CN212290230U - 一种氢能全矢量推进无人水上平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种氢能全矢量推进无人水上平台，包括平台主体、探知系统、控制系统、通信系统、动力系统和矢量推进系统；平台主体包括位于水上的开敞式工作台和位于水下的浮体；控制系统具有远程遥控模式和自动航行模式，动力系统以燃料电池为主动力，同时具有锂电池作为备用能源，矢量推进系统的每个推进单元都可实现左右、正反和转速三个自由度上的灵活调整，实现了在复杂水面情况和水面障碍物拥挤的条件下的灵活调整，相比常规运输船，本实用新型在船舶的初始造价有明显优势，并且具有高航速、高续航、环保等特点，尤其在内河、湖泊和近海排放限制区，对减少碳排放和防治空气污染方面有重大意义。

Description

一种氢能全矢量推进无人水上平台

技术领域

本实用新型涉及用于内河、湖泊以及海用的无人值守船舶类运载工具，尤其涉及一种氢能全矢量推进无人水上平台。

背景技术

无人值守运载工具是一种新型的水上运输平台，其以河川、湖泊、水库、海岸及港湾等水域为对象，以小型船舶为载体，集成定位导航、通讯与控制设备，可完成既定的运输或巡逻任务。随着近年来对此类工具的需求增长，对无人值守运载工具的应用研究也越来越广泛，其中关于此类工具的能源系统、巡航机动性以及航行控制技术是相关研究中的关键问题，也是无人值守运载工具人工智能研究的重要内容。

目前无人值守运载工具市场中，主要通过柴油机或者锂电池提供动力，由于锂电池的电池容量有限，无法实现高续航能力，而柴油机则会排出大量氮氧化合物（NOX）和颗粒性物质（PM）等大气污染物，不符合环保的要求。同时对于部分地形狭窄复杂的水域，如何实现无人船的灵活机动航行能力也是目前亟待解决的问题。同时目前无人值守运载工具市场中主要通过人为远程遥控进行控制，缺乏自主航行的无人航行系统。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种氢能多功能无人平台，其具有高续航能力，高航行速度以及环保的优点。

本实用新型完整的技术方案包括：

一种氢能全矢量推进无人水上平台，包括平台主体、探知系统、控制系统、通信系统、动力系统和矢量推进系统；

所述平台主体包括位于水上的开敞式工作台和位于水下的浮体；所述浮体固定于开敞式工作台的下方并对称设置；开敞式工作台前端设有天线立杆和雷达立杆；所述天线立杆与开敞式工作台固定连接，天线立杆中部设有第一安装板；所述雷达立杆与开敞式工作台固定连接，雷达立杆顶部设有第二安装板；

所述探知系统包括定位单元、双波段雷达和全景摄像头，所述定位单元包括卫星定位装置、岸基定位装置和海基定位装置；所述双波段雷达设于雷达立杆中部；所述全景摄像头共有四个，其中两个位于天线立杆中部的第一安装板上，另外两个安装于雷达立杆顶部的第二安装板上；

所述通信系统包括天线单元和无线电接收器，所述天线单元设于天线立杆顶部；

所述探知系统中，定位单元对无人水上平台的位置定位，双波段雷达和全景摄像头确定无人水上平台周边物体、无人水上平台与周边物体的距离、水面状态信息和无人水上平台的姿态数据，并传送给控制系统；

控制系统通过通信系统将上述定位单元对无人水上平台的位置定位，双波段雷达和全景摄像头确定的无人水上平台周边物体、无人水上平台与周边物体的距离、水面状态信息和无人水上平台的姿态数据传送给远程控制中心；所述通信系统同时通过通信系统接收卫星数据或者来自远程控制中心的指令；

所述控制系统设于开敞式工作台前端，控制系统至少包括自主航行控制单元和执行单元，所述控制系统能够根据接收到的来自远程控制中心的指令，并根据指令使执行单元执行操作；所述控制系统同时能够根据来自探知系统的定位单元对无人水上平台的位置定位，双波段雷达和全景摄像头确定的无人水上平台周边物体、无人水上平台与周边物体的距离、水面状态信息和无人水上平台的姿态数据进行自主航行控制指令，并使执行单元执行操作；

所述动力系统包括压缩氢气罐、锂电池、燃料电池、动力管理单元和船用电机，所述压缩氢气罐位于开敞式工作台尾端，并通过快速连接接头与燃料电池的供气系统连接，为燃料电池提供其所需的氢气；所述燃料电池、锂电池、动力管理单元和船用电机均固定于开敞式工作台下方；所述燃料电池和锂电池分别与动力管理单元连接，所述动力管理单元连接四个船用电机并为其提供动力，所述船用电机连接矢量推进系统；

所述矢量推进系统包括四个矢量推进单元，所述四个矢量推进单元安装于平台主体尾端的浮体两侧，每个矢量推进单元均包括螺旋桨，所述螺旋桨的传动轴通过摆动接头连接独立的船用电机；每个船用电机均能够独立实现正反转，控制系统能够通过控制摆动接头实现螺旋桨的左右摆动。

所述探知系统还包括陀螺仪、AIS单元和电子海图。

所述远程控制中心包括岸基控制中心或海基控制中心。

所述天线单元包括卫星天线和VHF天线。

本实用新型与现有技术相比所具有的有益效果为：

1.本实用新型的无人水上平台相比常规运输船，省去了与人有关的安全、逃生等成本，将操作场所从船上转移到岸上，安全性更高。平台具有开敞甲板面积，可以运输集装箱，也可以搭载各种设备，最大载荷可以达到20吨。

2.以燃料电池为能源的使用可以减少碳排放和防止空气污染，同时具有混合电力系统，在燃料电池出故障时可以立刻切换到锂电池动力，提高了可靠性。

3.具有自主航行能力，不依赖于岸基操作人员，自主根据自身姿态、周围环境来决定路线，不需要人的遥控操作。

4.具有卫星通信和岸基通信功能，提供高速数据通道。具有动力定位功能，可以利用矢量推进使无人平台精确在0.2米误差范围之内。

附图说明

图1是本实用新型的氢动力全矢量推进无人水上平台的结构示意图。

图2是图1的侧视图。

图3是图1的俯视图。

图4为本实用新型的矢量推进系统结构示意图。

图5为本实用新型自主航行模式所用到的模块组图。

图中：1-控制系统；2-开敞式工作台；3-氢气罐；4-锂电池；5-燃料电池；6-动力管理单元；7-船用电机；8-矢量推进系统；9-双波段雷达；10-天线单元；11-全景摄像头；12-浮体；13-电机轴；14-螺旋桨；15-摆动接头。

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。

如图1-2所示，一种氢动力全矢量推进无人水上平台，其包含以下结构：平台主体、探知系统、控制系统、通信系统、动力系统和矢量推进系统。

平台主体包括位于水上的开敞式工作台2和位于水下的浮体12；该开敞式工作台2为大致呈长方形的平面结构，浮体12固定于开敞式工作台2的下方，左右对称设置。

开敞式工作台前端设有天线立杆和雷达立杆；天线立杆与开敞式工作台固定连接，天线立杆中部设有第一安装板；雷达立杆与开敞式工作台固定连接，雷达立杆顶部设有第二安装板。

探知系统至少包括定位单元、双波段雷达9和全景摄像头11、陀螺仪、AIS单元和电子海图，定位单元包括卫星定位装置、岸基定位装置和海基定位装置，可以精确确定无人水上平台的实时地理位置；双波段雷达9设于雷达立杆中部；全景摄像头11共有四个，其中两个位于天线立杆中部的第一安装板上，另外两个安装于雷达立杆顶部的第二安装板上。

通信系统至少包括天线单元10（包括卫星天线和VHF天线）和无线电接收器，天线单元设于天线立杆顶部；通信单元通过卫星天线、VHF天线和无线电接收器来接收卫星数据或者岸基、海基控制中心数据，同时将无人平台的姿态数据输送至控制系统。

探知系统中，定位单元对无人水上平台的位置定位，双波段雷达和全景摄像头确定无人水上平台周边物体、无人水上平台与周边物体的距离、水面状态信息和无人水上平台的姿态数据，并传送给控制系统。

控制系统1设于开敞式工作台前端，控制系统1通过通信系统将上述定位单元对无人水上平台的位置定位，双波段雷达和全景摄像头确定的无人水上平台周边物体、无人水上平台与周边物体的距离、水面状态信息和无人水上平台的姿态数据传送给岸基或海基控制中心；通信系统同时通过通信系统接收卫星数据或者来自岸基或海基控制中心的指令。

控制系统至少包括自主航行控制单元和执行单元，控制系统能够根据接收到的来自岸基或海基控制中心的指令，并根据指令使执行单元执行操作；控制系统同时能够根据来自探知系统的定位单元对无人水上平台的位置定位，双波段雷达和全景摄像头确定的无人水上平台周边物体、无人水上平台与周边物体的距离、水面状态信息和无人水上平台的姿态数据进行自主航行控制指令，并使执行单元执行操作。

因此，控制系统具有两种工作模式，一种是远程遥控模式，由岸基或海基控制中心对航线、航速和姿态进行遥控操作，另一种是自动航行模式，控制系统自主根据周围环境进行姿态调整、航速调节，同时对周围船只和障碍进行规避；

两种工作模式的基本原理和所用到的各个模块组如图5所示：

遥控模式：岸基指令可以通过通信系统的多模态通信接口模块（3/4G、海事卫星、北斗卫星或其他接口），进入控制系统执行单元的动作控制-任务分解模块，该模块可以进行设备控制、方向控制、避碰控制、应急控制、速度控制、救助控制以及备用控制，然后对无人平台进行遥控操作，最终实现各部分的任务。

自主航行模式：通过探知系统的多源传感器接口模块（连接GPS、雷达、陀螺仪、电子海图、全景影像系统、定位装置等），将信号传送至自主航行控制单元的多源传感器信息融合处理模块，并通过自我分析无人平台状态、设备状态、环境信息等之后，将指令发送至执行单元的动作控制-任务分解模块，对无人平台进行任务分解控制。

动力系统包括压缩氢气罐3、锂电池4、燃料电池5、动力管理单元6和船用电机7，压缩氢气罐位于开敞式工作台尾端，并通过快速连接接头与燃料电池的供气系统连接，为燃料电池提供其所需的氢气；燃料电池、锂电池、动力管理单元和船用电机均固定于开敞式工作台下方；燃料电池和锂电池分别与动力管理单元连接，实现无人水上平台的混合电力能源系统；动力管理单元连接四个船用电机并为其提供动力，船用电机连接矢量推进系统8。

如图4所示，矢量推进系统8包括四个矢量推进单元，四个矢量推进单元安装于平台主体尾端的浮体12两侧，每个矢量推进单元均包括螺旋桨14，螺旋桨的传动轴通过摆动接头15连接独立的船用电机，摆动接头与船用电机的电机轴13连接；每个船用电机均能够独立实现正反转，控制系统能够通过控制摆动接头实现螺旋桨的左右摆动。在矢量推进系统中，每个矢量推进单元可以根据控制系统的指令，独立的向左或向右摆动，如图4中左右箭头所示，同时每个单元分别连接独立的电机，动力管理单元可以给每个电机分配不同的动力，实现4个螺旋桨的不同转速，同时每个电机还可以实现独立实现正转或反转，使该矢量推进系统每个推进单元都可实现左右、正反和转速三个自由度上的灵活调整，4个推进单元配合调整，实现了在复杂水面情况和水面障碍物拥挤的条件下的灵活调整，具有极高的机动性和快速反应能力。

尽管为了说明的目的，已描述了本实用新型的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的实用新型的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围，并且本实用新型要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本实用新型中所公开的实施方式的描述并非为了限制本实用新型的范围，而是用于描述本实用新型。相应地，本实用新型的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。

Claims (4)

1.一种氢能全矢量推进无人水上平台，其特征在于：包括平台主体、探知系统、控制系统、通信系统、动力系统和矢量推进系统；

所述平台主体包括位于水上的开敞式工作台和位于水下的浮体；所述浮体固定于开敞式工作台的下方并对称设置；开敞式工作台前端设有天线立杆和雷达立杆；所述天线立杆与开敞式工作台固定连接，天线立杆中部设有第一安装板；所述雷达立杆与开敞式工作台固定连接，雷达立杆顶部设有第二安装板；

所述探知系统包括定位单元、双波段雷达和全景摄像头，所述定位单元包括卫星定位装置、岸基定位装置和海基定位装置；所述双波段雷达设于雷达立杆中部；所述全景摄像头共有四个，其中两个位于天线立杆中部的第一安装板上，另外两个安装于雷达立杆顶部的第二安装板上；

所述通信系统包括天线单元和无线电接收器，所述天线单元设于天线立杆顶部；

所述探知系统中，定位单元对无人水上平台的位置定位，双波段雷达和全景摄像头确定无人水上平台周边物体、无人水上平台与周边物体的距离、水面状态信息和无人水上平台的姿态数据，并传送给控制系统；

控制系统通过通信系统将定位单元对无人水上平台的位置定位，双波段雷达和全景摄像头确定的无人水上平台周边物体、无人水上平台与周边物体的距离、水面状态信息和无人水上平台的姿态数据传送给远程控制中心；所述通信系统同时通过通信系统接收卫星数据或者来自远程控制中心的指令；

所述控制系统设于开敞式工作台前端，控制系统至少包括自主航行控制单元和执行单元，所述控制系统能够根据接收到的来自远程控制中心的指令，并根据指令使执行单元执行操作；所述控制系统同时能够根据来自探知系统的定位单元对无人水上平台的位置定位，双波段雷达和全景摄像头确定的无人水上平台周边物体、无人水上平台与周边物体的距离、水面状态信息和无人水上平台的姿态数据进行自主航行控制指令，并使执行单元执行操作；

所述动力系统包括压缩氢气罐、锂电池、燃料电池、动力管理单元和船用电机，所述压缩氢气罐位于开敞式工作台尾端，并通过快速连接接头与燃料电池的供气系统连接，为燃料电池提供其所需的氢气；所述燃料电池、锂电池、动力管理单元和船用电机均固定于开敞式工作台下方；所述燃料电池和锂电池分别与动力管理单元连接，所述动力管理单元连接四个船用电机并为其提供动力，所述船用电机连接矢量推进系统；

所述矢量推进系统包括四个矢量推进单元，所述四个矢量推进单元安装于平台主体尾端的浮体两侧，每个矢量推进单元均包括螺旋桨，所述螺旋桨的传动轴通过摆动接头连接独立的船用电机；每个船用电机均能够独立实现正反转，控制系统能够通过控制摆动接头实现螺旋桨的左右摆动。

2.根据权利要求1所述的一种氢能全矢量推进无人水上平台，其特征在于：所述探知系统还包括陀螺仪、AIS单元和电子海图。

3.根据权利要求1所述的一种氢能全矢量推进无人水上平台，其特征在于：所述远程控制中心包括岸基控制中心或海基控制中心。

4.根据权利要求1所述的一种氢能全矢量推进无人水上平台，其特征在于：所述天线单元包括卫星天线和VHF天线。

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