专利名称：一种具有定位避障功能的无人有动力船模的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及船模技术领域，具体为一种适合于高校和科研机构进行科学研究用的具有定位避障功能的无人有动力船模。
背景技术：
为了维护海洋权益，无人船受到了国内外的高度重视。为此，高等学校和科研机构投入了大量的人力和物力，进行无人船的研究。为了研究和实验的便利，通常采用船舶的缩比模型，俗称船模。它主要有两种用途，一种是作为被研究的对象，研究无人船的流体动力外形和流体动力布局、动力推进、自主导航及控制等；另一种是作为动态的平台，搭载导航设备、水下探测设备等，对这些设备进行动态测试。目前科学研究用的船模主要有两类，一类是无动力船模，主要用于研究无人船的·流体动力外形和流体动力布局；另一类是有动力船模，主要用于研究无人船的动力推进、遥控，以及搭载其它实验设备进行动态实验等。但是，现有的有动力船模，通常只在实验室的水池中使用，仅具有简单的遥控控制功能，存在着不能自主精确定位和碰撞检测的缺点，不具有复杂计算的能力，给无人船的导航、控制、避障及编队协同的研究带来了极大的不便。
发明内容要解决的技术问题为解决现有技术存在的问题，本实用新型提出了一种具有定位避障功能的无人有动力船模，不仅能够对其实施遥控，而且能够自主控制，使其更适合进行科学研究使用。技术方案本实用新型的技术方案为所述一种具有定位避障功能的无人有动力船模，包括船体和两套螺旋桨电推进装置，每套螺旋桨电推进装置包括直流电机调速器、马达系统、直流接触器和螺旋桨，两套螺旋桨平行安装在船体后部，并与船体中轴线成对称分布，其特征在于在船体上安装有定位装置、激光探测装置、无线电接收发送装置、船模运动传感器、船模运动控制模块、电源转换模块和蓄电池；蓄电池通过电源转换模块为船体上用电设备供电；定位装置用于向船模运动控制模块提供船体的位置信息；激光探测装置用于向船模运动控制模块提供船体周围障碍物的位置信息；无线电接收发送装置用于将接收的外部遥控指令传递给船模运动控制模块；船模运动传感器用于将船体运动的三个方位角和三个方位角速度传递给船模运动控制模块；船模运动控制模块根据输入的信息进行运动控制解算，得到两套螺旋桨电推进装置中两个马达系统的需要转速，并对两套螺旋桨电推进装置中的直流电机调速器进行控制。所述一种具有定位避障功能的无人有动力船模，其特征在于船模运动控制模块直接控制两套螺旋桨电推进装置中的直流接触器，实现船体的紧急停车。所述一种具有定位避障功能的无人有动力船模，其特征在于当船模在室内环境中工作时，采用的定位装置为激光定位装置；所述激光定位装置包括船体上的激光发射器和室内环境水体周围分布放置的激光反射板；激光反射板的位置信息已知，且激光反射板的安装位置和角度能够使船模在室内环境水体中任意位置都能够接收到至少三块激光反射板反射的信号。所述一种具有定位避障功能的无人有动力船模，其特征在于当船模在室外环境中工作时，采用的定位装置为GPS定位装置。有益效果本实用新型提出的无人有动力船模，能够使船模的使用范围和使用灵活性得到加强，方便了高等学校和科研机构对无人船的关键技术进行实航试验验证，具有方便直观、风险小、成本低、周期短等优点。
图I :本实用新型在室内环境的工作示意图；·图2 :本实用新型的侧视图；图3 :本实用新型的俯视图；图4 :本实用新型内部系统关系图；其中1、船体；2、把手；4、激光定位装置的安装管；5、GPS天线的安装管；6、螺旋桨电推进装置的悬挂系统；8、螺旋桨电推进装置的连接管；10、马达系统；12、螺旋桨；14、激光探测装置；15、激光定位装置；16、GPS天线；17、无线电接收发送天线；18、GPS定位装置；19、无线电接收发送装置；20、电源转换模块；21、船模运动传感器；22、船模运动控制模块；23、直流接触器；25、直流电机调速器；27、蓄电池；29、电源开关；40、无人有动力船模；50、外部遥控装置；60、激光反射板。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本实用新型参照附图2和附图3，本实施例中的具有定位避障功能的无人有动力船模，包括船体I和两套螺旋桨电推进装置，每套螺旋桨电推进装置包括直流电机调速器25、马达系统10、直流接触器23和螺旋桨12。两套螺旋桨平行安装在船体后部，并与船体中轴线成对称分布。采用两个左右对称的可无级变速的电推进装置，可改变推进装置产生的推力，从而使船模的推进与操纵合二为一。具体的，推进器马达系统电源线的正负极分别通过各自的连接管分别连接到舱内对应的直流电机调速器的正极端及直流接触器的输入端。直流接触器的输出端连接到各自直流电机调速器的负极端，它们的控制端连接到船模运动控制模块上，由船模运动控制模块控制直流接触器的通断，可确保船模在非正常情况下能紧急停车。左右两个电动力推进器可在船模运动控制模块的控制下，给直流电机调速器输出转速指令，由直流电机调速器对推进器的马达系统进行调速，进而可以改变两个螺旋桨所产生的推力，从而可以控制船模的速度和偏航角速度。 螺旋桨电推进装置的悬挂系统用于将电推进装置在船上固定，螺旋桨电推进装置的连接管用于调节电推进装置的入水深度及马达电缆的铺设，直流接触器控制电推进装置的工作装置，直流电机调速器调节左右两个推进器马达系统的转速，进而可以控制船模的航速和偏航角速度。在船体上有把手，用于在船底搭载实验设备[0022]在船体上安装有定位装置、激光探测装置14、无线电接收发送装置19、船模运动传感器21、船模运动控制模块22、电源转换模块20和蓄电池27。蓄电池通过电源转换模块为船体上用电设备供电。本实施例中蓄电池输出电压为12V，通过电源转换模块转换为5V和24V后，给相应设备供电。具体为蓄电池通过电源开关29后，供给电源转换模块，作为船模设备的使用电源，同时蓄电池通过电源开关直接供给直流电机调速器，作为船模动力推进的电源。电源转换模块中的一路将蓄电池的12V转换为5V后，给直流电机调速器、船模运动控制模块(即计算机控制器)、船模运动传感器、无线电接收发送装置和GPS定位装置供电；电源转换模块中的另一路将蓄电池的12V转换为24V后，分别给激光定位装置、激光探测装置供电。定位装置用于向船模运动控制模块提供船体的位置信息。激光定位装置的安装管4用于激光定位装置的固定及电缆的铺设；GPS天线的安装管5，用于GPS天线的固定及电缆的铺设。定位装置根据船模使用环境的不同分为室内定位装置和室外定位装置。当船模在室内环境中工作时，采用的室内定位装置为激光定位装置。所述激光定位装置包括船体上的激光发射器和室内环境水体周围分布放置的激光反射板60。激光反射板的位置信息已知，且激光反射板的安装位置和角度能够使船模在室内环境水体中任意位置都能够接收到至少三块激光反射板反射的信号。船模在室内环境水体实验时，由激光发射器发出激光探测波束，激光定位装置根据激光发射板反射回来的激光进行定位计算，给出船模的位置，并提供给船模运动控制模块。当船模在室外环境中工作时，采用的定位装置为GPS定位装置。通过GPS天线16接收定位信号，并由GPS定位装置将船模的位置提供给船模运动控制模块。通过定位装置，使船模能够自主精确定位，从而可以满足船模在室内水池和室外湖泊环境均能进行科学实验的需要。本实施例中的室内激光定位装置采用德国SICK公司的LMS200室内型激光测量系统。船模采用激光探测装置发出激光探测波束，探测船体周围的障碍物，并测量障碍物的距离与方位，并提供给船模运动控制模块，根据相应的算法由船模运动控制模块自主控制船体进行避障。本实施例采用的算法为文献《一种自主水下航行器路径规划算法》系统仿真学报，2006年第12期中的算法。船模运动传感器用于将船体运动的三个方位角和三个方位角速度传递给船模运动控制模块，从而可由船模运动控制模块控制船模的航向或偏航角速度。无线电接收发送装置用于将接收的外部遥控指令传递给船模运动控制模块，也将船模的姿态和位置信息通过无线电接收发送装置发送给外部遥控装置。本实用新型的工作原理是这样的闭合电源开关后，船模上的定位系统、测量系统开始工作，计算机控制器进行初始化。初始化完毕后，船模进入工作等待状态，由外部遥控装置向船模发送工作模式指令，无线电接收发送装置接收到指令后输出给计算机控制器，由计算机控制器确定船模的工作模式。在自主工作模式下，计算机控制器接通直流接触器，由定位系统测量船模的位置，由测量系统测量船模的欧拉角、角速度和船模遇到的障碍情况，这些信息输入计算机控制器后，由计算机控制器根据事先确定的使命任务和避障算法给直流电机调速器输出转速指令，由直流电机调速器对推进装置的马达系统进行调速，进而可以改变螺旋桨所产生的推力，从而可以控制船模的速度和偏航角速度，同时计算机控制器通过无线电接收发送装置，将测量系统测量到的信息和定位系统得到的船模位置发送给外部遥控装置，直到使命任务完成。使命任务完成后，由计算机控制器控制直流接触器断开，船模重新进入工作等待状态。在遥控工作模式下，计算机控制器接通直流接触器，外部遥控装置向船模发送速度和偏航角速度指令，船模接收到指令后，计算机控制器根据指令及定位系统和测量系统测量到的信息，给直流电机调速器输出转速指令，由直流电机调速器对推进器的马达系统进行调速，进而可以改变螺旋桨所产生的推力，从而可以控制船模的速度和偏航角速度，同时计算机控制器通过无线电接收发送装置，将测量系统测量到的信息和定位系统得到的船模位置发送给外部遥控装置，直到遥控结束。在对船模控制过程中，如果遇到非正常情况，外部遥控装置向船模发送紧急停车指令，计算机控制器接收到紧急停车指令后，控制直流接触器断开，船模紧急停车。船模实验完成后，断开电源开关，对船模进行打捞和回收。
权利要求1.一种具有定位避障功能的无人有动力船模，包括船体和两套螺旋桨电推进装置，每套螺旋桨电推进装置包括直流电机调速器、马达系统、直流接触器和螺旋桨，两套螺旋桨平行安装在船体后部，并与船体中轴线成对称分布，其特征在于在船体上安装有定位装置、激光探测装置、无线电接收发送装置、船模运动传感器、船模运动控制模块、电源转换模块和蓄电池；蓄电池通过电源转换模块为船体上用电设备供电；定位装置用于向船模运动控制模块提供船体的位置信息；激光探测装置用于向船模运动控制模块提供船体周围障碍物的位置信息；无线电接收发送装置用于将接收的外部遥控指令传递给船模运动控制模块；船模运动传感器用于将船体运动的三个方位角和三个方位角速度传递给船模运动控制模块；船模运动控制模块对两套螺旋桨电推进装置中的直流电机调速器进行控制。
2.根据权利要求I所述的一种具有定位避障功能的无人有动力船模，其特征在于当船模在室内环境中工作时，采用的定位装置为激光定位装置；所述激光定位装置包括船体上的激光发射器和室内环境水体周围分布放置的激光反射板；激光反射板的位置信息已知，且激光反射板的安装位置和角度能够使船模在室内环境水体中任意位置都能够接收到至少三块激光反射板反射的信号。
3.根据权利要求I所述的一种具有定位避障功能的无人有动力船模，其特征在于当船模在室外环境中工作时，采用的定位装置为GPS定位装置。
专利摘要本实用新型提出了一种具有定位避障功能的无人有动力船模，包括船体和两套螺旋桨电推进装置，在船体上安装有定位装置、激光探测装置、无线电接收发送装置、船模运动传感器、船模运动控制模块、电源转换模块和蓄电池。定位系统能自主精确定位，满足船模在室内和室外均能进行科学实验的需要；激光探测装置用于测量障碍物的距离与方位，满足船模进行自主避障科学研究的需要；船模采用两个左右对称的可无级变速的电动力推进器，可改变推进器产生的推力，从而使船模的推进与操纵合二为一；船模采用计算机控制器和无线电通讯系统，船模可实现自主控制，也可以对其实施遥控，从而方便了对船模的科学研究。
文档编号G05D1/02GK202694149SQ201220258460
公开日2013年1月23日 申请日期2012年6月3日 优先权日2012年6月3日
发明者严卫生, 高剑, 崔荣鑫, 张福斌, 王银涛, 张立川, 刘明雍, 季小尹, 彭星光 申请人:西北工业大学