摆线推进器的监测控制系统以及包括该系统的无人船的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于船舶特种推进器监测与控制领域，具体涉及一种摆线推进器的监测控 制系统以及包括该系统的无人船。
【背景技术】
[0002] 当今世界各国越来越重视海洋发展战略。推进器是推动船舶运动的装置，长期以 来人们为探索新型高效的推进器而不肩地努力。船用螺旋桨推进器是海洋工程装备中最常 见的船舶推进器，其结构简单、造价低廉、市场宽广，但是其操纵和控制性能不足，难于适应 船舶侧移、后退、停止、变速、以及原地打转等要求。摆线推进器在机动性方面优越于普通的 螺旋桨推进器。
【发明内容】
[0003] 本发明提供一种摆线推进器的监测控制系统以及包括该系统的无人船，摆线推进 器的监测控制系统实现了对整个无人船的监控，包括该监测控制系统的无人船具有可控性 高、机动性强、操纵简单的优点。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：
[0005] 摆线推进器的监测控制系统，一艘无人船包括两个摆线推进器，每个摆线推进器 由两个舵机控制其偏心点，各个摆线推进器的转盘在偏心点处的速度方向为该摆线推进器 的推力方向，所述两个摆线推进器由一个监测控制系统监控，两个摆线推进器的监测控制 系统包括ARM主控制板、分别驱动各个所述转盘转动的主驱动电机、通过无线通信模块和 所述ARM主控制板通信的上位机、安装于无人船上的GPS和电子罗盘，所述ARM主控制板通 过电机驱动器控制所述主驱动电机转动，所述主驱动电机的输出轴上装有用于测量主驱动 电机的转速和加速度的编码器、用于测量主驱动电机输出扭矩的扭矩传感器，所述主驱动 电机的内部装有用于测量主驱动电机内部温度的电机温度传感器，所述摆线推进器的主传 动箱内装有用于测量摆线推进器的叶片摆动机构的油温的油液温度传感器，所述ARM主控 制板和电机驱动器通过电池供电；
[0006] 所述ARM主控制板根据编码器、扭矩传感器、电机温度传感器、油液温度传感器的 数据输出四个PWM信号至四个舵机，通过四个PWM信号的占空比的不同控制四个舵机转动 相应的角度，其中两个舵机通过主动杆、从动杆连接一摆线推进器的偏心杠杆的上端，从而 可以确定与该两个舵机对应的摆线推进器的偏心点位置，另两个舵机通过主动杆、从动杆 连接另一摆线推进器的偏心杠杆的上端，从而可以确定与该另两个舵机对应的另一摆线推 进器的偏心点位置，通过各个摆线推进器的偏心点位置以及对应转盘的转动方向可以得到 两个摆线推进器各自的推力方向，各个摆线推进器的推力方向为与其对应的转盘在偏心点 处的速度矢量方向，在两个摆线推进器的推力合力作用下，船舶的运动可以是前进、后退、 侧移、停止、变速、以及原地打转；
[0007] 所述无线通信模块包括设在上位机内的第一无线通信模块以及设在ARM主控制 板内的第二无线通信模块，第一无线通信模块通过USB接口和上位机连接，第二无线通信 模块通过UART串行口和ARM主控制板连接，第一无线通信模块和第二无线通信模块之间无 线通信连接；第一无线通信模块和第二无线通信模块之间的传输协议自定义，传输的数据 包括舵机的转动角度、主驱动电机的转速和加速度、以及电机温度传感器、油液温度传感器 和扭矩传感器的测量数据、以及GPS和电子罗盘的位置和航向数据；
[0008] 所述ARM主控制板通过UART串行口将TTL电平经转换器转换成485电平控制对 应两个摆线推进器的两个电机驱动器，二者之间的传输协议为Modbus协议，通过Modbus协 议，在ARM主控制板内写入需要主驱动电机实现的转速值、加速度值，并从电机驱动器中读 取所述编码器传来的主驱动电机的转速值、加速度值、以及电机温度传感器传来的电机内 部温度值，从而完成对两个主驱动电机的控制；所述扭矩传感器和油液温度传感器则通过 A/D转换接口和ARM主控制板连接；
[0009] 所述GPS采用UART串行口和ARM主控制板连接，GPS会实时发送地理位置数据给 ARM主控制板，GPS数据格式为信息类型，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，信息类型可 以为，GPGSV :可见卫星信息，GPGLL :地理定位信息，GPRMC :推荐最小定位信息，GPVTG :地面 速度信息，GPGGA :GPS定位信息，GPGSA :当前卫星信息，ARM主控制板解析GPS发送来的地 理位置数据，提取有用的信息，包括船体航向、速度以及具体方位信息，传回上位机；
[0010] 所述电子罗盘采用IIC接口和ARM主控制板连接，电子罗盘会发送无人船的航行 角度数据给ARM主控制板，ARM主控制板解析电子罗盘的航行角度数据，结合GPS的地理位 置数据，可以得到船体航向、速度以及具体方位信息，并传回上位机；
[0011] 所述摆线推进器的监测控制系统还包括设在上位机内的上位机控制软件，所述上 位机控制软件包括收发数据解析程序、基于推进器数学模型程序、路径规划程序、实时监控 程序、以及预警程序，所述ARM主控制板内设有与上位机控制软件对应的ARM主控制板转换 程序；
[0012] 收发数据解析程序，接收ARM主控制板通过无线通信模块发过来的数据包，并解 析数据包，然后把相应的不同参数赋给不同的变量，收发数据解析程序也可以发送上位机 对摆线推进器控制的相关参数，并将这些参数打包，通过无线通信模块发送给ARM主控制 板；
[0013] 基于推进器数学模型程序，根据摆线推进器中舵机的转动角度以及主驱动电机的 转速和转动方向对于无人船的航向和航速的数学模型编写而成，用户在其中输入无人船的 航向和航速，基于推进器数学模型程序就能自动计算出最优的两个舵机的转动角度和两个 主驱动电机的转速；
[0014] 两个摆线推进器的数学模型如下：
[0015] -舵机的转动角度：
[0017] 另一舵机的转动角度：
[0019] 其中x。，y。表示偏心点坐标，r为舵机转动半径，L为偏心点和舵机圆周切点连线 的距离，θρ 02为对应两个舵机的转动角度；
[0020] 路径规划程序，路径规划采用蚁群算法，在用户确定目的地后，路径规划程序能够 对水域上的障碍进行识别，避开水域的障碍物，根据地理信息自动规划并计算出合适的路 径，经基于蚁群算法的数学模型换算后，得到无人船合适的航向和航速，从而让船舶自动到 达目的地；所述上位机通过对接收到的GPS和电子罗盘的位置和航向数据进行解析，实时 监控无人船的位置和航向，并与路径规划程序规划好的路径的位置和航向相比较，将比较 结果转化为舵机和主驱动电机的控制代码，通过无线通信模块发送给无人船的ARM主控制 板，ARM主控制板通过发送不同占空比的PWM信号给舵机以控制舵机的转动角度，并通过和 电机驱动器之间的Modbus协议控制主驱动电机的转速和加速度，从而实时修正船舶运行 路线，让船舶按照路径规划程序规划好的路径行走；
[0021] 实时监控程序，接收ARM主控制板传递来的相关参数，实时在上位机中显示这些 相关参数，并根据要求对无人船的航向和航速进行相关控制；
[0022] 预警程序，当上位机监测到所接收的电机温度传感器或者油液温度传感器的值超 过设定的临界值时，上位机控制软件会发出预警通知用户，并自动降低主驱动电机的转速， 以及，当上位机监测到所接收的扭矩传感器的值超过设定的临界值时，上位机控制软件会 发出预警通知用户，并自动降低主驱动电机的转速或者使主驱动电机停转；
[0023] ARM主控制板转换程序，作为上位机以及与ARM主控制板连接的各个部件（如各个 传感器、电机驱动器等）的桥梁，转换上位机发送过来的信号成各个部件能够识别的信号， 让上位机间接控制各个部件；
[0024] 除通过上位机实时监控无人船的运行之外，所述ARM主控制板带有触摸屏，不通 过上位机，用户可以直接通过触摸屏在船上实时地监控无人船的运行；
[0025] 监测控制系统的流程为，系统上电以后，ARM主控制板先初始化各种环境变量，然 后ARM主控制板控制等待用户选择模式，模式有远程控制模式和本地控制模式两种，当触 摸屏有信号输入时，代表用户在无人船上实时控制无人船，此时为本地控制模式，当无线通 信模块端有信号输入时，代表用户通过上位机远程控制无人船，此时为远程控制模式；当用 户远程控制无人船时，ARM主控制板等待接收到完整的控制数据后，ARM主控制板执行该控 制数据，控制舵机的转动角度和主驱动电机的转速，然后开始循环读取GPS和电子罗盘的 位置和航向数据、油液温度传感器数据、电机温度传感器数据、力矩传感器数据并发送到上 位机；当上位机发送数据给ARM主控制板时，ARM主控制板立即触发中断，来执行上位机发 送的数据，完毕后继续执行循环段，当用户在无人船上实时监控无人船时，ARM主控制板监 测到触摸屏输入的数据后，会立即触发中断，执行触摸屏上传来的数据。
[0026] 包括上述监测控制系统的无人船，包括船舶本体，船舶本体由两个摆线推进器推 动运动，所述船舶本体上装有用于实时监控无人船的位置和航向的GPS和电子罗盘，所述 两个摆线推进器由上述的监测控制系统监控，所述GPS采用UART串行口和ARM主控制板连 接，电子罗盘采用lie接口和ARM主控制板连接。
[0027] 进一步地，所述船舶本体的中前部固定有用