CN211375879U - 一种用于商船自主航行控制的实验平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于商船自主航行控制的实验平台，包含船体，船体上设有：推进***，包含螺旋桨、第一传动轴系、推进电机和推进电机驱动器；操纵***，包含舵叶、第二传动舵系、舵机和舵机驱动器；电控***，包含内置下位机的主控箱，下位机与推进电机驱动器和舵机驱动器连接；下位机与第一无线数传电台连接，第一无线数传电台与岸上的第二无线数传电台通信连接，第二无线数传电台与岸机连接；推进电机驱动器和舵机驱动器分别接收到岸机发送的电机转速与舵机角度控制信号转化的信号，推动螺旋桨转动及操控舵叶摆动。本实用新型将实时采集到的数据发送回岸机，便于实时监控实验过程，及时响应；保证平台后期较好的设备扩展、升级能力。

Description

一种用于商船自主航行控制的实验平台

技术领域

本实用新型涉及智能商船自主航行控制领域，特别涉及一种用于商船自主航行控制的实验平台。

背景技术

在船舶运动控制领域，为了保证航行安全、降低能耗，在船舶设计开发过程中，需要对控制算法的有效性和控制***的合理性进行多次反复地试验，收集各种海况下船舶控制的数据进行分析处理，给出控制性能的综合性评价，在此基础上对样品进行改进，最终形成产品，但是这需要花费较多的人力、物力、财力和时间。

针对上述这种情况，船舶航行控制实验平台被开发了出来，通过模拟船舶各种运动状态，对船舶控制***和控制算法进行评价，检验了解样机和算法的性能，以保证海上试验的安全，减少海上实验次数，降低试验成本，缩短开发周期。

现有的船舶航行控制实验平台基本上都是在船模上安装计算机，在船模进行完一次实验返回岸边时才能进行数据的采集，缺乏实时性，并且无法对船模的运动状态进行实时控制，存在很多局限性。

现在云计算技术的发展使得对自主航行控制实验平台进行实时控制成为了可能，运用无线传输设备将船模采集的数据传输至岸边的岸机，让人们对船模的运动状态可以进行实时的控制和观测，大大提高了实验效率和准确性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于商船自主航行控制的实验平台，解决了现有的船舶实验平台存在的模型不耐用、数据不能实时传输、控制***扩展性弱的问题。本实用新型的平台配备有两台无线数传电台，使得船模在水上航行时可以实时向岸机发送其运行状态的相关数据，同时可以通过岸机发出指令来实时控制船模的运动，从而实现了船模和岸机的实时交互，构成一个完整的实验平台，满足了智能船舶自主航行控制实验的需求。

为了达到上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种用于商船自主航行控制的实验平台，包含船体，所述船体上设有：推进***，包含螺旋桨、第一传动轴系、推进电机和推进电机驱动器；所述推进电机驱动器与所述推进电机连接；操纵***，包含舵叶、第二传动舵系、舵机和舵机驱动器；所述舵机驱动器与所述舵机连接；电控***，包含控制箱，所述控制箱内置下位机、第一无线数传电台及所述推进电机驱动器与所述舵机驱动器；所述下位机分别与所述推进电机驱动器和所述舵机驱动器连接，所述下位机与所述第一无线数传电台连接，所述第一无线数传电台与设置在岸上的第二无线数传电台通信连接，所述第二无线数传电台与岸机连接；

其中，所述下位机通过无线数传电台接收所述岸机发送的电机转速控制信号和舵机角度控制信号，所述推进电机驱动器接收到所述电机转速控制信号转化后的相应电压和电流信号，驱动所述推进电机使得所述推进电机通过第一传动轴系推动所述螺旋桨转动，以推动整个船体在水中运动；所述舵机驱动器接收到所述舵机角度控制信号转化后的相应电压和电流信号，驱动舵机使得舵机通过第二传动舵系操控舵叶摆动，以操控船体的转向运动。

优选地，所述下位机分别接收所述推进电机驱动器和所述舵机驱动器反馈的螺旋桨转速和舵角，并通过无线数传电台传送给所述岸机。

优选地，所述电控***设有为船体供电的电源模块；所述下位机与所述电源模块连接，接收所述电源模块输出的低电量报警信号，通过无线数传电台传送给所述岸机。

优选地，所述电控***设有用于测量船体的速度、加速度和运动姿态的微机陀螺仪或惯导***，所述下位机与所述微机陀螺仪或惯导***连接，接收并存储微机陀螺仪或惯导***反馈的测量数据。

优选地，所述电控***设置GPS惯导平台，GPS惯导平台与所述下位机连接；所述GPS惯导平台集成有用于测量船体的速度、加速度和运动姿态的惯导***和用于测量船体的运动轨迹和位置的GPS模块，并分别将测量数据传输给所述下位机。

优选地，所述船体内布置的骨架结构包含：舷侧顶部的加强筋，底部纵向的板材，以及横向的若干根肋骨。

优选地，所述操纵***的舵机布置于船体的船尾的舵机平台上，所述推进***的推进电机布置于船舯，所述控制箱位于船舯，所述电源模块位于舯前。

优选地，所述控制箱外壳上布置航空插头、推进电机驱动器电源开关和舵机驱动器电源开关；位于控制箱外部的推进电机和舵机通过航空插头分别与控制箱内的推进电机驱动器和舵机驱动器连接；所述推进电机驱动器电源开关和所述舵机驱动器电源开关分别与所述推进电机驱动器和所述舵机驱动器连接。

优选地，所述电源模块为锂电池，所述锂电池包含备用电池。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：(1)本实用新型中的实验平台配备有无线数传电台，可实时将采集到的数据发送回岸机，便于实时监控实验过程，对实验中可能出现的问题能做出及时响应；(2)本实用新型中实验人员在岸边通过操作岸机即可实现对水域里实验平台的无线控制和数据采集；(3)本实用新型中的实验平台的控制***采用了具有多个独立数字通信通道的硬件，保证了平台后期较好的设备扩展/升级能力。

附图说明

图1为本实用新型的自由自航船模***原理图；

图2为本实用新型的实验平台总体布置示意图；

图3为本实用新型的自行式船舶操纵控制实验平台硬件组成示意图；

图3a为本实用新型的推进***组成示意图；

图3b为本实用新型的操纵***组成示意图；

图3c为本实用新型的电控***组成示意图；

图4为本实用新型的船体部分结构示意图；

图5为本实用新型的螺旋桨结构示意图；

图6为本实用新型的船模舵叶结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-图6结合所示，本实用新型的实验平台适用于在线辨识算法、航迹跟踪控制器及云控制***的辨识和控制效果进行试验验证，该平台是以自由自航船模为基础进行设计，其采用SIMMAN2008标准集装箱船KCS船模，模型缩尺比1：75.5。本实用新型的实验平台包含船体100、推进***200、操纵***300和电控***400。

船体100采用阴模制作法，即架好胎模后由模型外表面向内表面进行糊制，这样可以更好地控制模型外表面的型线；示例地，船体100采用玻璃钢材质制作，具有结构坚固、质量轻、耐腐蚀、抗变形的特点。船体厚度为5mm。为支撑船体100以及提高强度与防止变形，在船体100内部布置有骨架，即横向的若干根肋骨15(如图4中的两根肋骨15)，舷侧顶部一根加强筋17，底部纵向的一块板材16，船模骨架分布如图4所示。骨架采用木材制作，表面采用玻璃钢作为敷料，以加强骨架结构。

如图3a所示，推进***200包含螺旋桨201、轴系202、推进电机203 及推进电机驱动器204。其中，如图5所示，螺旋桨201为实船所配的标准桨KP505，该桨为五叶桨，按缩尺比缩小制作，直径105mm，材料为铜合金，用于推动整个船体100在水中的运动。所述轴系202相当于传动轴，其作用是起到传动作用，用于推动螺旋桨201转动；示例地，所述轴系202包含一根主轴、一个轴套管、一个可拆卸径向密封件、一个不可拆卸径向密封件、一根中间轴、两个带座轴承和两个十字万向节，本实用新型对此轴系结构不做限制。所述推进电机203为直流伺服电机，用于驱动螺旋桨201转动。推进电机驱动器204为推进电机203配套的伺服驱动器，可实现对推进电机203 的驱动、推进电机转速的控制与反馈，同时具有欠压、过压、过载、过流、过温、编码器异常保护功能。

如图3b所示，操纵***300包括舵叶301、舵系302、舵机303及舵机驱动器304。其中，舵叶301为实船所配的标准舵，为一半悬挂半平衡舵，其截面为NACA0018，舵高为131.1mm，平均弦长为72.8mm，平均厚度为 13.1mm，材质为玻璃钢，用于操控船体100转向运动，如图6所示。所述舵系302示起到传动作用，用于操控舵叶301摆动；示例地，舵系302包含有一根舵杆、一个轴套管、一个可拆卸径向密封、一个不可拆卸径向密封、一套限位器。舵机303为步进电机，用于推动舵叶301摆动；本实用新型对此舵系结构不做限制。舵机驱动器304为舵机303配套的闭环步进驱动器，可实现对舵机303的驱动、舵机转动角度的控制与反馈，同时具有欠压、过压、过载、过流、过温、编码器异常保护功能。

如图3c所示，电控***400包含控制箱401、下位机403(单片机Arduino，也称主控板)、电平转换器405(例如RS232-TTL电平转换器)、微机陀螺仪 407、电源模块和第一无线数传电台404，所述电源模块为锂电池408。其中，所述控制箱401内设置有下位机403、第一无线数传电台404、RS232-TTL 电平转换器405并集中放置；所述推进电机驱动器204、舵机驱动器304也集中放置在控制箱401内。示例地，主电源的输出电压为22v～29.4V，主电源的技术参数可根据试验要求等进行选定，本实用新型对此不做限制。

第一无线数传电台404设置在实验平台的船体100上，第一无线数传电台404与下位机403连接；同时，所述第一无线数传电台404还与第二无线数传电台通信连接，该第二无线数传电台与上位机连接，所述上位机为岸机，岸机为普通个人计算机，所述第二无线数传电台设置在岸上。本实用新型通过两个无线数传电台，传输通信数据，能实现500m以内的数据传输，该传输的数据中包括上位机对下位机403的控制指令，以及下位机403向上位机传输的反馈指令，本实用新型可以实现将采集到的数据发送回岸机，便于实时监控实验过程，对实验中可能出现的问题能做出及时响应。

所述控制箱401外壳上布置有航空插头、主电源开关、推进电机驱动器电源开关和舵机驱动器电源开关。其中，位于控制箱401外部的推进电机203 和舵机303通过航空插头分别与推进电机驱动器204和舵机驱动器304连接。推进电机驱动器电源开关和舵机驱动器电源开关分别与推进电机驱动器和舵机驱动器连接，分别用于启动这两台驱动器。

如图2所示，操纵***300的舵机303布置于船体100的船尾的舵机平台上，推进***200的推进电机203布置在船舯附近，锂电池408位于舯前。推进电机驱动器204、舵机驱动器304、第一无线数传电台404、下位机403 等均集成在控制箱401内。控制箱401放置于船舯附近。推进电机203后面设置有工控机平台。其中，图2中的左方向为后方，船尾方向，右方向为前方，为船头方向，此为图中示意方向，不作为实际方向。

本实用新型的下位机403安装在控制箱401内，其是电控***400的核心；所述下位机403分别与推进电机驱动器204和舵机驱动器304连接，下位机403可接收、读取解析上位机(例如岸机)发出的电机转速控制指令和舵机角度控制指令，在指令转化成相应的电压和电流信号后，分别分发给推进电机驱动器204和舵机驱动器304，使得推进电机驱动器204根据控制指令控制推进电机203驱动螺旋桨201转动，以及使舵机驱动器304根据对应的控制指令控制舵机303推动舵叶301摆动。

所述下位机403还接收推进电机驱动器204与舵机驱动器304发回的反馈指令，并组装依次发送给船体上的第一无线数传电台404和岸上的第二无线数传电台，再由岸上第二无线数传电台反馈给上位机。

示例地，微机陀螺仪407用于提供船模船体的速度、加速度和运动姿态 (包括俯仰、横滚和航向角)；可选地，微机陀螺仪407为微机陀螺仪Xsens Mti 300。其中，微机械陀螺仪407内部无需集成旋转部件，而是通过一个由硅制成的振动的微机械部件来检测角速度，在满足精度要求的前提下具有尺寸小、重量轻的特点。其中，微机陀螺仪407与下位机403连接，并将所测量的船体的运动姿态数据反馈给下位机403且下位机403对采集的数据进行存储。

另外，本实用新型还可采用惯导***来替换微机陀螺仪407，也能完成测量船模船体的各自由度的运动姿态；或者，本实用新型可以通过惯导***和微机陀螺仪407共同配合来实现船模运动姿态等的测量；本实用新型对此不做限制，只要能实现船模运动姿态数据测量的装置即可。

如图2所示，电控***400还可包含GPS惯导平台14，GPS惯导平台 14位于控制箱401的后方，该GPS惯导平台14包含GPS模块(图中未示出) 和惯导***；该GPS模块用于测量船体的运动轨迹和实际位置，所述惯导***用于测量船体的速度、加速度和运动姿态；GPS惯导平台14与下位机403 连接，可以将测量的数据反馈给下位机；当电控***400包含该GPS惯导平台14时，此时也可以省略掉上述的微机陀螺仪407，GPS惯导平台14中的惯导***可用于替换微机陀螺仪407；或者，上述的GPS惯导平台14也可与微机陀螺仪407共存，一并设置在船体上，本实用新型对此不做限制。

示例地，锂电池408采用二次锂电池组为整个船模的运行进行供电，共有两组，其中有一组作为备用，每组电池可持续供电1～2个小时。锂电池408 与下位机403连接，在使用过程中，当电量少于20％时，锂电池408可输出低电量报警信号至下位机403，并通过无线数传电台反馈给岸机，告知岸边操作人员，以即时操纵实验平台返航进行充电或更换为备用电源。

本实用新型的下位机403设置的四个串口采用了TTL电平的通信模式，为保证信号匹配，设置了四个电平转换器(例如推进电机RS232-TTL电平转换器，舵机RS232-TTL电平转换器，无线数传RS232-TTL电平转换器和陀螺仪RS232-TTL电平转换器)，实现RS232-TTL电平间的转换。RS232转 TTL模块用于实现主控板Arduino Mega 2560与设备之间的信号转换，达到通信目的。

基于上述可知，本实用新型的下位机403，例如单片机Arduino，其运算能力满足需求，且硬件透明，方便检查，可实现对岸机指令的读取与分发，从而实现对推进电机转速、舵机角度的控制，远程独立控制螺旋桨和舵，使平台能在室验水池中前进、倒车、制动、转向、回转等，同时可实时采集螺旋桨转速、转舵角的实际值，保证设计航速所对应的螺旋桨转速误差和转舵角转舵误差均在5％以内；而且还可实时采集微机陀螺仪407(或惯导***) 所反馈的船体的速度、加速度和运动姿态数据和GPS模块反馈的船体的位置信息，以及锂电池408反馈的低电量报警信号。

本实用新型的实验平台的工作原理如下：

在进行水池试验或户外水域试验时，首先由岸机发出遥控指令(这些遥控指令的作用是通过控制船模舵角和螺旋桨转速以控制船模的运动)，实验平台的船体上的第一无线数传电台404接收到遥控指令后，然后传递给下位机 403；下位机403将接收到的控制指令转化电压和电流信号后并分别传送给推进电机驱动器204与舵机驱动器304来控制这两个驱动器，该推进电机驱动器204驱动推进电机203带动螺旋桨201按照岸机的指令转速进行运转，并且舵机驱动器304控制舵机303带动舵叶301转动，同样是按照岸机指令角度进行转动；同时，推进电机驱动器204与舵机驱动器304分别将螺旋桨电机转速和舵机转角反馈至下位机403，再通过无线数传电台反馈给岸机。

当船体运动时，GPS惯导平台14测量船体的运动轨迹和实际位置，并将测量信息通过无线数传电台发回至岸机；微机陀螺仪和/或惯导***对船模的速度、加速度和运动姿态进行测量，并将测量结果传递至下位机403，下位机403可对采集到的信息进行存储，船模返回岸边后可输出至岸机进行读取，也可通过无线数传电台将信息发回至岸机。岸机接收到螺旋桨转速、舵角、船模位置、船模姿态这些数据后，发出相应的新的控制指令，从而达到实时控制船模运动，实现岸机和船模实时交互的目的。整个船模的动力来源于锂电池408。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种用于商船自主航行控制的实验平台，其特征在于，包含船体，所述船体上设有：

推进***，包含螺旋桨、第一传动轴系、推进电机和推进电机驱动器；所述推进电机驱动器与所述推进电机连接；

操纵***，包含舵叶、第二传动舵系、舵机和舵机驱动器；所述舵机驱动器与所述舵机连接；

电控***，包含控制箱，所述控制箱内置下位机、第一无线数传电台及所述推进电机驱动器与所述舵机驱动器；所述下位机分别与所述推进电机驱动器和所述舵机驱动器连接，所述下位机与所述第一无线数传电台连接，所述第一无线数传电台与设置在岸上的第二无线数传电台通信连接，所述第二无线数传电台与岸机连接；

其中，所述下位机通过无线数传电台接收所述岸机发送的电机转速控制信号和舵机角度控制信号，所述推进电机驱动器接收到所述电机转速控制信号转化后的相应电压和电流信号，驱动所述推进电机使得所述推进电机通过第一传动轴系推动所述螺旋桨转动，以推动整个船体在水中运动；所述舵机驱动器接收到所述舵机角度控制信号转化后的相应电压和电流信号，驱动舵机使得舵机通过第二传动舵系操控舵叶摆动，以操控船体的转向运动。

2.如权利要求1所述的实验平台，其特征在于，

所述下位机分别接收所述推进电机驱动器和所述舵机驱动器反馈的螺旋桨转速和舵角，并通过无线数传电台传送给所述岸机。

3.如权利要求1所述的实验平台，其特征在于，

所述电控***设有为船体供电的电源模块；

所述下位机与所述电源模块连接，接收所述电源模块输出的低电量报警信号，通过无线数传电台传送给所述岸机。

4.如权利要求1所述的实验平台，其特征在于，

所述电控***设有用于测量船体的速度、加速度和运动姿态的微机陀螺仪或惯导***，所述下位机与所述微机陀螺仪或惯导***连接，接收并存储微机陀螺仪或惯导***反馈的测量数据。

5.如权利要求1或4所述的实验平台，其特征在于，

所述电控***设置GPS惯导平台，GPS惯导平台与所述下位机连接；

所述GPS惯导平台集成有用于测量船体的速度、加速度和运动姿态的惯导***和用于测量船体的运动轨迹和位置的GPS模块，并分别将测量数据传输给所述下位机。

6.如权利要求1所述的实验平台，其特征在于，

所述船体内布置的骨架结构包含：舷侧顶部的加强筋，底部纵向的板材，以及横向的若干根肋骨。

7.如权利要求3所述的实验平台，其特征在于，

所述操纵***的舵机布置于船体的船尾的舵机平台上，所述推进***的推进电机布置于船舯，所述控制箱位于船舯，所述电源模块位于舯前。

8.如权利要求3或7所述的实验平台，其特征在于，

所述控制箱外壳上布置航空插头、推进电机驱动器电源开关和舵机驱动器电源开关；

位于控制箱外部的推进电机和舵机通过航空插头分别与控制箱内的推进电机驱动器和舵机驱动器连接；

所述推进电机驱动器电源开关和所述舵机驱动器电源开关分别与所述推进电机驱动器和所述舵机驱动器连接。

9.如权利要求3所述的实验平台，其特征在于，

所述电源模块为锂电池，所述锂电池包含备用电池。

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