TWI833136B - 船舶自動靠泊暨無線充電整合系統及其運作方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種船舶自動靠泊暨無線充電整合系統及其運作方法，包含一浮台以及至少一船舶。其中，該浮台係由一電源、一配電盤以及一鎖固模組控制系統構成。而每艘船舶則包含一自動駕駛系統、一船舶控制系統以及一無線充電接收模組。本發明透過船艏鎖固模組固定該船舶並透過導正機構導正該船舶的船艏方向後，由船側固定模組透過無線充電發射模組對接無線充電接收模組後，替該船舶充電。

Description

船舶自動靠泊暨無線充電整合系統及其運作方法
本發明提供了一種船舶自動靠泊暨無線充電整合系統及其運作方法，尤指一種具有特殊船艏鎖固模組和船側固定模組的船舶自動靠泊暨無線充電整合系統及其運作方法。
無論是觀光、產業甚至是軍事用途的需求，如船舶等載具逐漸無人化已經是當前不可逆的趨勢。
在以往的技術中，無論是柴油動力、混合動力亦或純電動力的船舶等載具，均依賴人力於其靠泊的時候進行引導、繫纜固定以及如油或電等能源補給作業。但是，一般人工的繫纜方式，其纜繩的粗重程度與船舶吃水量成正比，故人工繫纜是一項危險又辛苦的工作。
再者，隨著自主航行船舶發展趨勢，未來船舶將慢慢走上智慧控制技術。而船員配置也將慢慢遞減，一般需要船員才能完成的繫纜及充電工作，可由各種自動且智慧化的輔助裝置來協助。
甚者，到全無人化自主航行船舶的時代，更可能已沒有任何船員可以協助船舶繫纜及充電。故當船舶靠近或離開躉船時，自動進行繫纜、解纜以及無線充電等需求越來越重要。
為了滿足先前技術中所提到的要求，本發明提供了一種船舶自動靠泊暨無線充電整合系統及其運作方法。
其中，該船舶自動靠泊暨無線充電整合系統包含一浮台及至少一船舶。該浮台包含一電源、一配電盤以及一鎖固模組控制系統。該配電盤與該電源連接，而該鎖固模組控制系統與該配電盤連接。該鎖固模組控制系統包含一控制器、一無線通訊模組、一船艏鎖固模組以及一船側固定模組。該無線通訊模組與該控制器連接，而該船艏鎖固模組及該船側固定模組亦與該控制器連接。
其中，該船艏鎖固模組包含一基座、一旋臂以及一夾頭。該基座與該控制器連接，該旋臂與該基座連接，該夾頭設於該旋臂末端。該夾頭包含一導正機構及一栓鎖機構。至於該船側固定模組包含一無線充電發射模組，該無線充電發射模組與該配電盤連接。
而每艘該船舶包含一自動駕駛系統、一船舶控制系統以及一無線充電接收模組。該船舶控制系統與該自動駕駛系統連接並與該無線通訊模組通訊，而該無線充電接收模組與該船舶控制系統連接，並可拆卸地與該無線充電發射模組對接。
其中該船艏鎖固模組固定該船舶並透過該導正機構導正該船舶的船艏方向後，由該船側固定模組透過該無線充電發射模組對接該無線充電接收模組後替該船舶充電。
而本發明所述之船舶自動靠泊暨無線充電整合系統的運作方法主要由下列步驟完成。首先，執行步驟(A)，提供前述的該船舶自動靠泊暨無線充電整合系統。接著執行步驟(B)，該船艏鎖固模組旋轉至該浮台外待命。
接著執行步驟(C)，該鎖固模組控制系統確認是否收到一維修指令或來自該船舶的一需求指令，如收到該維修指令則執行步驟(D1)，如收到該需求指令則執行步驟(D2)。其中，步驟(D1)係將該船艏鎖固模組 透過該旋臂將該夾頭旋轉至該浮台上。而步驟(D2)係將該船舶靠近該浮台，並由該船艏鎖固模組透過該旋臂將該夾頭旋轉至該船舶上並固定該船舶，再執行步驟(E)。
至於步驟(E)係將該夾頭導正該船舶的船艏方向，並由該自動駕駛系統下令命給該船舶控制系統啟動該船側固定模組，對該船舶進行充電。
以上對本發明的簡述，目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作一基本說明。發明簡述並非對本發明的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本發明的範圍，僅為以簡明的方式呈現本發明的數種概念而已。
10:船舶自動靠泊暨無線充電整合系統
100:浮台
101:電源
102:配電盤
1021:母線
1022:保險元件
103:鎖固模組控制系統
1031:控制器
1032:無線通訊模組
104:船艏鎖固模組
1041:基座
1042:旋臂
1043:夾頭
G:導正機構
L:栓鎖機構
105:船側固定模組
1051:無線充電發射模組
200:船舶
201:自動駕駛系統
202:船舶控制系統
203:無線充電接收模組
204:儲能單元
P:定位機構
P1:第一定位部
P2:第二定位部
T1:第一引導牙
T2:第二引導牙
T3:導板
Z:鉗持區間
H1:連線
H2:連線
C:第一工作位置
B:第二工作位置
A:第三工作位置
(A)~(E):步驟
圖1係本發明實施例之結構示意圖。
圖2係本發明實施例船艏鎖固模組的移動範圍示意圖。
圖3係本發明實施例船艏鎖固模組運作示意圖。
圖4係本發明實施例船艏鎖固模組另一運作示意圖。
圖5係本發明實施例船艏鎖固模組又一運作示意圖。
圖6係本發明實施例船艏鎖固模組再一運作示意圖。
圖7係本發明實施例之運作方法流程圖。
為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：首先請參照圖1，圖1係本發明實施例之結構示意圖。如圖1所示，本實施例之船舶自動靠泊暨無線充電整合系統10主要由兩大部份構成。包含浮台100及船舶200。在本實施例中，所述浮台100可以是任何 可浮在水上的載具或平台，例如躉船(Barge)、浮台(Floatplane)或是浮橋(Pontoon)等，本發明並不加以限制。
本實施例中的浮台100包含電源101、配電盤102以及鎖固模組控制系統103。在本實施例中，電源101可以是一般的市電，例如三相交流電源。亦可以採用交流發電機所產生的交流電源。
因此，本實施例之配電盤102與電源100連接。本實施例之配電盤102中包含母線1021以及保險元件1022。具體來說，保險元件1022可以是任何無熔絲的電路保護元件，在電流、電壓或溫度出現異常時可以自動跳開，達到保護電路的效果。至於鎖固模組控制系統103與即與配電盤102中的母線1021連接。
圖1中，標示為實線連接線者為電力提供之電性連接關係。而標示為虛線者則為通訊連接的關係。因此，本實施例之鎖固模組控制系統103包含控制器1031、無線通訊模組1032以及和該鎖固模組控制系統103通訊連接的船艏鎖固模組104以及船側固定模組105。當然，無線通訊模組1032與控制器1031連接，而船艏鎖固模組104及船側固定模組105亦與該控制器1031連接。
在本實施例中，控制器1031主要依照來自無線通訊模組1032所傳達的指令需求控制船艏鎖固模組104及船側固定模組105的機電控制機械運動以及是否提供充電功能等。據此，控制器1031可以是可程式化邏輯控制器(PLC)、工業用電腦、單片機、微控制器(MCU)、微處理器(MPU)或其組合，本發明並不加以限制。
請同時參照圖1-6，圖2係本發明實施例船艏鎖固模組的移動範圍示意圖；圖3係本發明實施例船艏鎖固模組運作示意圖；圖4係本發明實 施例船艏鎖固模組另一運作示意圖；圖5係本發明實施例船艏鎖固模組又一運作示意圖；圖6係本發明實施例船艏鎖固模組再一運作示意圖。
本實施例之船艏鎖固模組104包含基座1041、旋臂1042以及夾頭1043。其中基座1041與控制器1031連接，而旋臂1042與基座1041連接。夾頭1043則設於旋臂1042末端。在本實施例中，如圖3-6所示，夾頭1043包含導正機構G及栓鎖機構L。
至於船側固定模組105包含無線充電發射模組1051，該無線充電發射模組1051與配電盤102之母線1021連接。由於船側固定模組105與控制器1031連接之故，本實施例之船側固定模組105實際上係由至少一力臂支撐之可移動無線充電板構成。而無線充電發射模組1051即設置於該可移動無線充電板之中。因此，控制器1031可以控制至少一力臂決定可移動無線充電板之位置，並決定無線充電發射模組1051是否自配電盤102之母線1021開啟電源供應，以提供無線電源。
接著，本實施例之每艘船舶200包含自動駕駛系統201、船舶控制系統202以及無線充電接收模組203。此外，由於考慮到能源儲存的問題，本實施例之船舶200更可包含儲能單元204，儲存多餘/備用的電力。在本實施例中，儲能單元204可以是鋰離子電池、鋰鐵電池、鉛酸電池、鋁電池或其組合。而自動駕駛系統201可以是工業用計算機或電腦等可以自行運算航跡路徑或執行避碰功能的元件。至於船舶控制系統202可以包含必要的通訊、發電機、電池、機電控制設備、引擎等和船舶航行通訊有關的元件，本發明並不加以限制。
因此，本實施例之船舶控制系統202與自動駕駛系統201連接。並且，船舶控制系統202可以依照來自自動駕駛系統201判斷船舶控制系統202中的發電機或電池電量，甚至是儲能單元204的電量是否有不足的情 況後，透過與船舶控制系統202中的無線通訊器發出需求指令給予無線通訊模組1032。在無線通訊模組1032收到船舶控制系統202中的無線通訊器發出的需求指令後，會傳給控制器1031並由控制器1031同時控制艏鎖固模組104及船側鎖固模組105，使無線充電接收模組203可拆卸地與無線充電發射模組1051對接，讓無線充電發射模組1051對船舶控制系統202中的電池或儲能單元204充電。
更進一步來說，本實施例之完整充電流程係先由控制器1031控制船艏鎖固模組104以機械運動的方式固定船舶200，並透過導正機構G導正船舶200的船艏方向後，確認船舶200的位置正確無誤由栓鎖機構L完成船舶200的繫泊作業。待繫泊作業完成無誤後，才由控制器1031命令船側固定模組105的至少一力臂運動，將無線充電發射模組1051對接無線充電接收模組203，替船舶200充電。在這執行期間，自動駕駛系統201會不斷透過船舶控制系統202中的無線通訊器與無線通訊模組1032通訊，間接讓控制器1031得知如何控制船艏鎖固模組104的運動和船側固定模組105的運動與供電與否。
接著請再參照圖2，圖2中具體展示了船艏鎖固模組104的三個工作位置，分別是第一工作位置C、第二工作位置B以及第三工作位置A。本實施例中，三個工作位置可以自由雙向來回轉動，且三個工作位置之間，任意兩者旋臂1042的夾角均介於90度至180度之間。
其中，第一工作位置C係維修位置，其位於浮台100的範圍之內，可讓維修人員能站在浮台100上維修船艏鎖固模組104中可旋轉的基座1041、旋臂1042以及夾頭1043任何有損壞的機電結構。
而第三工作位置A主要是待命模式，也就是當船艏鎖固模組104沒有任何維修需求可正常使用時，基座1041會旋轉至第三工作位置A。 使船艏鎖固模組104可以待命，以執行任意船舶200的命令並滿足其需求。
至於第二工作位置B主要是繫泊模式。更正確來說，當有任何船舶200有繫泊或是繫泊及充電需求時，便會由第三工作位置A轉動至第二工作位置B以完成船舶200的繫泊作業。
接著請先參照圖7，圖7係本發明實施例之運作方法流程圖。並且，再參照圖7的同時，本實施例會搭配圖1以及圖3到圖6的示意進行說明。
首先，如圖7所示，本實施例船舶自動靠泊暨無線充電整合系統10的運作方法需先進行步驟(A)，提供本實施例於圖1-6中所載的船舶自動靠泊暨無線充電整合系統10。
接著，執行步驟(B)，該船艏鎖固模組旋轉至該浮台外待命。在本實施例中，如鎖固模組控制系統103中的無線通訊模組1032並未接到任何來自船舶200的指令，則船艏鎖固模組104會如圖3中的第三工作位置A一般，維持在浮台100的範圍外待命。
接著執行步驟(C)，該鎖固模組控制系統確認是否收到一維修指令或來自該船舶的一需求指令，如收到該維修指令則執行步驟(D1)，如收到該需求指令則執行步驟(D2)。
在步驟(C)中，鎖固模組控制系統103需要依照無線通訊模組1032是否有收到船舶200發出的需求指令亦或來自中控中心等任意第三方的維修指令，以決定船艏鎖固模組104的運作方式。
其中，假若無線通訊模組1032收到維修指令，則執行步驟(D1)，將該船艏鎖固模組透過該旋臂將該夾頭旋轉至該浮台上。據此，旋轉至 浮台100上的船艏鎖固模組104便可由維修人員站立在浮台100進行維修。
而無線通訊模組1032若收到來自船舶200的需求指令，亦或是其他船舶200透過其他第三方媒介，例如岸控中心等所傳來的需求指令，將視需求指令的內容執行步驟(D2)，將該船舶靠近該浮台，並由該船艏鎖固模組透過該旋臂將該夾頭旋轉至該船舶上並固定該船舶。
具體來說，可同時參照圖1及圖3，當船舶200直接或間接發出需求指令後，無線通訊模組1032會收到來自船舶控制系統202中無線通訊器的需求。該需求指令可能包含單純的船舶200繫泊需求，亦有可能同時包含船舶200的繫泊與充電需求。
在本實施例中，無線通訊模組1032和船舶控制系統202中無線通訊器之間針對充電需求控制的聯繫可以由自定義協定亦或藍芽TM協定等方式進行通訊。而控制和確認船舶200移動位置或是協調其動力分配和航運參數的通訊則可透過MODBUSTM亦或紫蜂(ZigbeeTM)等通訊協定來達成，本發明並不加以限制。
因此，在步驟(D2)中，當船舶200靠近浮台100時，因船舶200並非如陸地載具一般具有輪胎而調整其方向容易之故，船舶200多半會有船艏不正的問題。
本實施例中，可以應用的船舶200，其與船艏鎖固模組104之間連接需要依賴其上的定位機構P。如圖3所示，本實施例船舶200上的定位機構P包含第一定位部P1及第二定位部P2，且第一定位部P1及第二定位部P2的連線H2方向與船舶200的船艏船艉連線H1方向平行設置。具體來說，本實施例的第一定位部P1及第二定位部P2可以是兩個金屬樁。當船 艏鎖固模組104咬合第一定位部P1及第二定位部P2時不會使第一定位部P1及第二定位部P2產生形變。
因此，船舶200在步驟(D2)中會如圖3一般行駛靠近浮台100，並將其接近船艏的定位機構P移動到幾乎與浮台100側緣平行的狀態。除此之外，定位機構P亦須在船艏鎖固模組104之旋臂1042的迴轉半徑之內。在其他可能的實施例中，旋臂1042本身具有液壓驅動的伸縮臂，可以依照船舶200的位置調整其迴轉半徑，本發明並不加以限制。
接著如圖4所示，待圖3中的條件齊備，定位機構P落於旋臂1042的迴轉半徑且距離妥適之時，船艏鎖固模組104便會從原本待命的第三工作位置A轉動至第二工作位置B。在本實施例中定位機構P是否落於旋臂1042的迴轉半徑且距離妥適，需要根據夾頭1043中的導正機構G來決定。
具體來說，本實施例之導正機構G包含第一引導牙T1、第二引導牙T2以及第一引導牙T1末端設有可轉動的導板T3。其中，第一引導牙T1固定於旋臂1042上，而第二引導牙T2與第一引導牙T1之間形成鉗持區間Z。由於本實施例之第一引導牙T1及第二引導牙T2之整體構造呈現V字型的導角，且向內縮入鉗持區間Z，因此前述距離妥適即指船舶200上的定位機構P落於第二引導牙T2與第一引導牙T1的迴轉半徑區間之中。
更進一步來說，確認定位機構P的位置和距離是否妥適，可以透過船舶200上設置於船舶控制系統202中的攝影機或其他光學辨識系統進行人工智慧影像辨識或測距等方式來確認。當然亦可由岸控中心連線至岸上或是浮台100上額外設有的攝影機或光學辨識系統來確認，本發明並不加以限制。
確認定位機構P距離妥適後，本實施例便透過旋臂1042的迴轉將定位機構P的第一定位部P1咬入鉗持區間Z之中。此時，由於船舶200的船艏位置因水上載具的特性，有極高的機率並非與浮台100的側緣平行。對此，請參照圖5，如圖5所示，本實施例之導板T3會透過其設置於第一引導牙T1中的轉軸以及致動器(如液壓致動器)，沿著與浮台100平行的方向伸出，並對第二定位部P2施加應力。
據此，透過第一定位部P1和第二定位部P2因鉗持區間Z和導板T3的施力而呈現一直線的原理，將整個船舶200的船艏船艉連線H1調整至與浮台100側緣近乎平行的狀態。如圖6所示，本實施例待船舶200的船側已調整至近乎與浮台100側緣平行的狀態後，鉗持區間Z裡的栓鎖機構L便會自旋臂1042穿過第二引導牙T2的內部轉出，將第一定位部P1鎖住並固定。
在本實施例中，雖然因為栓鎖機構L設計為鉤狀機構而僅能鎖住第一定位部P1。但在其他可能的實施樣態中，栓鎖機構L鎖住的對象可以是第一定位部P1、第一定位部P2或其組合，本發明並不加以限制。
因此，步驟(E)將該夾頭導正該船舶的船艏方向，並由該自動駕駛系統下令命給該船舶控制系統啟動該船側固定模組，對該船舶進行充電。所述夾頭1043可以將船舶200的船艏方向導正，即透過圖3-6的作業為之，並完成繫泊作業。
進一步的，如船舶200所發出的需求指令並非僅有繫泊需求，更包含充電需求的話，則在確認前述圖3至圖6的鎖固及導正作業均順利後，進一步由控制器1031控制船側固定模組105的機械力臂帶動其無線充電板中的無線充電發射模組1051與船舶200上的無線充電接收模組203對接，進行充電作業。當然，由於無線充電接收模組203需要順利作 業的緣故，與其連接的船舶控制系統202當然包含電源管理系統或是電池保護電路等必要電路，本發明並不加以限制。
在本實施例中，無線充電發射模組1051和無線充電接收模組203均可以由發射電路、傳輸電路、功率校正電路、傳電電路、直流降壓模組或其組合所構成。而規格上來說，輸入的電壓係220伏特的單相交流電源轉換為330-350伏特的直流電源進行輸出。輸出的功率為7千瓦，可接受的充電距離介於15-20公分，充電效率為95%以上。
而無論船舶200係僅有繫泊需求亦或繫泊充電需求均有，當在船艏鎖固模組104受到等於或超過第一閾值的力量或旋臂1041的受到外力的旋轉角度超過第二閾值時，便會跳過步驟(E)，直接執行步驟(F)，夾頭1043自船舶200上鬆脫，並透過旋臂1042將夾頭1043旋轉至浮台外(即第三工作位置A)。在本實施例中，所述第一閾值設定為大於或等於500公斤，而第二閾值則設計為120度。如此一來，便在船舶200有緊急脫離需求或是發生意外碰撞時，有保險機制可以讓船舶200脫離浮台100。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及說明內容所作之簡單變化與修飾，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內。
10:船舶自動靠泊暨無線充電整合系統
100:浮台
101:電源
102:配電盤
1021:母線
1022:保險元件
103:鎖固模組控制系統
1031:控制器
1032:無線通訊模組
104:船艏鎖固模組
1041:基座
1042:旋臂
1043:夾頭
105:船側固定模組
1051:無線充電發射模組
200:船舶
201:自動駕駛系統
202:船舶控制系統
203:無線充電接收模組
204:儲能單元
P:定位機構
P1:第一定位部
P2:第二定位部

Claims (8)

  1. 一種船舶自動靠泊暨無線充電整合系統，包含：一浮台，包含：一電源；一配電盤，與該電源連接；一鎖固模組控制系統，與該配電盤連接，該鎖固模組控制系統包含：一控制器；一無線通訊模組，與該控制器連接；一船艏鎖固模組，與該控制器連接，該船艏鎖固模組包含：一基座，與該控制器連接；一旋臂，與該基座連接；一夾頭，設於該旋臂末端，該夾頭包含一導正機構及一栓鎖機構；一船側固定模組，與該控制器連接，該船側固定模組包含：一無線充電發射模組，與該配電盤連接；以及至少一船舶，每艘該船舶包含：一自動駕駛系統；一船舶控制系統，與該自動駕駛系統連接並與該無線通訊模組通訊；一無線充電接收模組，與該船舶控制系統連接，並可拆卸地與該無線充電發射模組對接； 其中，該船艏鎖固模組固定該船舶並透過該導正機構導正該船舶的船艏方向後，由該船側固定模組透過該無線充電發射模組對接該無線充電接收模組後替該船舶充電。
  2. 如請求項1所述的船舶自動靠泊暨無線充電整合系統，其中該船舶更設有一定位機構，該定位機構包含一第一定位部及一第二定位部，且該第一定位部及該第二定位部的連線方向與該船舶的船艏船艉連線方向平行設置。
  3. 如請求項2所述的船舶自動靠泊暨無線充電整合系統，其中該導正機構包含：一第一引導牙，固定於該旋臂上，該第一引導牙的末端設有可轉動的一導板；以及一第二引導牙，與該第一引導牙之間形成一鉗持區間並設置於該旋臂上；其中，該栓鎖機構設置於該鉗持區間中，並待該第一定位部及該第二定位部均進入該鉗持區間後由該栓鎖機構固定該第一定位部、該第二定位部或其組合。
  4. 如請求項3所述的船舶自動靠泊暨無線充電整合系統，其中該栓鎖機構為一鉤狀機構。
  5. 一種船舶自動靠泊暨無線充電整合系統的運作方法，包含：(A)提供如請求項1所述的該船舶自動靠泊暨無線充電整合系統；(B)該船艏鎖固模組旋轉至該浮台外待命；(C)該鎖固模組控制系統確認是否收到一維修指令或來自該船舶的一需求指令，如收到該維修指令則執行步驟(D1)，如收到該需求指令則執行步驟(D2)；(D1)該船艏鎖固模組透過該旋臂將該夾頭旋轉至該浮台上； (D2)該船舶靠近該浮台，並由該船艏鎖固模組透過該旋臂將該夾頭旋轉至該船舶上並固定該船舶，再執行步驟(E)；(E)該夾頭導正該船舶的船艏方向，並由該自動駕駛系統下令命給該船舶控制系統啟動該船側固定模組，對該船舶進行充電。
  6. 如請求項5所述的船舶自動靠泊暨無線充電整合系統的運作方法，在步驟(D2)或步驟(E)中，如該船艏鎖固模組受到超過一第一閾值的力量或該旋臂的受到外力的旋轉角度超過一第二閾值時，直接執行：(F)該夾頭自該船舶上鬆脫，並透過該旋臂將該夾頭旋轉至該浮台外。
  7. 如請求項6所述的船舶自動靠泊暨無線充電整合系統的運作方法，其中該第一閾值為500公斤。
  8. 如請求項6所述的船舶自動靠泊暨無線充電整合系統的運作方法，其中該第二閾值為120度。
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