擺線推進(jìn)器的監(jiān)測控制系統(tǒng)以及包括該系統(tǒng)的無人船的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于船舶特種推進(jìn)器監(jiān)測與控制領(lǐng)域，具體設(shè)及一種擺線推進(jìn)器的監(jiān) 測控制系統(tǒng)W及包括該系統(tǒng)的無人船。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今世界各國越來越重視海洋發(fā)展戰(zhàn)略。推進(jìn)器是推動船舶運(yùn)動的裝置，長期W 來人們?yōu)樘剿餍滦透咝У耐七M(jìn)器而不屑地努力。船用螺旋獎推進(jìn)器是海洋工程裝備中最常 見的船舶推進(jìn)器，其結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、市場寬廣，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)動性方面優(yōu)越于普通的 螺旋獎推進(jìn)器。 【實用新型內(nèi)容】
[0003] 本實用新型提供一種擺線推進(jìn)器的監(jiān)測控制系統(tǒng)W及包括該系統(tǒng)的無人船，擺線 推進(jìn)器的監(jiān)測控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對整個無人船的監(jiān)控，包括該監(jiān)測控制系統(tǒng)的無人船具有可 控性高、機(jī)動性強(qiáng)、操縱簡單的優(yōu)點。
[0004] 為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用W下的技術(shù)方案：
[0005] 擺線推進(jìn)器的監(jiān)測控制系統(tǒng)，一艘無人船包括兩個擺線推進(jìn)器，每個擺線推進(jìn)器 由兩個艙機(jī)控制其偏屯、點，各個擺線推進(jìn)器的轉(zhuǎn)盤在偏屯、點處的速度方向為該擺線推進(jìn)器 的推力方向，所述兩個擺線推進(jìn)器由一個監(jiān)測控制系統(tǒng)監(jiān)控，兩個擺線推進(jìn)器的監(jiān)測控制 系統(tǒng)包括ARM主控制板、分別驅(qū)動各個所述轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的主驅(qū)動電機(jī)、通過無線通信模塊和所 述ARM主控制板通信的上位機(jī)、安裝于無人船上的GPS和電子羅盤，所述ARM主控制板通過電 機(jī)驅(qū)動器控制所述主驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，所述主驅(qū)動電機(jī)的輸出軸上裝有用于測量主驅(qū)動電機(jī) 的轉(zhuǎn)速和加速度的編碼器、用于測量主驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩的扭矩傳感器，所述主驅(qū)動電機(jī) 的內(nèi)部裝有用于測量主驅(qū)動電機(jī)內(nèi)部溫度的電機(jī)溫度傳感器，所述擺線推進(jìn)器的主傳動箱 內(nèi)裝有用于測量擺線推進(jìn)器的葉片擺動機(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)動器通過電池供電；
[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PWM信號至四個艙機(jī)，通過四個PWM信號的占空比的不同控制四個艙機(jī)轉(zhuǎn)動相 應(yīng)的角度，其中兩個艙機(jī)通過主動桿、從動桿連接一擺線推進(jìn)器的偏屯、杠桿的上端，從而可 W確定與該兩個艙機(jī)對應(yīng)的擺線推進(jìn)器的偏屯、點位置，另兩個艙機(jī)通過主動桿、從動桿連 接另一擺線推進(jìn)器的偏屯、杠桿的上端，從而可W確定與該另兩個艙機(jī)對應(yīng)的另一擺線推進(jìn) 器的偏屯、點位置，通過各個擺線推進(jìn)器的偏屯、點位置W及對應(yīng)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動方向可W得到兩 個擺線推進(jìn)器各自的推力方向，各個擺線推進(jìn)器的推力方向為與其對應(yīng)的轉(zhuǎn)盤在偏屯、點處 的速度矢量方向，在兩個擺線推進(jìn)器的推力合力作用下，船舶的運(yùn)動可W是前進(jìn)、后退、側(cè) 移、停止、變速、W及原地打轉(zhuǎn)；
[0007] 所述無線通信模塊包括設(shè)在上位機(jī)內(nèi)的第一無線通信模塊W及設(shè)在ARM主控制板 內(nèi)的第二無線通信模塊，第一無線通信模塊通過USB接口和上位機(jī)連接，第二無線通信模塊 通過UART串行口和ARM主控制板連接，第一無線通信模塊和第二無線通信模塊之間無線通 信連接;第一無線通信模塊和第二無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)動角度、主驅(qū)動電機(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 矩傳感器的測量數(shù)據(jù)、W及GI^和電子羅盤的位置和航向數(shù)據(jù)；
[000引所述ARM主控制板通過UART串行口將TTL電平經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成485電平控制對應(yīng)兩 個擺線推進(jìn)器的兩個電機(jī)驅(qū)動器，二者之間的傳輸協(xié)議為Mcxlbus協(xié)議，通過Mcxlbus協(xié)議，在 ARM主控制板內(nèi)寫入需要主驅(qū)動電機(jī)實現(xiàn)的轉(zhuǎn)速值、加速度值，并從電機(jī)驅(qū)動器中讀取所述 編碼器傳來的主驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速值、加速度值、W及電機(jī)溫度傳感器傳來的電機(jī)內(nèi)部溫度 值，從而完成對兩個主驅(qū)動電機(jī)的控制;所述扭矩傳感器和油液溫度傳感器則通過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會實時發(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] 所述電子羅盤采用IIC接口和ARM主控制板連接，電子羅盤會發(fā)送無人船的航行角 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、實時監(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主控制板通過無線通信模塊發(fā)過來的數(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 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，通過無線通信模塊發(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)動角度W及主驅(qū)動電機(jī)的 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向?qū)τ跓o人船的航向和航速的數(shù)學(xué)模型編寫而成，用戶在其中輸入無人船的 航向和航速，基于推進(jìn)器數(shù)學(xué)模型程序就能自動計算出最優(yōu)的兩個艙機(jī)的轉(zhuǎn)動角度和兩個 主驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速；
[0014] 兩個擺線推進(jìn)器的數(shù)學(xué)模型如下：
[0015] -艙機(jī)的轉(zhuǎn)動角度：
[0016]
[0017]另一艙機(jī)的轉(zhuǎn)動角度：
[001 引
[0019]其中XO，yo表示偏屯、點坐標(biāo)，r為艙機(jī)轉(zhuǎn)動半徑，L為偏屯、點和艙機(jī)圓周切點連線的 距離，θ?，02為對應(yīng)兩個艙機(jī)的轉(zhuǎn)動角度；
[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 對水域上的障礙進(jìn)行識別，避開水域的障礙物，根據(jù)地理信息自動規(guī)劃并計算出合適的路 徑，經(jīng)基于蟻群算法的數(shù)學(xué)模型換算后，得到無人船合適的航向和航速，從而讓船舶自動到 達(dá)目的地;所述上位機(jī)通過對接收到的GPS和電子羅盤的位置和航向數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，實時監(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)動電機(jī)的控制代碼，通過無線通信模塊發(fā)送給無人船的ARM主控制板， ARM主控制板通過發(fā)送不同占空比的PWM信號給艙機(jī)W控制艙機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，并通過和電機(jī) 驅(qū)動器之間的Mo化US協(xié)議控制主驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度，從而實時修正船舶運(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] 實時監(jiān)控程序，接收ARM主控制板傳遞來的相關(guān)參數(shù)，實時在上位機(jī)中顯示運(yùn)些相 關(guān)參數(shù)，并根據(jù)要求對無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 過設(shè)定的臨界值時，上位機(jī)控制軟件會發(fā)出預(yù)警通知用戶，并自動降低主驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速， W及，當(dāng)上位機(jī)監(jiān)測到所接收的扭矩傳感器的值超過設(shè)定的臨界值時，上位機(jī)控制軟件會 發(fā)出預(yù)警通知用戶，并自動降低主驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速或者使主驅(qū)動電機(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部件(如各個 傳感器、電機(jī)驅(qū)動器等）的橋梁，轉(zhuǎn)換上位機(jī)發(fā)送過來的信號成各個部件能夠識別的信號， 讓上位機(jī)間接控制各個部件；
[0024] 除通過上位機(jī)實時監(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 上位機(jī)，用戶可W直接通過觸摸屏在船上實時地監(jiān)控?zé)o人船的運(yùn)行；
[0025] 監(jiān)測控制系統(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 屏有信號輸入時，代表用戶在無人船上實時控制無人船，此時為本地控制模式，當(dāng)無線通信 模塊端有信號輸入時，代表用戶通過上位機(jī)遠(yuǎn)程控制無人船，此時為遠(yuǎn)程控制模式；當(dāng)用戶 遠(yuǎn)程控制無人船時，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)動角度和主驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后開始循環(huán)讀取GPS和電子羅盤的位置 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，ARM主控制板立即觸發(fā)中斷，來執(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)用戶在無人船上實時監(jiān)控?zé)o人船時，ARM主控制板監(jiān)測到 觸摸屏輸入的數(shù)據(jù)后，會立即觸發(fā)中斷，執(zhí)行觸摸屏上傳來的數(shù)據(jù)。
[0026] 包括上述監(jiān)測控制系統(tǒng)的無人船，包括船舶本體，船舶本體由兩個擺線推進(jìn)器推 動運(yùn)動，所述船舶本體上裝有用于實時監(jiān)控?zé)o人船的位置和航向的GI^和電子羅盤，所述兩 個擺線推進(jìn)器由上述的監(jiān)測控制系統(tǒng)監(jiān)控，所述GPS采用UART串行口和ARM主控制板連接， 電子羅盤采用lie接口和ARM主控制板連接。
[0027] 進(jìn)一步地，