CN208621962U - 一种分布式无人船监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型专利公开一种分布式无人船监控系统，包括监控层、控制层和现地层；所述监控层包括监控终端、卫星通讯设备、无线通讯设备；所述控制层包括通讯管理机、主控制器、综合配电装置、智能舵控制器和智能操作面板；所述现地层包括导航设备、环境感知设备、船载电气设备，动力设备、执行器和传感器；所述监控层通过无线通讯设备与控制层的通讯管理机建立通讯；所述控制层的“主控制器、综合配电装置、智能舵控制器和智能操作面板”通过CAN现场总线实现互联；主控制器和通讯管理机通过以太网互联；主控制和现地层设备通过以太网或串口线互联；所述综合配电装置为控制层和现地层提供电源。本系统层次清晰，方便用户分层管理和功能拓展。

Description

一种分布式无人船监控系统

技术领域

本实用新型涉及机器人监控系统，尤其是一种分布式无人船监控系统。

背景技术

无人船是一种可以无需遥控，借助精确卫星定位和自身传感即可按照预设任务在水面航行的全自动水面机器人，英文缩写为USV。无人船融合了船舶、通信、自动化、机器人控制、远程监控、网络化系统等技术，实现了自主导航、智能避障、远距离通信、视频实时传输和网络化监控等功能。

无人船可以自主航行、智能避障，支持远程遥控和有人驾驶；无人船通过搭载不同的任务载荷满足多种应用需求，远程监控终端对无人船及搭载设备进行监控和管理，对采集的数据进行存储、分析和复现，监控中心可管理多艘无人艇运行，针对不同类应用建立大数据分析平台。

已有的无人船中，“领航者”号平台已经实现搭载红外探测仪、潜水器等进行协同作业，其油电混合动力系统最高可提供30节的航速，并能在1000公里范围内通过GPS或者北斗系统实现高精度定位自主航行、自主作业。未来，搭载着更多软硬件的“领航者”号将广泛应用于环保监测、科研勘探、水下测绘、搜索救援、安防巡逻乃至军事领域。

以无人船为核心的监控系统包括远程遥控监控设备、无人船及其传感设备，整个系统管理设备较多，组织混乱，不易拓展。因此有必要提供一种层次清晰的监控管理系统，能满足无人船整个系统的监控需求。

鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型需要解决的技术问题是：通过一种分布式无人船监控系统将无人船整体系统组织为三个层次进行搭建和管理，从而确保无人船监控系统层次分明，便于组织和维护。

本实用新型通过如下技术方案达到上述目的：本实用新型提供一种分布式无人船监控系统，包括监控层、控制层和现地层，所述监控层包括监控终端、卫星通讯设备、无线通讯设备；所述控制层包括通讯管理机、主控制器、综合配电装置、智能舵控制器和智能操作面板；所述现地层包括导航设备、环境感知设备、船载电气设备，远程IO模块，动力设备、执行器和传感器；所述监控层与控制层建立无线通讯；所述控制层与现地层建立有线通讯，包括以太网通讯和串行线通讯。

所述无线通讯设备包括防火墙、无线公网、通讯电台和4G通讯模块，通讯电台包括数字电台和宽带电台；所述卫星通讯设备包括北斗通讯卡或GPS通讯卡；所述监控终端包括监控中心、车载指挥中心、便携式基站和遥控手柄；所述车载指挥中心通过卫星通讯设备与监控中心建立通讯，车载指挥中心还可以通过4G通讯模块向无线公网传送数据，然后经由防火墙接收监控中心的指令数据；便携式基站通过通讯电台与车载指挥中心通讯。

所述通讯管理机包括以太网口、串行接口和无线通讯接口，通讯管理机为监控系统提供宽带数据和控制数据传输通道,并具备无线数据交换管理功能；所述车载指挥中心、便携式基站或遥控手柄通过通讯电台与控制层的通讯管理机的无线通讯接口建立无线通讯。

所述主控制器内置GNSS测向定位模块、外置高精度组合惯导系统接口、内置AIS船舶自动识别系统模块，主控制器配置以太网口、串行接口和总线接口；主控制器完成感知设备的数据采集、预处理、数据融合和存储，实现船体的智能航行运动控制、避碰、循迹、定速和定向等功能，完成远程控制指令的提取、转发和执行；主控制器可提供发动机点火、启停、急停、油门、档位和舵控制功能，并自适应适配对各式主机、推进器和操舵机构的控制。

所述综合配电装置包括电源输入口、电源转换器、电源输出口、配电控制板和总线接口；电源输入口用于接受无人船上发动机或船载电池的电源，经由电源转换器后得到对应电压的输出电源，并通过电源输出口为控制层和现地层提供电源。所述综合配电装置的配电控制板根据主控制器指令实现电能调度、分配、监测、保护和充放电管理，实现电路过压、过载和短路保护，主回路的绝缘监测和保护，监控电力系统运行状态。

所述智能舵控制器包括舵控制主板、串行接口和总线接口；智能舵控制器配合远程IO模块完成发动机点火、启停、急停、油门、档位和舵控制功能，智能舵控制器配合传感器采集舵角传感器和转速脉冲数据，智能舵控制器配合执行器可控制压浪板或拦阻器、电动锚机，可配对各型主机、推进器和操舵机构的控制,兼容对机械油门的控制。

所述智能操作面板包括显示屏、操作遥杆、按钮和总线接口。智能操作面板可安装在船上，操作遥杆用于有人驾驶，显示屏实现船体航行姿态、运行状态、电罗经、电量、油量等关键信息显示，按钮能用于完成一键启停，急停，语音控制与播报，指纹识别，航行操控，航行应急操控，模式切换，任务控制，功能选择，设备供电控制，智能泊岸，动力定位和电子锚等功能操作。

所述导航设备包括惯导设备和卫星导航设备，所述卫星导航设备包括GPS导航或北斗导航。

所述环境感知设备包括数字雷达、激光雷达、毫米波雷达、光电系统、声纳和气象监测仪。

所述船载电气设备包括船载电池、电缆、探照灯和喇叭。

所述动力设备包括发动机、舵机系统、喷泵系统和/或螺旋桨系统。

所述传感器包括水位传感器、温度传感器、燃油油位传感器、舵角传感器和转速，传感器将采集的数据转发给控制层设备。

所述控制层的主控制器、综合配电装置、智能舵控制器和智能操作面板的总线接口通过CAN现场总线实现互联，主控制器监控综合配电装置、智能舵控制器和智能操作面板的逻辑控制功能、状态量采集与数据通信，完成过程控制功能；主控制器和通讯管理机通过以太网口和串行接口互联，主控制器的以太网口与通讯管理机的以太网口通过网线连接，主控制器的串行接口与通讯管理机的串行接口通过串行线连接；所述主控制器和现地层的设备通过以太网口、串行接口互联或CAN现场总线相连，其中现地层设备具备以太网口则通过网线与主控制器的以太网口连接，如环境感知设备中数字雷达、激光雷达、毫米波雷达、光电系统、声纳和气象监测仪，其中现地层设备具备串行接口则通过串口线与主控制器的串行接口连接，如导航设备中的惯导设备，其中现地层设备具备总线接口则通过CAN现场总线与主控制器的总线接口连接，如远程IO设备通过CAN现场总线与主控制器交互数据；所述综合配电装置与现地层的船载电器设备通过电源线相连；所述智能舵控制器与现地层的动力设备通过CAN现场总线相连。

所述监控终端上安装监控软件，配置服务器、任务载荷模块、历史数据库、电子海图显示与信息系统，提供对无人船监控的人机交互界面。

所述现地层的环境感知设备中设置具备MESH通讯电台，MESH通讯电台与通讯管理机通过以太网连接；所述无人船监控系统中能同时容纳多艘无人船，无人船之间可通过MESH通讯电台进行集群组网。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：1、通过设置监控层、控制层和现地层，对无人船监控系统实现分层管理，既保证单层内部友好通讯，又保证层次之间数据交互，简化了无人船监控系统建设流程，为无人船功能拓展提供统一的平台。

2、监控层通过防火墙实现信息安全管理，确保控制指令集重要数据安全传递。

3、监控层设置服务器确保监控系统具备大容量数据处理能力和监管功能。

4、本分布式无人船系统，可直接用于新造无人船，也可用于常规船的无人化改造，系统提供丰富的外部接口和良好的二次开发环境，方便用户进行功能拓展。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例1中一种分布式无人船监控系统总体结构图。

图2为本实用新型实施例2中三艘无人船组成的分布式监控系统总体结构图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本实用新型的限制。

此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本实用新型。

实施例1:如图1-2所示，一种分布式无人船监控系统，包括监控层、控制层和现地层，所述监控层包括监控终端、卫星通讯设备、无线通讯设备；所述控制层包括通讯管理机、主控制器、综合配电装置、智能舵控制器和智能操作面板；所述现地层包括导航设备、环境感知设备、船载电气设备，RIO-8100系列远程IO模块，动力设备、执行器和传感器；所述监控层与控制层建立无线通讯；所述控制层与现地层建立有线通讯，包括以太网通讯和串行线通讯。

所述监控层设备设置在岸上基地或大型移动平台上，控制层设备设置在无人船控制舱中，现地层设备分布于无人船船体上。

所述无线通讯设备包括防火墙、无线公网、通讯电台和4G通讯模块，通讯电台包括数字电台和宽带电台；所述卫星通讯设备包括北斗通讯卡或GPS通讯卡；所述监控终端包括监控中心、车载指挥中心、便携式基站和遥控手柄；所述车载指挥中心通过卫星通讯设备与监控中心建立通讯，车载指挥中心还可以通过4G通讯模块向无线公网传送数据，然后经由防火墙接收监控中心的指令数据；便携式基站通过通讯电台与车载指挥中心通讯。

所述通讯管理机采用F-DPU100通讯管理机，其具备以太网口、串行接口和无线通讯接口，通讯管理机为监控系统提供宽带数据和控制数据传输通道,并具备无线数据交换管理功能；所述车载指挥中心、便携式基站或遥控手柄通过通讯电台与控制层的通讯管理机的无线通讯接口建立无线通讯。

所述主控制器的主板卡包括DSP板卡和MCU板卡，主控制器内置GNSS测向定位模块、外置高精度组合惯导系统接口、内置AIS船舶自动识别系统模块，主控制器配置以太网口、串行接口和总线接口；主控制器完成感知设备的数据采集、预处理、数据融合和存储，实现船体的智能航行运动控制、避碰、循迹、定速和定向等功能，完成远程控制指令的提取、转发和执行；主控制器可提供发动机点火、启停、急停、油门、档位和舵控制功能，并自适应适配对各式主机、推进器和操舵机构的控制。

所述综合配电装置包括电源输入口、电源转换器、电源输出口、配电控制板和总线接口；电源输入口用于接受无人船上发动机或船载电池的电源，经由电源转换器后得到对应电压的输出电源，如输出直流12V或直流24V，并通过电源输出口为控制层和现地层提供电源。所述综合配电装置的配电控制板根据主控制器指令实现电能调度、分配、监测、保护和充放电管理，实现电路过压、过载和短路保护，主回路的绝缘监测和保护，监控电力系统运行状态。

所述智能舵控制器包括舵控制主板、串行接口和总线接口；智能舵控制器配合远程IO模块完成发动机点火、启停、急停、油门、档位和舵控制功能，智能舵控制器配合传感器采集舵角传感器和转速脉冲数据，智能舵控制器配合执行器可控制压浪板或拦阻器、电动锚机，可配对各型主机、推进器和操舵机构的控制,兼容对机械油门的控制。

所述智能操作面板包括显示屏、操作遥杆、按钮和总线接口。智能操作面板可安装在船上，操作遥杆用于有人驾驶，显示屏实现船体航行姿态、运行状态、电罗经、电量、油量等关键信息显示，按钮能用于完成一键启停，急停，语音控制与播报，指纹识别，航行操控，航行应急操控，模式切换，任务控制，功能选择，设备供电控制，智能泊岸，动力定位和电子锚等功能操作。

所述导航设备包括惯导设备和卫星导航设备，卫星导航设备采用GPS导航。

所述环境感知设备包括数字雷达、激光雷达、毫米波雷达、光电系统、声纳和气象监测仪。

所述船载电气设备包括船载电池、电缆、探照灯和喇叭。

所述动力设备包括发动机、舵机系统、喷泵系统和/或螺旋桨系统。

所述传感器包括水位传感器、温度传感器、燃油油位传感器、舵角传感器和转速，传感器将采集的数据转发给控制层设备。

所述控制层的主控制器、综合配电装置、智能舵控制器和智能操作面板的总线接口通过CAN现场总线实现互联，主控制器监控综合配电装置、智能舵控制器和智能操作面板的逻辑控制功能、状态量采集与数据通信，完成过程控制功能；主控制器和通讯管理机通过以太网口和串行接口互联，主控制器的以太网口与通讯管理机的以太网口通过网线连接，主控制器的串行接口与通讯管理机的串行接口通过串行线连接；所述主控制器和现地层的设备通过以太网口、串行接口互联或CAN现场总线相连，其中现地层设备具备以太网口则通过网线与主控制器的以太网口连接，如环境感知设备中数字雷达、激光雷达、毫米波雷达、光电系统、声纳和气象监测仪，其中现地层设备具备串行接口则通过串口线与主控制器的串行接口连接，如导航设备中的惯导设备，其中现地层设备具备总线接口则通过CAN现场总线与主控制器的总线接口连接，如远程IO设备通过CAN现场总线与主控制器交互数据；所述综合配电装置与现地层的船载电器设备通过电源线相连；所述智能舵控制器与现地层的动力设备通过CAN现场总线相连。

所述监控终端上安装监控软件，配置服务器、任务载荷模块、历史数据库、电子海图显示与信息系统，提供对无人船监控的人机交互界面。

实施例2:在实施例1的基础上，所述现地层的环境感知设备中设置具备MESH组网功能的通讯电台，MESH通讯电台与通讯管理机通过以太网连接；所述无人船监控系统中能同时容纳多艘无人船，无人船之间可通过MESH通讯电台进行集群组网，实现无人船集群监控。

如图2所示，由一艘巡逻无人船、一艘测绘无人船和一艘警戒无人船组成的分布式无人船集群监控系统；其中测绘无人船按照指定路线间接性测绘水域地形，警戒无人船跟随测绘船担任警戒任务，巡逻无人船在测绘水域外沿关键水域来回巡逻；各无人船上设置具备MESH组网功能的通讯电台AirMesh400；无人船之间可通过MESH组网进行集群监控，以测绘无人船为集群中心；测绘无人船将其它无人船的监控数据上传给监控中心。

此监控系统的监控层设置有：监控中心和车载指挥中心。

此监控系统控制层设备分布设置在各无人船上，每艘无人船上都设置有：通讯管理机、主控制器、综合配电装置、智能舵控制器和智能操作面板。

此监控系统现地层设备分布设置在各无人船上，其中巡逻无人船上配置的环境感知设备包括光电视觉器和声纳系统，船载电器设备包括喇叭和拾音器；测绘无人船上配置的环境感知设备包括测深仪、水质分析仪、水质取样器、ADCP；警戒无人船上配置的环境感知设备包括光电跟踪仪和声纳系统，船载电器设备包括遥控对抗设备，如水炮系统。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，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任何修改、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 (8)

1.一种分布式无人船监控系统，包括监控层、控制层和现地层，其特征在于，所述监控层包括监控终端、卫星通讯设备、无线通讯设备；所述控制层包括通讯管理机、主控制器、综合配电装置、智能舵控制器和智能操作面板；所述现地层包括导航设备、环境感知设备、船载电气设备，远程IO模块，动力设备、执行器和传感器；所述监控层与控制层建立无线通讯；所述控制层与现地层建立有线通讯；所述综合配电装置为控制层和现地层提供电源。

2.根据权利要求1所述的一种分布式无人船监控系统，其特征在于，所述无线通讯设备包括防火墙、无线公网、通讯电台和4G通讯模块；所述卫星通讯设备包括北斗通讯卡或GPS通讯卡；所述监控终端包括监控中心、车载指挥中心、便携式基站和遥控手柄；所述车载指挥中心通过卫星通讯设备或无线通讯设备与监控中心建立通讯，所述便携式基站通过通讯电台与车载指挥中心通讯。

3.根据权利要求2所述的一种分布式无人船监控系统，其特征在于，

所述通讯管理机包括以太网口、串行接口和无线通讯接口；所述监控中心、车载指挥中心、便携式基站和遥控手柄通过通讯电台与通讯管理机的无线通讯接口建立无线通讯。

4.根据权利要求3所述的一种分布式无人船监控系统，其特征在于，

所述主控制器内置GNSS测向定位模块、外置高精度组合惯导系统接口、内置AIS船舶自动识别系统模块；所述主控制器配置以太网口、串行接口和总线接口；

所述综合配电装置包括电源输入口、电源转换器、电源输出口、配电控制板和总线接口；

所述智能舵控制器包括舵控制主板、串行接口和总线接口；

所述智能操作面板包括显示屏、操作遥杆、按钮和总线接口。

5.根据权利要求4所述的一种分布式无人船监控系统，其特征在于，

所述导航设备包括惯导设备和卫星导航设备；

所述环境感知设备包括数字雷达、激光雷达、毫米波雷达、光电系统、声纳和气象监测仪；

所述船载电气设备包括船载电池、探照灯和喇叭；

所述动力设备包括发动机系统、舵机系统、喷泵系统和/或螺旋桨系统。

6.根据权利要求1所述的一种分布式无人船监控系统，其特征在于，

所述控制层的主控制器、综合配电装置、智能舵控制器和智能操作面板的总线接口通过现场总线实现互联，主控制器监控综合配电装置、智能舵控制器和智能操作面板逻辑控制功能、状态量采集与数据通信；主控制器和通讯管理机通过以太网和串口线互联；所述主控制器和现地层的设备通过以太网口、串行接口互联或现场总线相连；所述综合配电装置与现地层设备通过电源线相连；智能舵控制器与现地层设备通过现场总线相连。

7.根据权利要求2所述的一种分布式无人船监控系统，其特征在于，

所述监控终端上安装监控软件，配置服务器、任务载荷模块、历史数据库和电子海图。

8.根据权利要求1所述的一种分布式无人船监控系统，其特征在于，

所述现地层的环境感知设备中设置具备MESH通讯电台，所述MESH通讯电台与所述通讯管理机通过以太网连接；所述无人船监控系统中能同时容纳多艘无人船，无人船之间可通过MESH通讯电台进行集群组网。