擺線推進(jìn)器的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)以及包括該系統(tǒng)的無(wú)人船的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于船舶特種推進(jìn)器監(jiān)測(cè)與控制領(lǐng)域，具體設(shè)及一種擺線推進(jìn)器的監(jiān) 測(cè)控制系統(tǒng)W及包括該系統(tǒng)的無(wú)人船。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今世界各國(guó)越來(lái)越重視海洋發(fā)展戰(zhàn)略。推進(jìn)器是推動(dòng)船舶運(yùn)動(dòng)的裝置，長(zhǎng)期W 來(lái)人們?yōu)樘剿餍滦透咝У耐七M(jìn)器而不屑地努力。船用螺旋獎(jiǎng)推進(jìn)器是海洋工程裝備中最常 見(jiàn)的船舶推進(jìn)器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、市場(chǎng)寬廣，但是其操縱和控制性能不足，難于適應(yīng) 船舶側(cè)移、后退、停止、變速、W及原地打轉(zhuǎn)等要求。擺線推進(jìn)器在機(jī)動(dòng)性方面優(yōu)越于普通的 螺旋獎(jiǎng)推進(jìn)器。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 本實(shí)用新型提供一種擺線推進(jìn)器的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)W及包括該系統(tǒng)的無(wú)人船，擺線 推進(jìn)器的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)無(wú)人船的監(jiān)控，包括該監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的無(wú)人船具有可 控性高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、操縱簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用W下的技術(shù)方案：
[0005] 擺線推進(jìn)器的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，一艘無(wú)人船包括兩個(gè)擺線推進(jìn)器，每個(gè)擺線推進(jìn)器 由兩個(gè)艙機(jī)控制其偏屯、點(diǎn)，各個(gè)擺線推進(jìn)器的轉(zhuǎn)盤(pán)在偏屯、點(diǎn)處的速度方向?yàn)樵摂[線推進(jìn)器 的推力方向，所述兩個(gè)擺線推進(jìn)器由一個(gè)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)監(jiān)控，兩個(gè)擺線推進(jìn)器的監(jiān)測(cè)控制 系統(tǒng)包括ARM主控制板、分別驅(qū)動(dòng)各個(gè)所述轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、通過(guò)無(wú)線通信模塊和所 述ARM主控制板通信的上位機(jī)、安裝于無(wú)人船上的GPS和電子羅盤(pán)，所述ARM主控制板通過(guò)電 機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制所述主驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所述主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸上裝有用于測(cè)量主驅(qū)動(dòng)電機(jī) 的轉(zhuǎn)速和加速度的編碼器、用于測(cè)量主驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩的扭矩傳感器，所述主驅(qū)動(dòng)電機(jī) 的內(nèi)部裝有用于測(cè)量主驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)部溫度的電機(jī)溫度傳感器，所述擺線推進(jìn)器的主傳動(dòng)箱 內(nèi)裝有用于測(cè)量擺線推進(jìn)器的葉片擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的油溫的油液溫度傳感器，所述ARM主控制板 和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)電池供電；
[0006] 所述ARM主控制板根據(jù)編碼器、扭矩傳感器、電機(jī)溫度傳感器、油液溫度傳感器的 數(shù)據(jù)輸出四個(gè)PWM信號(hào)至四個(gè)艙機(jī)，通過(guò)四個(gè)PWM信號(hào)的占空比的不同控制四個(gè)艙機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相 應(yīng)的角度，其中兩個(gè)艙機(jī)通過(guò)主動(dòng)桿、從動(dòng)桿連接一擺線推進(jìn)器的偏屯、杠桿的上端，從而可 W確定與該兩個(gè)艙機(jī)對(duì)應(yīng)的擺線推進(jìn)器的偏屯、點(diǎn)位置，另兩個(gè)艙機(jī)通過(guò)主動(dòng)桿、從動(dòng)桿連 接另一擺線推進(jìn)器的偏屯、杠桿的上端，從而可W確定與該另兩個(gè)艙機(jī)對(duì)應(yīng)的另一擺線推進(jìn) 器的偏屯、點(diǎn)位置，通過(guò)各個(gè)擺線推進(jìn)器的偏屯、點(diǎn)位置W及對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向可W得到兩 個(gè)擺線推進(jìn)器各自的推力方向，各個(gè)擺線推進(jìn)器的推力方向?yàn)榕c其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)盤(pán)在偏屯、點(diǎn)處 的速度矢量方向，在兩個(gè)擺線推進(jìn)器的推力合力作用下，船舶的運(yùn)動(dòng)可W是前進(jìn)、后退、側(cè) 移、停止、變速、W及原地打轉(zhuǎn)；
[0007] 所述無(wú)線通信模塊包括設(shè)在上位機(jī)內(nèi)的第一無(wú)線通信模塊W及設(shè)在ARM主控制板 內(nèi)的第二無(wú)線通信模塊，第一無(wú)線通信模塊通過(guò)USB接口和上位機(jī)連接，第二無(wú)線通信模塊 通過(guò)UART串行口和ARM主控制板連接，第一無(wú)線通信模塊和第二無(wú)線通信模塊之間無(wú)線通 信連接;第一無(wú)線通信模塊和第二無(wú)線通信模塊之間的傳輸協(xié)議自定義，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括 艙機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度、W及電機(jī)溫度傳感器、油液溫度傳感器和扭 矩傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)、W及GI^和電子羅盤(pán)的位置和航向數(shù)據(jù)；
[000引所述ARM主控制板通過(guò)UART串行口將TTL電平經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成485電平控制對(duì)應(yīng)兩 個(gè)擺線推進(jìn)器的兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，二者之間的傳輸協(xié)議為Mcxlbus協(xié)議，通過(guò)Mcxlbus協(xié)議，在 ARM主控制板內(nèi)寫(xiě)入需要主驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速值、加速度值，并從電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中讀取所述 編碼器傳來(lái)的主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速值、加速度值、W及電機(jī)溫度傳感器傳來(lái)的電機(jī)內(nèi)部溫度 值，從而完成對(duì)兩個(gè)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制;所述扭矩傳感器和油液溫度傳感器則通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換 接口和ARM主控制板連接；
[0009] 所述GI^采用UART串行口和ARM主控制板連接，GPS會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)送地理位置數(shù)據(jù)給ARM 主控制板，6?5數(shù)據(jù)格式為：$信息類型，^，^，^，^，^，^，^，^，^，^，^，^，^，信息類型可^為， GPGSV:可見(jiàn)衛(wèi)星信息，地理定位信息，GPRMC:推薦最小定位信息，GPVTG:地面速度信 息，GPGGA: GPS定位信息，GPGSA:當(dāng)前衛(wèi)星信息，ARM主控制板解析GPS發(fā)送來(lái)的地理位置數(shù) 據(jù)，提取有用的信息，包括船體航向、速度W及具體方位信息，傳回上位機(jī)；
[0010] 所述電子羅盤(pán)采用IIC接口和ARM主控制板連接，電子羅盤(pán)會(huì)發(fā)送無(wú)人船的航行角 度數(shù)據(jù)給ARM主控制板，ARM主控制板解析電子羅盤(pán)的航行角度數(shù)據(jù)，結(jié)合GI^的地理位置數(shù) 據(jù)，可W得到船體航向、速度W及具體方位信息，并傳回上位機(jī)；
[0011] 所述擺線推進(jìn)器的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)還包括設(shè)在上位機(jī)內(nèi)的上位機(jī)控制軟件，所述上 位機(jī)控制軟件包括收發(fā)數(shù)據(jù)解析程序、基于推進(jìn)器數(shù)學(xué)模型程序、路徑規(guī)劃程序、實(shí)時(shí)監(jiān)控 程序、W及預(yù)警程序，所述ARM主控制板內(nèi)設(shè)有與上位機(jī)控制軟件對(duì)應(yīng)的ARM主控制板轉(zhuǎn)換 程序；
[0012] 收發(fā)數(shù)據(jù)解析程序，接收ARM主控制板通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包，并解析 數(shù)據(jù)包，然后把相應(yīng)的不同參數(shù)賦給不同的變量，收發(fā)數(shù)據(jù)解析程序也可W發(fā)送上位機(jī)對(duì) 擺線推進(jìn)器控制的相關(guān)參數(shù)，并將運(yùn)些參數(shù)打包，通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送給ARM主控制板；
[0013] 基于推進(jìn)器數(shù)學(xué)模型程序，根據(jù)擺線推進(jìn)器中艙機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度W及主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)τ跓o(wú)人船的航向和航速的數(shù)學(xué)模型編寫(xiě)而成，用戶在其中輸入無(wú)人船的 航向和航速，基于推進(jìn)器數(shù)學(xué)模型程序就能自動(dòng)計(jì)算出最優(yōu)的兩個(gè)艙機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和兩個(gè) 主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；
[0014] 兩個(gè)擺線推進(jìn)器的數(shù)學(xué)模型如下：
[0015] -艙機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度：
[0016]
[0017]另一艙機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度：
[001 引
[0019]其中XO，yo表示偏屯、點(diǎn)坐標(biāo)，r為艙機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，L為偏屯、點(diǎn)和艙機(jī)圓周切點(diǎn)連線的 距離，θ?，02為對(duì)應(yīng)兩個(gè)艙機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；
[0020] 路徑規(guī)劃程序，路徑規(guī)劃采用蟻群算法，在用戶確定目的地后，路徑規(guī)劃程序能夠 對(duì)水域上的障礙進(jìn)行識(shí)別，避開(kāi)水域的障礙物，根據(jù)地理信息自動(dòng)規(guī)劃并計(jì)算出合適的路 徑，經(jīng)基于蟻群算法的數(shù)學(xué)模型換算后，得到無(wú)人船合適的航向和航速，從而讓船舶自動(dòng)到 達(dá)目的地;所述上位機(jī)通過(guò)對(duì)接收到的GPS和電子羅盤(pán)的位置和航向數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，實(shí)時(shí)監(jiān) 控?zé)o人船的位置和航向，并與路徑規(guī)劃程序規(guī)劃好的路徑的位置和航向相比較，將比較結(jié) 果轉(zhuǎn)化為艙機(jī)和主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制代碼，通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送給無(wú)人船的ARM主控制板， ARM主控制板通過(guò)發(fā)送不同占空比的PWM信號(hào)給艙機(jī)W控制艙機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并通過(guò)和電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器之間的Mo化US協(xié)議控制主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度，從而實(shí)時(shí)修正船舶運(yùn)行路線， 讓船舶按照路徑規(guī)劃程序規(guī)劃好的路徑行走；
[0021] 實(shí)時(shí)監(jiān)控程序，接收ARM主控制板傳遞來(lái)的相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)在上位機(jī)中顯示運(yùn)些相 關(guān)參數(shù)，并根據(jù)要求對(duì)無(wú)人船的航向和航速進(jìn)行相關(guān)控制；
[0022] 預(yù)警程序，當(dāng)上位機(jī)監(jiān)測(cè)到所接收的電機(jī)溫度傳感器或者油液溫度傳感器的值超 過(guò)設(shè)定的臨界值時(shí)，上位機(jī)控制軟件會(huì)發(fā)出預(yù)警通知用戶，并自動(dòng)降低主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速， W及，當(dāng)上位機(jī)監(jiān)測(cè)到所接收的扭矩傳感器的值超過(guò)設(shè)定的臨界值時(shí)，上位機(jī)控制軟件會(huì) 發(fā)出預(yù)警通知用戶，并自動(dòng)降低主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或者使主驅(qū)動(dòng)電機(jī)停轉(zhuǎn)；
[0023] ARM主控制板轉(zhuǎn)換程序，作為上位機(jī)W及與ARM主控制板連接的各個(gè)部件(如各個(gè) 傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等）的橋梁，轉(zhuǎn)換上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)成各個(gè)部件能夠識(shí)別的信號(hào)， 讓上位機(jī)間接控制各個(gè)部件；
[0024] 除通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人船的運(yùn)行之外，所述ARM主控制板帶有觸摸屏，不通過(guò) 上位機(jī)，用戶可W直接通過(guò)觸摸屏在船上實(shí)時(shí)地監(jiān)控?zé)o人船的運(yùn)行；
[0025] 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的流程為，系統(tǒng)上電W后，ARM主控制板先初始化各種環(huán)境變量，然 后ARM主控制板控制等待用戶選擇模式，模式有遠(yuǎn)程控制模式和本地控制模式兩種，當(dāng)觸摸 屏有信號(hào)輸入時(shí)，代表用戶在無(wú)人船上實(shí)時(shí)控制無(wú)人船，此時(shí)為本地控制模式，當(dāng)無(wú)線通信 模塊端有信號(hào)輸入時(shí)，代表用戶通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程控制無(wú)人船，此時(shí)為遠(yuǎn)程控制模式；當(dāng)用戶 遠(yuǎn)程控制無(wú)人船時(shí)，ARM主控制板等待接收到完整的控制數(shù)據(jù)后，ARM主控制板執(zhí)行該控制 數(shù)據(jù)，控制艙機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后開(kāi)始循環(huán)讀取GPS和電子羅盤(pán)的位置 和航向數(shù)據(jù)、油液溫度傳感器數(shù)據(jù)、電機(jī)溫度傳感器數(shù)據(jù)、力矩傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送到上位 機(jī);當(dāng)上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給ARM主控制板時(shí)，ARM主控制板立即觸發(fā)中斷，來(lái)執(zhí)行上位機(jī)發(fā)送的 數(shù)據(jù)，完畢后繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)段，當(dāng)用戶在無(wú)人船上實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人船時(shí)，ARM主控制板監(jiān)測(cè)到 觸摸屏輸入的數(shù)據(jù)后，會(huì)立即觸發(fā)中斷，執(zhí)行觸摸屏上傳來(lái)的數(shù)據(jù)。
[0026] 包括上述監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的無(wú)人船，包括船舶本體，船舶本體由兩個(gè)擺線推進(jìn)器推 動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所述船舶本體上裝有用于實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人船的位置和航向的GI^和電子羅盤(pán)，所述兩 個(gè)擺線推進(jìn)器由上述的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)監(jiān)控，所述GPS采用UART串行口和ARM主控制板連接， 電子羅盤(pán)采用lie接口和ARM主控制板連接。
[0027] 進(jìn)一步地，