶推进器，其结构简单、造价低廉、市场宽广，但是其操纵和控制性能不足，难于适应船舶侧移、后退、停止、变速、以及原地打转等要求。摆线推进器在机动性方面优越于普通的螺旋桨推进器。

实用新型内容

本实用新型提供一种摆线推进器的监测控制系统以及包括该系统的无人船，摆线推进器的监测控制系统实现了对整个无人船的监控，包括该监测控制系统的无人船具有可控性高、机动性强、操纵简单的优点。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下的技术方案：

摆线推进器的监测控制系统，一艘无人船包括两个摆线推进器，每个摆线推进器由两个舵机控制其偏心点，各个摆线推进器的转盘在偏心点处的速度方向为该摆线推进器的推力方向，所述两个摆线推进器由一个监测控制系统监控，两个摆线推进器的监测控制系统包括ARM主控制板、分别驱动各个所述转盘转动的主驱动电机、通过无线通信模块和所述ARM主控制板通信的上位机、安装于无人船上的GPS和电子罗盘，所述ARM主控制板通过电机驱动器控制所述主驱动电机转动，所述主驱动电机的输出轴上装有用于测量主驱动电机的转速和加速度的编码器、用于测量主驱动电机输出扭矩的扭矩传感器，所述主驱动电机的内部装有用于测量主驱动电机内部温度的电机温度传感器，所述摆线推进器的主传动箱内装有用于测量摆线推进器的叶片摆动机构的油温的油液温度传感器，所述ARM主控制板和电机驱动器通过电池供电；

所述ARM主控制板根据编码器、扭矩传感器、电机温度传感器、油液温度传感器的数据输出四个PWM信号至四个舵机，通过四个PWM信号的占空比的不同控制四个舵机转动相应的角度，其中两个舵机通过主动杆、从动杆连接一摆线推进器的偏心杠杆的上端，从而可以确定与该两个舵机对应的摆线推进器的偏心点位置，另两个舵机通过主动杆、从动杆连接另一摆线推进器的偏心杠杆的上端，从而可以确定与该另两个舵机对应的另一摆线推进器的偏心点位置，通过各个摆线推进器的偏心点位置以及对应转盘的转动方向可以得到两个摆线推进器各自的推力方向，各个摆线推进器的推力方向为与其对应的转盘在偏心点处的速度矢量方向，在两个摆线推进器的推力合力作用下，船舶的运动可以是前进、后退、侧移、停止、变速、以及原地打转；

所述无线通信模块包括设在上位机内的第一无线通信模块以及设在ARM主控制板内的第二无线通信模块，第一无线通信模块通过USB接口和上位机连接，第二无线通信模块通过UART串行口和ARM主控制板连接，第一无线通信模块和第二无线通信模块之间无线通信连接；第一无线通信模块和第二无线通信模块之间的传输协议自定义，传输的数据包括舵机的转动角度、主驱动电机的转速和加速度、以及电机温度传感器、油液温度传感器和扭矩传感器的测量数据、以及GPS和电子罗盘的位置和航向数据；

所述ARM主控制板通过UART串行口将TTL电平经转换器转换成485电平控制对应两个摆线推进器的两个电机驱动器，二者之间的传输协议为Modbus协议，通过Modbus协议，在ARM主控制板内写入需要主驱动电机实现的转速值、加速度值，并从电机驱动器中读取所述编码器传来的主驱动电机的转速值、加速度值、以及电机温度传感器传来的电机内部温度值，从而完成对两个主驱动电机的控制；所述扭矩传感器和油液温度传感器则通过A/D转换接口和ARM主控制板连接；

所述GPS采用UART串行口和ARM主控制板连接，GPS会实时发送地理位置数据给ARM主控制板，GPS数据格式为：$信息类型，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，信息类型可以为，GPGSV：可见卫星信息，GPGLL：地理定位信息，GPRMC：推荐最小定位信息，GPVTG：地面速度信息，GPGGA：GPS定位信息，GPGSA：当前卫星信息，ARM主控制板解析GPS发送来的地理位置数据，提取有用的信息，包括船体航向、速度以及具体方位信息，传回上位机；

所述电子罗盘采用IIC接口和ARM主控制板连接，电子罗盘会发送无人船的航行角度数据给ARM主控制板，ARM主控制板解析电子罗盘的航行角度数据，结合GPS的地理位置数据，可以得到船体航向、速度以及具体方位信息，并传回上位机；

所述摆线推进器的监测控制系统还包括设在上位机内的上位机控制软件，所述上位机控制软件包括收发数据解析程序、基于推进器数学模型程序、路径规划程序、实时监控程序、以及预警程序，所述ARM主控制板内设有与上位机控制软件对应的ARM主控制板转换程序；

收发数据解析程序，接收ARM主控制板通过无线通信模块发过来的数据包，并解析数据包，然后把相应的不同参数赋给不同的变量，收发数据解析程序也可以发送上位机对摆线推进器控制的相关参数，并将这些参数打包，通过无线通信模块发送给ARM主控制板；

基于推进器数学模型程序，根据摆线推进器中舵机的转动角度以及主驱动电机的转速和转动方向对于无人船的航向和航速的数学模型编写而成，用户在其中输入无人船的航向和航速，基于推进器数学模型程序就能自动计算出最优的两个舵机的转动角度和两个主驱动电机的转速；

两个摆线推进器的数学模型如下：

一舵机的转动角度：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_1=\∠A_1{O}_1{O}_0-\∠{\mathrm{AO}}_1{O}_0\\ =\arccos \left(\frac{r^2-\[{\left(x_0+L\right)}^2+{\left(y_0+r\right)}^2\]-L^2}{2r*\sqrt{{\left(x_0+L\right)}^2+{\left(y_0+r\right)}^2}}\right)-\arctan \left(\frac{y_0+r}{x_0+L}\right)\end{array}$

另一舵机的转动角度：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_2=\∠{\mathrm{BO}}_2{O}_0-\∠B_2{O}_2{O}_0\\ =arctan\left(\frac{y_0+L}{x_0+r}\right)-\arccos \left(\frac{r^2-\[{\left(x_0+r\right)}^2+{\left(y_0+L\right)}^2\]-L^2}{2r*\sqrt{{\left(x_0+r\right)}^2+{\left(y_0+L\right)}^2}}\right)\end{array}$

其中x₀，y₀表示偏心点坐标，r为舵机转动半径，L为偏心点和舵机圆周切点连线的距离，θ₁，θ₂为对应两个舵机的转动角度；

路径规划程序，路径规划采用蚁群算法，在用户确定目的地后，路径规划程序能够对水域上的障碍进行识别，避开水域的障碍物，根据地理信息自动规划并计算出合适的路径，经基于蚁群算法的数学模型换算后，得到无人船合适的航向和航速，从而让船舶自动到达目的地；所述上位机通过对接收到的GPS和电子罗盘的位置和航向数据进行解析，实时监控无人船的位置和航向，并与路径规划程序规划好的路径的位置和航向相比较，将比较结果转化为舵机和主驱动电机的控制代码，通过无线通信模块发送给无人船的ARM主控制板，ARM主控制板通过发送不同占空比的PWM信号给舵机以控制舵机的转动角度，并通过和电机驱动器之间的Modbus协议控制主驱动电机的转速和加速度，从而实时修正船舶运行路线，让船舶按照路径规划程序规划好的路径行走；

实时监控程序，接收ARM主控制板传递来的相关参数，实时在上位机中显示这些相关参数，并根据要求对无人船的航向和航速进行相关控制；

预警程序，当上位机监测到所接收的电机温度传感器或者油液温度传感器的值超过设定的临界值时，上位机控制软件会发出预警通知用户，并自动降低主驱动电机的转速，以及，当上位机监测到所接收的扭矩传感器的值超过设定的临界值时，上位机控制软件会发出预警通知用户，并自动降低主驱动电机的转速或者使主驱动电机停转；

ARM主控制板转换程序，作为上位机以及与ARM主控制板连接的各个部件(如各个传感器、电机驱动器等)的桥梁，转换上位机发送过来的信号成各个部件能够识别的信号，让上位机间接控制各个部件；

除通过上位机实时监控无人船的运行之外，所述ARM主控制板带有触摸屏，不通过上位机，用户可以直接通过触摸屏在船上实时地监控无人船的运行；

监测控制系统的流程为，系统上电以后，ARM主控制板先初始化各种环境变量，然后ARM主控制板控制等待用户选择模式，模式有远程控制模式和本地控制模式两种，当触摸屏有信号输入时，代表用户在无人船上实时控制无人船，此时为本地控制模式，当无线通信模块端有信号输入时，代表用户通过上位机远程控制无人船，此时为远程控制模式；当用户远程控制无人船时，ARM主控制板等待接收到完整的控制数据后，ARM主控制板执行该控制数据，控制舵机的转动角度和主驱动电机的转速，然后开始循环读取GPS和电子罗盘的位置和航向数据、油液温度传感器数据、电机温度传感器数据、力矩传感器数据并发送到上位机；当上位机发送数据给ARM主控制板时，ARM主控制板立即触发中断，来执行上位机发送的数据，完毕后继续执行循环段，当用户在无人船上实时监控无人船时，ARM主控制板监测到触摸屏输入的数据后，会立即触发中断，执行触摸屏上传来的数据。

包括上述监测控制系统的无人船，包括船舶本体，船舶本体由两个摆线推进器推动运动，所述船舶本体上装有用于实时监控无人船的位置和航向的GPS和电子罗盘，所述两个摆线推进器由上述的监测控制系统监控，所述GPS采用UART串行口和ARM主控制板连接，电子罗盘采用IIC接口和ARM主控制板连接。

进一步地，所述船舶本体的中前部固定有用于增大船体流线性的船鳍，船鳍沿船舶本体纵向中线设置，船鳍的前端安装有由船头电机带动旋转以利于船体转弯的转动圆杆；

当船舶要转弯的时候，船头电机带动转动圆杆旋转，利用马格纳斯效应，结合船鳍的作用，转向力大大的增大，让船舶转弯性能更好。

进一步地，所述两个摆线推进器关于船舶本体的纵向中线对称安装于船舶本体的中后部，所述电池设置于船舶本体的纵向中线的中部，所述ARM主控制板、GPS和电子罗盘设置于船舶本体的纵向中线的中前部。

本实用新型的有益效果是：摆线推进器的监测控制系统实现了对整个无人船的监控，监测控制系统的ARM主控制板根据无人船上各个传感器的数据输出四个PWM信号至四个舵机，通过四个PWM信号的不同占空比控制四个舵机转动相应的角度，其中两个舵机的转动角度确定一摆线推进器的偏心点，另两个舵机的转动角度确定另一摆线推进器的偏心点，根据偏心点位置结合转盘的转动方向可以得到摆线推进器在偏心点处的推力方向，结合两个摆线推进器的推力方向可以得到无人船的运动方向；

监测控制系统的ARM主控制板通过控制两个电机驱动器进而控制两个主驱动电机，ARM主控制板和电机驱动器之间为Modbus协议，通过Modbus协议，在ARM主控制板内写入需要主驱动电机实现的转速值、加速度值，并从电机驱动器中读取主驱动电机的转速值、加速度值、电机内部温度值，从而完成对两个主驱动电机的控制；

上位机控制软件内的基于推进器数学模型程序根据摆线推进器中舵机的转动角度以及主驱动电机的转速和转动方向对于无人船速度和航向的数学模型编写而成，在上位机控制软件中用户输入无人船的航向和航速，上位机控制软件就能自动计算出最优的舵机转动角度和主驱动电机的转速，舵机的转动角度和主驱动电机的转速由ARM主控制板通过上面两段所述的方法控制实现；

上位机控制软件内还设有路径规划程序，在用户确定目的地后，上位机控制软件能够根据地理信息自动规划路径，经基于蚁群算法的数学模型换算后，得到无人船合适的速度和航向，从而让船舶自动到达目的地；上位机通过接收到的GPS和电子罗盘的位置和航向数据进行解析，实时监控无人船的位置和航向，与路径规划程序规划好的路径的位置和航向比较，将比较结果转化为舵机和主驱动电机的控制代码，通过无线通信模块发送给无人船的ARM主控制板，ARM主控制板也通过上面两段所述的方法调节舵机的转动角度和主驱动电机的转速，从而实时修正船舶运行路线，实时控制船舶按照路径规划程序规划好的路径行走，让无人船完成侦查或运输等工作；

上位机控制软件内还设有预警程序，当上位机监测到所接收的电机温度传感器或者油液温度传感器的值超过设定的临界值时，上位机控制软件会发出预警通知用户，并自动降低主驱动电机的转速，当上位机监测到所接收的扭矩传感器的值超过设定的临界值时，上位机控制软件会发出预警通知用户，并自动降低主驱动电机的转速或者使主驱动电机停转；

对无人船的监控可以在上位机上实时进行，也可以在无人船上通过触摸屏实时进行。包括该监测控制系统的无人船具有可控性高、机动性强、操纵简单的优点。

附图说明

图1为本实用新型的单个摆线推进器的结构图；

图2为本实用新型摆线推进器的监测控制系统的结构图；

图3为本实用新型摆线推进器的监测控制系统的软硬件结构图；

图4为摆线推进器的舵机转动角度和偏心点的位置关系图；

图5为本实用新型的监测控制系统的ARM主控制板的流程图；

图6为两个摆线推进器的偏心点以及主驱动电机的转向和无人船前进方向的关系图；

图7为图6(b)的偏心点推力方向和无人船前进方向的示意图；

图8为本实用新型的监测控制系统的上位机的监控界面示意图；

图9是本实用新型的无人船的仰视图；

图10是图9的侧视以及局部剖视图；

附图标号：1-ARM主控制板；2-主驱动电机；3-无线通信模块；4-上位机；5-GPS；6-电子罗盘；7-电机驱动器；8-编码器；9-扭矩传感器；10-电机温度传感器；11-油液温度传感器；12-电池；13-船鳍；14-船头电机；15-转动圆杆；16-ARM主控制板、GPS和电子罗盘的位置；20-摆线推进器；21-舵机；22-主动杆；23-从动杆；24-偏心杠杆；25-转盘；26-偏心点。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步详细描述：

本实用新型是针对申请号为201310744655.5，名称为叶片摆动机构及包括该机构的用于船舶的摆线推进器，所设计的监测控制系统以及包括该系统的无人船。可参见本案的图6和图7，该申请的方案中，一艘无人船包括两个摆线推进器20，每个摆线推进器20由两个舵机21控制其偏心点26，每个摆线推进器20具有一个转动的转盘25，各个摆线推进器20的转盘25在偏心点26处的速度矢量方向为该摆线推进器20的推力方向，在一个摆线推进器20中，通过改变两个舵机21的转动角度，可以改变其偏心点26的位置，从而改变与该偏心点26对应的摆线推进器20的推力方向，另一个摆线推进器20类同，在两个摆线推进器20的推力合力作用下，船体可以实现前进、后退、侧移、停止、变速、以及原地打转。单个摆线推进器20的结构图可参见申请号为201310744655.5的实用新型申请的图1，也即本案的图1。

如本案的图2所示，摆线推进器的监测控制系统，上述无人船的两个摆线推进器由一个监测控制系统监控，所述两个摆线推进器的监测控制系统包括ARM主控制板1、分别驱动各个所述转盘25转动的主驱动电机2、通过无线通信模块3和所述ARM主控制板1通信的上位机4、安装于无人船上的GPS5和电子罗盘6，所述ARM主控制板1通过电机驱动器7控制所述主驱动电机32转动，所述主驱动电机2的输出轴上装有用于测量主驱动电机2的转速和加速度的编码器8、用于测量主驱动电机2输出扭矩的扭矩传感器9，所述主驱动电机2的内部装有用于测量主驱动电机2内部温度的电机温度传感器10，所述摆线推进器20的主传动箱内装有用于测量摆线推进器的叶片摆动机构的油温的油液温度传感器11，所述ARM主控制板1和电机驱动器7通过电池12供电，所述ARM主控制板1根据编码器8、扭矩传感器9、电机温度传感器10、油液温度传感器11的数据输出四个PWM，通过四个PWM信号的占空比的不同控制四个舵机21转动相应的角度，PWM信号的基周期为20ms(50Hz)，0.5ms-2.5ms对应舵机的转动角度绝对坐标的0-180度；

四个舵机中，两个舵机21的输出端通过主动杆22、从动杆23连接一摆线推进器20的偏心杠杆24的上端，从而可以确定与该两个舵机21对应的摆线推进器20的偏心点位置，另两个舵机21的输出端通过主动杆22、从动杆23连接另一摆线推进器20的偏心杠杆24的上端，从而可以确定与该另两个舵机21对应的另一摆线推进器20的偏心点位置，通过各个摆线推进器20的偏心点位置以及对应转盘25的转动方向可以得到两个摆线推进器20各自的推力方向，各个摆线推进器20的推力方向为与其对应的转盘25在偏心点26处的速度矢量方向，在两个摆线推进器20的推力合力作用下，船舶的运动可以是前进、后退、侧移、停止、变速、以及原地打转；

上述四个舵机中，两个舵机通过主动杆22、从动杆23连接一摆线推进器20的偏心杠杆24，从而确定与该两个舵机21对应的偏心点26的位置，另两个舵机21通过主动杆22、从动杆23连接另一个摆线推进器20的偏心杠杆24，从而确定与该两个舵机21对应的偏心点26的位置，该结构的单个摆线推进器参见申请号为201310744655.5的实用新型申请的图2，图中两个舵机21分别通过主动杆22、从动杆23连接调节杆的上端，调节杆即本文中的偏心杠杆24，调节杆的上端即两个舵机21共同控制的偏心点位置。该申请中，各个摆线推进器20包括了一个转盘25，转盘25由主驱动电机2控制旋转，转盘25的转速在偏心点26处的速度矢量方向即为该摆线推进器20的推力方向。两个摆线推进器20的推力共同作用使得船体运动的示图详见图6和图7；

所述无线通信模块3包括设在上位机4内的第一无线通信模块以及设在ARM主控制板1内的第二无线通信模块，第一无线通信模块通过USB接口和上位机4连接，第二无线通信模块通过UART串行口和ARM主控制板1连接，第一无线通信模块和第二无线通信模块之间无线通信连接；第一无线通信模块和第二无线通信模块之间的传输协议自定义，传输的数据包括舵机21的转动角度、主驱动电机2的转速和加速度、以及油液温度传感器11、电机温度传感器10和扭矩传感器9的测量数据、以及GPS5和电子罗盘6的位置和航向数据；

所述ARM主控制板1通过UART串行口将TTL电平经转换器转换成485电平控制对应两个摆线推进器20的两个电机驱动器7，二者之间的传输协议为Modbus协议，通过Modbus协议，在ARM主控制板1内写入需要主驱动电机2实现的转速值、加速度值，并从电机驱动器2中读取主驱动电机2的转速值、加速度值、电机内部温度值，从而完成对两个主驱动电机2的控制。附带说明，编码器8、电机温度传感器10是通过电机驱动器7和ARM主控制板1连接，电机驱动器7内有编码器8和电机温度传感器10的解析程序，ARM主控制板1可以在电机驱动器7内读取主驱动电机2的转速值、加速度值、电机内部温度值，而所述扭矩传感器9和油液温度传感器11则通过A/D转换接口和ARM主控制板1连接；

所述GPS5采用UART串行口和ARM主控制板1连接，GPS5会实时发送地理位置数据给ARM主控制板1，GPS数据格式为：$信息类型，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，信息类型可以为，GPGSV：可见卫星信息，GPGLL：地理定位信息，GPRMC：推荐最小定位信息，GPVTG：地面速度信息，GPGGA：GPS定位信息，GPGSA：当前卫星信息，ARM主控制板1解析GPS5发送来的字符串，提取有用的信息，包括船体航向、速度以及具体方位信息，传回上位机4；

所述电子罗盘6采用IIC接口和ARM主控制板1连接，电子罗盘6会发送无人船的航行角度数据给ARM主控制板1，ARM主控制板1解析电子罗盘6的航行角度数据，结合GPS5的地理位置数据，可以得到船体航向、速度以及具体方位信息，并传回上位机4，电子罗盘6的船体航向信息比GPS5更准确；

如图3所示，所述摆线推进器20的监测控制系统还包括设在上位机4内的上位机控制软件，所述上位机控制软件包括收发数据解析程序、基于推进器数学模型程序、路径规划程序、实时监控程序、以及预警程序，所述ARM主控制板1内设有与上位机控制软件对应的ARM主控制板转换程序；

收发数据解析程序，接收ARM主控制板1通过无线通信模块3发过来的数据包，并解析数据包，然后把相应的不同参数赋给不同的变量，收发数据解析程序也可以发送上位机4对摆线推进器控制的相关参数，并将这些参数打包，通过无线通信模块3发送给ARM主控制板1；

基于推进器数学模型程序，根据摆线推进器20中舵机21的转动角度以及主驱动电机2的转速和转动方向对于无人船的航向和航速的数学模型编写而成，用户在其中输入无人船的航向和航速，基于推进器数学模型程序就能自动计算出最优的两个舵机21的转动角度和两个主驱动电机2的转速；

如图4所示，两个摆线推进器20的数学模型如下：

一舵机21的转动角度：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_1=\∠A_1{O}_1{O}_0-\∠{\mathrm{AO}}_1{O}_0\\ =\arccos \left(\frac{r^2-\[{\left(x_0+L\right)}^2+{\left(y_0+r\right)}^2\]-L^2}{2r*\sqrt{{\left(x_0+L\right)}^2+{\left(y_0+r\right)}^2}}\right)-\arctan \left(\frac{y_0+r}{x_0+L}\right)\end{array}$

另一舵机21的转动角度：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_2=\∠{\mathrm{BO}}_2{O}_0-\∠B_2{O}_2{O}_0\\ =arctan\left(\frac{y_0+L}{x_0+r}\right)-\arccos \left(\frac{r^2-\[{\left(x_0+r\right)}^2+{\left(y_0+L\right)}^2\]-L^2}{2r*\sqrt{{\left(x_0+r\right)}^2+{\left(y_0+L\right)}^2}}\right)\end{array}$

其中x₀，y₀表示偏心点坐标，r为舵机转动半径，L为偏心点和舵机圆周切点连线的距离，θ₁，θ₂为对应两个舵机的转动角度，图中A₁、B₂到偏心点O₀的距离都等于L是因为两个舵机的从动杆的长度相等；

路径规划程序，路径规划采用蚁群算法，在用户确定目的地后，路径规划程序能够对水域上的障碍进行识别，避开水域的障碍物，根据地理信息自动规划并计算出合适的路径，经基于蚁群算法的数学模型换算后，得到无人船合适的航向和航速，从而让船舶自动到达目的地；所述上位机4通过对接收到的GPS5和电子罗盘6的位置和航向数据进行解析，实时监控无人船的位置和航向，并与路径规划程序规划好的路径的位置和航向相比较，将比较结果转化为舵机21和主驱动电机2的控制代码，通过无线通信模块发送给无人船的ARM主控制板1，ARM主控制板1通过发送不同占空比的PWM信号给舵机21以控制舵机21的转动角度，并通过和电机驱动器7之间的Modbus协议控制主驱动电机2的转速和加速度，从而实时修正船舶运行路线，让船舶按照路径规划程序规划好的路径行走；

实时监控程序，接收ARM主控制板1传递来的相关参数，实时在上位机4中显示这些相关参数，并根据要求对无人船的航向和航速进行相关控制；

预警程序，当上位机4监测到所接收的电机温度传感器10或者油液温度传感器11的值超过设定的临界值时，上位机控制软件会发出预警通知用户，并自动降低主驱动电机2的转速，以及，当上位机4监测到所接收的扭矩传感器9的值超过设定的临界值时，上位机控制软件会发出预警通知用户，并自动降低主驱动电机2的转速或者使主驱动电机2停转；

ARM主控制板转换程序，作为上位机4以及与ARM主控制板1连接的各个部件(如各个传感器、电机驱动器等)的桥梁，转换上位机4发送过来的信号成各个部件能够识别的信号，让上位机4间接控制各个部件；

除通过上位机4实时监控无人船的运行之外，所述ARM主控制板1带有触摸屏，不通过上位机4，用户可以直接通过触摸屏在船上实时地监控无人船的运行；

图5为监测控制系统的ARM主控制板的流程图，系统上电以后，ARM主控制板1先初始化各种环境变量，然后ARM主控制板1控制等待用户选择模式，模式有远程控制模式和本地控制模式两种，当触摸屏有信号输入时，代表用户在无人船上实时控制无人船，此时为本地控制模式，当无线通信模块端有信号输入时，代表用户通过上位机远程控制无人船，此时为远程控制模式。当用户远程控制无人船时，ARM主控制板1等待接收到完整的控制数据后，ARM主控制板1执行该控制数据，控制舵机21的转动角度和主驱动电机2的转速，然后开始循环读取GPS5和电子罗盘6的位置和航向数据、油液温度传感器11数据、电机温度传感器10数据、力矩传感器9数据并发送到上位机4；当上位机4发送数据给ARM主控制板1时，ARM主控制板1立即触发中断，来执行上位机4发送的数据，完毕后继续执行循环段，当用户在无人船上实时监控无人船时，ARM主控制板1监测到触摸屏输入的中断后，会立即触发中断，执行触摸屏上传来的数据。

图6为两个摆线推进器的偏心点26以及主驱动电机2的转向与无人船前进方向的关系图。图6中(a)至(f)分别代表停止不动、后退、向右上方航行、向左航行、前进、向右航行。对于单个摆线推进器20来说：主驱动电机2转速不变的情况下，偏心距越大推力越大，摆线推进器20的推力方向和偏心矢量方向垂直。只要改变两摆线推进器的偏心点26位置，就能实现无人船的前进、后退、侧移、停止、变速、以及原地打转。

当偏心角度、主驱动电机2转速不变的情况下，偏心距越大，摆线推进器20的推力越大，前进速度越大。当偏心点26不变的情况下，主驱动电机2转速越大，推力越大，偏心角度只影响着无人船的航向。根据两个摆线推进器20产生的推力和水对摆线推进器20的阻力的影响，就可以大致算出两个摆线推进器20的前进速度。

以图6(b)为例，说明两个摆线推进器20的偏心点26以及主驱动电机2的转向与无人船前进方向的关系，详见图7，图中示出了两个摆线推进器20各自的偏心点26，以及在各个摆线推进器20的转盘25转动作用下，各个偏心点26处的速度矢量方向，偏心点26处的速度矢量方向即摆线推进器20的推力方向，两个摆线推进器20的推力合力作用，产生了无人船的前进方向，无人船的前进方向和两个摆线推进器20的推力合力方向相反，图7中，两个摆线推进器20的推力方向均向左，由此而产生的无人船的前进方向为向右。

图8为上位机的监控界面示意图。上位机4接收到ARM主控制板1传回的数据，包括舵机21的转动角度、主驱动电机2的转速和加速度、以及油液温度传感器11、电机温度传感器10和扭矩传感器9的测量数据、以及GPS5和电子罗盘6的位置和航向数据，并对这些进行解析，然后将这些执行器和传感器的数据在界面上实时地显示出来。

如图9、图10所示，包括上述监测控制系统的无人船，包括船舶本体，船舶本体由两个摆线推进器20推动运动，所述船舶本体上装有用于实时监控无人船的位置和航向的GPS5和电子罗盘6，所述两个摆线推进器20由上述的监测控制系统监控，所述GPS5采用UART串行口和ARM主控制板1连接，电子罗盘6采用IIC接口和ARM主控制板1连接。所述两个摆线推进器20关于船舶本体的纵向中线对称安装于船舶本体的中后部，所述电池12设置于船舶本体的纵向中线的中前部，所述ARM主控制板、GPS和电子罗盘的位置16位于船舶本体的纵向中线的中后部。

所述船舶本体的中前部固定有用于增大船体流线性的船鳍13，船鳍13沿船舶本体纵向中线设置，船鳍13的前端安装有由船头电机14带动旋转以利于船体转弯的转动圆杆15；当船舶要转弯的时候，船头电机14带动转动圆杆15旋转，利用马格纳斯效应，结合船鳍13的作用，转向力大大的增大，让船舶转弯性能更好。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.摆线推进器的监测控制系统，一艘无人船包括两个摆线推进器，每个摆线推进器由两个舵机控制其偏心点，各个摆线推进器的转盘在偏心点处的速度方向为该摆线推进器的推力方向，其特征在于：所述两个摆线推进器由一个监测控制系统监控，两个摆线推进器的监测控制系统包括ARM主控制板、分别驱动各个所述转盘转动的主驱动电机、通过无线通信模块和所述ARM主控制板通信的上位机、安装于无人船上的GPS和电子罗盘，所述ARM主控制板通过电机驱动器控制所述主驱动电机转动，所述主驱动电机的输出轴上装有用于测量主驱动电机的转速和加速度的编码器、用于测量主驱动电机输出扭矩的扭矩传感器，所述主驱动电机的内部装有用于测量主驱动电机内部温度的电机温度传感器，所述摆线推进器的主传动箱内装有用于测量摆线推进器的叶片摆动机构的油温的油液温度传感器，所述ARM主控制板和电机驱动器通过电池供电；

所述ARM主控制板根据编码器、扭矩传感器、电机温度传感器、油液温度传感器的数据输出四个PWM信号至四个舵机，通过四个PWM信号的占空比的不同控制四个舵机转动相应的角度，其中两个舵机通过主动杆、从动杆连接一摆线推进器的偏心杠杆的上端，从而可以确定与该两个舵机对应的摆线推进器的偏心点位置，另两个舵机通过主动杆、从动杆连接另一摆线推进器的偏心杠杆的上端，从而可以确定与该另两个舵机对应的另一摆线推进器的偏心点位置，通过各个摆线推进器的偏心点位置以及对应转盘的转动方向可以得到两个摆线推进器各自的推力方向，各个摆线推进器的推力方向为与其对应的转盘在偏心点处的速度矢量方向，在两个摆线推进器的推力合力作用下，船舶的运动是前进、后退、侧移、停止、变速、以及原地打转中的任意一种；

所述无线通信模块包括设在上位机内的第一无线通信模块以及设在ARM主控制板内的第二无线通信模块，第一无线通信模块通过USB接口和上位机连接，第二无线通信模块通过UART串行口和ARM主控制板连接，第一无线通信模块和第二无线通信模块之间无线通信连接；第一无线通信模块和第二无线通信模块之间的传输协议自定义，传输的数据包括舵机的转动角度、主驱动电机的转速和加速度、以及油液温度传感器、电机温度传感器和扭矩传感器的测量数据、以及GPS和电子罗盘的位置和航向数据；

所述ARM主控制板通过UART串行口将TTL电平经转换器转换成485电平控制对应两个摆线推进器的两个电机驱动器，二者之间的传输协议为Modbus协议，通过Modbus协议，在ARM主控制板内写入需要主驱动电机实现的转速值、加速度值，并从电机驱动器中读取主驱动电机的转速值、加速度值、电机内部温度值，从而完成对两个主驱动电机的控制；所述扭矩传感器和油液温度传感器则通过A/D转换接口和ARM主控制板连接；

所述GPS采用UART串行口和ARM主控制板连接，GPS会实时发送地理位置数据给ARM主控制板，GPS数据格式为：$信息类型，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，信息类型为，GPGSV：可见卫星信息，GPGLL：地理定位信息，GPRMC：推荐最小定位信息，GPVTG：地面速度信息，GPGGA：GPS定位信息，GPGSA：当前卫星信息，ARM主控制板解析GPS发送来的地理位置数据，提取有用的信息，包括船体航向、速度以及具体方位信息，传回上位机；

所述电子罗盘采用IIC接口和ARM主控制板连接，电子罗盘会发送无人船的航行角度数据给ARM主控制板，ARM主控制板解析电子罗盘的航行角度数据，结合GPS的地理位置数据，可以得到船体航向、速度以及具体方位信息，并传回上位机；

所述摆线推进器的监测控制系统还包括设在上位机内的上位机控制软件，所述上位机控制软件包括收发数据解析程序、基于推进器数学模型程序、路径规划程序、实时监控程序、以及预警程序，所述ARM主控制板内设有与上位机控制软件对应的ARM主控制板转换程序；

收发数据解析程序，接收ARM主控制板通过无线通信模块发过来的数据包，并解析数据包，然后把相应的不同参数赋给不同的变量，收发数据解析程序也可以发送上位机对摆线推进器控制的相关参数，并将这些参数打包，通过无线通信模块发送给ARM主控制板；

基于推进器数学模型程序，根据摆线推进器中舵机的转动角度以及主驱动电机的转速和转动方向对于无人船的航向和航速的数学模型编写而成，用户在其中输入无人船的航向和航速，基于推进器数学模型程序就能自动计算出最优的两个舵机的转动角度和两个主驱动电机的转速；

两个摆线推进器的数学模型如下：

一舵机的转动角度：

另一舵机的转动角度：

其中x₀,y₀表示偏心点坐标，r为舵机转动半径，L为偏心点和舵机圆周切点连线的距离，θ₁，θ₂为对应两个舵机的转动角度；

路径规划程序，路径规划采用蚁群算法，在用户确定目的地后，路径规划程序能够对水域上的障碍进行识别，避开水域的障碍物，根据地理信息自动规划并计算出合适的路径，经基于蚁群算法的数学模型换算后，得到无人船合适的航向和航速，从而让船舶自动到达目的地；所述上位机通过对接收到的GPS和电子罗盘的位置和航向数据进行解析，实时监控无人船的位置和航向，并与路径规划程序规划好的路径的位置和航向相比较，将比较结果转化为舵机和主驱动电机的控制代码，通过无线通信模块发送给无人船的ARM主控制板，ARM主控制板通过发送不同占空比的PWM信号给舵机以控制舵机的转动角度，并通过和电机驱动器之间的Modbus协议控制主驱动电机的转速和加速度，从而实时修正船舶运行路线，让船舶按照路径规划程序规划好的路径行走；

实时监控程序，接收ARM主控制板传递来的相关参数，实时在上位机中显示这些相关参数，并根据要求对无人船的航向和航速进行相关控制；

预警程序，当上位机监测到所接收的电机温度传感器或者油液温度传感器的值超过设定的临界值时，上位机控制软件会发出预警通知用户，并自动降低主驱动电机的转速，以及，当上位机监测到所接收的扭矩传感器的值超过设定的临界值时，上位机控制软件会发出预警通知用户，并自动降低主驱动电机的转速或者使主驱动电机停转；

ARM主控制板转换程序，作为上位机以及与ARM主控制板连接的各个部件的桥梁，转换上位机发送过来的信号成各个部件能够识别的信号，让上位机间接控制各个部件；

除通过上位机实时监控无人船的运行之外，所述ARM主控制板带有触摸屏，不通过上位机，用户可以直接通过触摸屏在船上实时地监控无人船的运行；

监测控制系统的流程为，系统上电以后，ARM主控制板先初始化各种环境变量，然后ARM主控制板控制等待用户选择模式，模式有远程控制模式和本地控制模式两种，当触摸屏有信号输入时，代表用户在无人船上实时控制无人船，此时为本地控制模式，当无线通信模块端有信号输入时，代表用户通过上位机远程控制无人船，此时为远程控制模式，当用户远程控制无人船时，ARM主控制板等待接收到完整的控制数据后，ARM主控制板执行该控制数据，控制舵机的转动角度和主驱动电机的转速，然后开始循环读取GPS和电子罗盘的位置和航向数据、油液温度传感器数据、电机温度传感器数据、力矩传感器数据并发送到上位机；当上位机发送数据给ARM主控制板时，ARM主控制板立即触发中断，来执行上位机发送的数据，完毕后继续执行循环段，当用户在无人船上实时监控无人船时，ARM主控制板监测到触摸屏输入的数据后，会立即触发中断，执行触摸屏上传来的数据。

2.包括如权利要求1所述的监测控制系统的无人船，包括船舶本体，船舶本体由两个摆线推进器推动运动，其特征在于：所述船舶本体上装有用于实时监控无人船的位置和航向的GPS和电子罗盘，所述两个摆线推进器由上述的监测控制系统监控，所述GPS采用UART串行口和ARM主控制板连接，电子罗盘采用IIC接口和ARM主控制板连接。

3.如权利要求2所述的包括监测控制系统的无人船，其特征在于：所述船舶本体的中前部固定有用于增大船体流线性的船鳍，船鳍沿船舶本体纵向中线设置，船鳍的前端安装有由船头电机带动旋转以利于船体转弯的转动圆杆；

当船舶要转弯的时候，船头电机带动转动圆杆旋转，利用马格纳斯效应，结合船鳍的作用，转向力大大的增大，让船舶转弯性能更好。

4.如权利要求2或3所述的包括监测控制系统的无人船，其特征在于：所述两个摆线推进器关于船舶本体的纵向中线对称安装于船舶本体的中后部，所述电池设置于船舶本体的纵向中线的中部，所述ARM主控制板、GPS和电子罗盘设置于船舶本体的纵向中线的中前部。