CN207817528U - 一种自主巡航返航式无人船 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自主巡航返航式无人船，包括无人船本体，无人船本体的内部安装有作为无人船运动控制核心的控制模块以及均与该控制模块线路相连用于反馈无人船周围环境信号的避障模块、用于反馈无人船位置信号的GPS模块、用于反馈无人船航向角信号的陀螺仪模块和用于与上位机实现无线通讯的通信模块；无人船本体的上部安装有与控制模块相连接用于为无人船上所有用力单位提供电力的电源模块，无人船本体的下部安装有受控制模块程序控制实现无人船自主巡航返航功能的动力模块。本实用新型结构简洁、控制精确，并能自主规划避障返航，特别适应于城市河道、湖泊的无人船水质采集作业使用。

Description

一种自主巡航返航式无人船

技术领域

本实用新型属于无人船的自动控制技术领域，特别是具备自主返航功能的一种无人船，具体地说一种自主巡航返航式无人船。

背景技术

随着国民经济和城市化进程的快速发展，我国面临的水资源形势十分严峻，水资源短缺，水体污染严重，生态环境急剧恶化等问题日益突出。根据2016年中国环境公报公布的数据，112个重要湖泊中，V类及劣V类水体占14%，主要污染物指标为总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数。108个监测营养状况的湖泊中，富营养的湖泊占比24%，水环境污染严重地制约着我国的经济发展，影响居民的日常生活。近年来，我国逐渐加大水资源管理力度，相继出台了许多法律法规，例如中央一号文件就明确提出下一步将严控水源管理，也取得了一定效果。2016年12月11日，中共中央办公厅、国务院办公厅公布的《关于全面推行河长制的意见》，提出到2018年底全面建立河长制，希望通过“河长制”让本来无人愿管、被肆意污染的河流得到有效治理，并成为政府职能部门的一项常态化工作，在中国“水危机”严峻的当下，力保水清岸绿，实现江河、湖泊长青。

国家关于水污染监管和治理的政策在不断推进和落实中，无人船发展迅速，但大部分无人船只能实现简单的巡航，通过硬件来存储有限量的坐标路径进行简单的路径规划，没有长距离的自主路径规划功能及实时位置检测功能，在电量不足的情况下无法自主返航，造成无人船的丢失，造成巨大损失。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，而提供设计合理、控制精确，并能自主规划避障返航的一种自主巡航返航式无人船。

为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种自主巡航返航式无人船，包括无人船本体，无人船本体的内部安装有作为无人船运动控制核心的控制模块以及均与该控制模块线路相连用于反馈无人船周围环境信号的避障模块、用于反馈无人船位置信号的GPS模块、用于反馈无人船航向角信号的陀螺仪模块和用于与上位机实现无线通讯的通信模块；无人船本体的上部安装有与控制模块相连接用于为无人船上所有用力单位提供电力的电源模块，无人船本体的下部安装有受控制模块程序控制实现无人船自主巡航返航功能的动力模块。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的控制模块为拥有多个定时器、112个通用I/O口、3个12位ADC和1个12位DAC的STM32F103中央处理器，中央处理器包括有多个用于发送PWM波的PWM接口。

上述的电源模块包括用于将太阳能转化为电能的太阳能板以及用于存储太阳能板转化的电能的蓄电池。所述的蓄电池与控制模块电路相连接。

上述的动力模块为两个在控制模块的程序控制下利用差速控制来调整无人船航行方向实现无人船自主巡航可返航的直流动力电机。

上述的通信模块为通过阿里云端服务器与上位机实现4G无线通信的4G通信模块。

上述的避障模块包括用于获取无人船周围视频的摄像机和采用超声波进行距离检测的超声传感器。

与现有技术相比，本实用新型的无人船包括有控制模块以及避障模块、GPS模块、陀螺仪模块和通信模块；无人船本体还安装有电源模块和动力模块。无人船能通过安装的通信模块与上位机进行无线通信。本实用新型通过控制模块对无人船进行智能控制，上位机能通过通信模块向控制模块下达指令信号，为无人船规划路径由控制模块自动程序控制执行，无人船能在控制模块的控制下按照上位机的指令规化完成自主巡航或返航任务。GPS模块能对无人船的位置进行定位，从而防止无人船丢失坐标，方便工作人员在设定坐标点进行无人船回收工作。

附图说明

图1是本实用新型的工作原理示意图；

图2为本实用新型的返航总体方案示意图；

图3为无人船巡航方式示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例作进一步详细描述。

本实用新型公开了一种自主巡航返航式无人船，包括无人船本体，为了使无人船能在无人监控下自主巡航返航完成对水质的采集工作，本实用新型除在无人船上安装有各种传感器外，无人船本体的内部还安装有与所有传感器线路相连作为无人船运动控制核心的控制模块，以及避障模块、GPS模块、陀螺仪模块和通信模块；避障模块、GPS模块、陀螺仪模块和通信模块也均与控制模块相连接。避障模块用于将获取的无人船周围的环境信号反馈给控制模块，GPS模块用于将无人船的位置信号反馈给控制模块，陀螺仪模块将获取的无人船航向角信号反馈给控制模块，控制模块将传感器获取的水质参数信号以及避障模块获取的环境信号、GPS模块获取的位置信号和陀螺仪模块获取的航向角信号经内部运算处理后打包成数据包交给通信模块，由通信模块与上位机实现无线通讯。上位机为Windows平台地面监测站，能利用上位机的收发模块与无人船进行通信，通过上位机的显示屏对无人船进行实时监测、实时控制，并通过上位机的操作模块对无人船下达指令信号，这里的指令信号包括水质采集信号、巡航信号和返航信号。无人船的返航路径由上位机规划经通信模块下达给控制模块智能控制执行。本实用新型无人船本体的上部安装有与控制模块相连接用于为无人船上所有用力单位提供电力的电源模块，无人船本体的下部安装有受控制模块程序控制实现无人船自主巡航返航功能的动力模块。动力模块能驱动无人船行驶、转向等动作。

本实用新型的无人船本体长68cm，宽49cm，高25cm，船体骨架采用8~16mm层板制成，无人船本体的上层建筑采用ABS塑料混合玻璃钢材料。船体机构采用三体船设计，完全符合船舶设计规范，可抗5~6级风浪。

实施例中，本实用新型的控制模块为拥有多个定时器、112个通用I/O口、3个12位ADC和1个12位DAC的STM32F103中央处理器，中央处理器包括有多个用于发送PWM波的PWM接口。本实用新型的控制模块采用STM32F103芯片作为无人船运动控制的中央处理器，能够为直流电机高效地发送PWM波，拥有高性能的32位中央处理器，内置时钟芯片，拥有多个定时器，112个通用I/O口，3个12位ADC、1个12位DAC完全满足本设计中各部分的功能实现。

实施例中，本实用新型的电源模块包括用于将太阳能转化为电能的太阳能板以及用于存储太阳能板转化的电能的蓄电池。蓄电池与控制模块电路相连接。本实用新型的无人船本体顶面安装有两块太阳能板，每块太阳能板的尺寸是长30cm宽10cm，蓄电池为锂电池。太阳能发板在天气良好状况下，可为锂电池进行能源补充，以增加无人船的续航时间和航行距离。

实施例中，本实用新型的动力模块为两个在控制模块的程序控制下利用差速控制来调整无人船航行方向实现无人船自主巡航可返航的直流动力电机。

实施例中，通信模块为通过阿里云端服务器与上位机实现4G无线通信的4G通信模块。通信模块主要使用4G无线通信技术，无人船可以实时发送所在位置坐标至上位机进行位置显示，上位机可以实时监控并控制无人船走向或进行路径规划。

4G通信使用阿里云服务器作为数据处理和数据发送的中转站，可以实现对无人船路径的实时监控和计算，在无人船电量不足或人为控制情况下可自主控制无人船进行返航，可以实现超远距离通信，在城市河道等通信信号良好的区域效果十分显著。

实施例中，避障模块包括用于获取无人船周围视频的摄像机和采用超声波进行距离检测的超声传感器。摄像机能提供视频避障，通过采用深度学习视觉实现，超声传感器为辅助避障手段，采用超声波传感器进行距离检测，当检测到障碍物距离与无人船距离等于最小安全值时，无人船采取相应动作。

本实用新型的GPS模块通过串口与控制模块进行通信连接，陀螺仪模块通过IIC协议与控制模块通信连接，陀螺仪模块用于调整无人船航向角，方便进行巡航控制。

以上所述，仅为本实用新型优选实施方式，但本实用新型保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖于本实用新型保护范围内。

Claims (6)

1.一种自主巡航返航式无人船，包括无人船本体，其特征是：所述的无人船本体的内部安装有作为无人船运动控制核心的控制模块以及均与该控制模块线路相连用于反馈无人船周围环境信号的避障模块、用于反馈无人船位置信号的GPS模块、用于反馈无人船航向角信号的陀螺仪模块和用于与上位机实现无线通讯的通信模块；所述的无人船本体的上部安装有与控制模块相连接用于为无人船上所有用力单位提供电力的电源模块，所述的无人船本体的下部安装有受控制模块程序控制实现无人船自主巡航返航功能的动力模块。

2.根据权利要求1所述的一种自主巡航返航式无人船，其特征是：所述的控制模块为拥有多个定时器、112个通用I/O口、3个12位ADC和1个12位DAC的STM32F103中央处理器，所述的中央处理器包括有多个用于发送PWM波的PWM接口。

3.根据权利要求1所述的一种自主巡航返航式无人船，其特征是：所述的电源模块包括用于将太阳能转化为电能的太阳能板以及用于存储太阳能板转化的电能的蓄电池；所述的蓄电池与控制模块电路相连接。

4.根据权利要求1所述的一种自主巡航返航式无人船，其特征是：所述的动力模块为两个在控制模块的程序控制下利用差速控制来调整无人船航行方向实现无人船自主巡航可返航的直流动力电机。

5.根据权利要求1所述的一种自主巡航返航式无人船，其特征是：所述的通信模块为通过阿里云端服务器与上位机实现4G无线通信的4G通信模块。

6.根据权利要求1所述的一种自主巡航返航式无人船，其特征是：所述的避障模块包括用于获取无人船周围视频的摄像机和采用超声波进行距离检测的超声传感器。