无人作业智能船装置及控制系统的制作方法

本发明涉及一种无人作业的自动化装置，具体地涉及一种基于物联网的无人作业智能船无人作业智能船装置及控制系统。

背景技术：

无人船作为一种智能化、自动化、无人化、网络化的水面运载工具，在水域生态监控、水上作业等方面发挥了极其重要的作用。随着产业化的发展和无人船目的性的增强，包括避障、根据采集数据智能作业和要具备一定自检能力等实际问题亟待解决。另外，伴随着互联网技术的发展，利用计算机技术，网络技术等对原有的生产方和管理方式进行升级改造也成为一大创新需求。

中国专利文献CN 205785296公开了一种智能无人水域监测平台，包括船体、船体上的APM自驾导航系统、GPS定位系统、拍摄系统、图像传输系统、OSD视频叠加系统、3DR数据传输系统、电源等、控制系统以及设置在甲板上的推进装置。该平台能够实现航线自动驾驶，GPS定位系统卫星定位和自动返航，通过3DR无线数据传输系统实时传输监测及航行数据，图像传感器拍摄到的视频及图片可通过无线图像传输系统回传至视频监控端，并将地理信息位置、电源电压电流信息以及其他采集信息一并叠加传输到显示屏上。该智能无人水域监测平台只能用于监测数据，并且智能化程度不高，只能依据设定的路线行驶，控制方式单一。

技术实现要素：

为了克服上述技术问题，本发明提供了一种无人作业智能船无人作业智能船装置及控制系统，可实现自主巡航，自动避障，自动回充，可以与智能终端通信，能根据现场采集的数据控制无人作业的智能船，同时为方便对智能船和水域监控管理，提供能随时查看智能船行驶轨迹、船体电量状态，养殖区水质参数，控制智能船工作。

本发明的技术方案是：一种无人作业智能船装置，包括智能船本体，所述智能船本体设置有主控制模块，所述主控制模块连接有导航系统、水质检测系统及数据传输模块，所述水质检测系统包括设置于智能船本体下部的传感器模块，所述导航系统包括北斗和GPS双模定位模块、及指南针模块，所述主控制模块还连接有执行机构、测距模块、及电量检测系统。

优选的，所述执行机构至少包括喂食装置、增氧设备。

优选的，所述喂食装置通过底座支架安装在智能船本体上，包括上腔体和下腔体，所述上腔体顶部一侧设置有一出料口，所述上腔体靠近出料口设置有限位拨轮，所述下腔体设置有电机，所述电机通过转轴连接转动齿轮组，所述转动齿轮组驱动上腔体转动，所述上腔体底部设置有限位凸起，所述下腔体内壁上设置有与限位凸起配合的限位开关，所述限位凸起与限位开关相对设置。

优选的，所述智能船本体设置有第一无线传输模块，所述第一无线传输模块与设置在执行机构上的第二无线传输模块进行通信，控制执行机构工作。

优选的，所述主控制模块还连接回充对接系统，所述智能船本体的顶端设置有充电用防水接口，两侧设置有红外接收装置，所述红外接收装置用于接收设置在充电节点的红外发射装置发射的红外信号，所述回充对接系统用于定位充电接点的位置并进行充电控制。

优选的，所述回充对接系统的定位方法为：

以安装在智能船本体上的某一红外接受装置中为原点建立直角坐标系，两部红外接受仪坐标分别P1(x1,y1,z1)和P2(x2,y2,z2)，红外发送仪所在坐标为Q(xq,yq,zq)；实时计算两部红外接受仪与红外发送仪的偏角，确定红外发送仪即充电插头的具体位置。

优选的，主控制模块控制导航系统进行自动巡航，具体包括以下步骤：

S01：通过协议解析获知当前智能船本体所处的经纬度信息；

S02：将该经纬度与目标点经纬度进行实时比对，计算船所需的与正北方向的目标夹角，再通过I2C通行协议与指南针模块进行通信得到船与正北方向的实际夹角，将实际夹角与目标夹角相减得到误差值；

S03：将当前误差值、误差值的微分和误差值的积分分别乘以对应的系数得到所需的电机转速偏差值，通过改变电机转速调节船头方向，使实际夹角与目标夹角相同，当前智能船本体所处的经纬度信息与目标点经纬度相同时，结束自动巡航。

本发明还公开了一种无人作业智能船装置的控制系统，通过数据传输模块用于将数据实时传输至远程服务器，所述远程服务器与智能终端数据通信，所述智能终端内设置有用于控制智能船的控制系统APP，所述控制系统APP用于显示无人作业船的行驶轨迹和水质参数；发送控制命令，包括设定无人船自动行驶的航线，控制无人船的航向，设定充电点地理经纬坐标和设定自动作业的数据阈值和时间。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明的智能船具有避障功能，可自主巡航，并能根据现场采集的水质参数进行自动化作业。可以自动检测电池状态并可自动回充至充电节电充电。

2、通过GPRS传输给远程服务器，用户可以通过安装在智能终端的控制系统APP，查看智能船的行驶轨迹、智能船当前所处位置、水质参数，并可通过APP对无人作业船远程控制，包括设定智能船自动行驶的航线，控制无人船的航向，设定充电点地理经纬坐标和设定无人船自动作业的数据阈值和时间等。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1 为本发明一种无人作业智能船装置的控制系统的结构框图；

图2 为本发明一种无人作业智能船装置的电路原理图；

图3 为本发明一种无人作业智能船装置的PID流程图；

图4为本发明避障流程图；

图5为本发明增氧机与喂食装置的控制原理框图；

图6为本发明喂食装置结构示意图；

图7为本发明喂食装置工作流程图；

图8为本发明回充系统的控制原理框图；

图9为本发明回充定位时计算原理图；

图10为本发明控制系统APP的功能模块框图；

图11为本发明数据通信流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

结合附图和具体实施方式对本专利作进一步说明：

如图1所示，一种无人作业智能船控制系统，主要由四部分组成：无人作业智能船，执行机构，充电节电，智能终端。

如图2所示，无人作业智能船包括主控制模块、导航系统、GPRS数据传输模块、电机驱动模块、水质检测系统、超声波测距模块、喂食装置、Si4432无线传输模块、电量自检电路模块和红外接收仪。

主控制模块为STM32单片机，用于数据的处理和控制。

主控制模块控制导航系统进行自动巡航，自动巡航算法基于PID控制原理设计，控制简单、精准度高，PID算法流程图如图3所示。导航系统包括北斗和GPS定位模块、指南针模块，单片机通过AT指令与与导航系统数据通信，并通过协议解析可获知当前船体所处的经纬度信息，将该经纬度与目标点经纬度进行对比可以计算出船所需的与正北方向的夹角，再通过I2C通行协议与GY-273指南针模块进行通信得到船与正北方向的实际夹角，将实际夹角与理论夹角相减得到误差值将当前误差值、误差值的微分和误差值的积分分别乘以对应的系数得到所需的两电机转速偏差值，通过改变两电机转速调节船头方向，使实际夹角与理论夹角相同，最终实现自动巡航。

如图4所示，超声波测距模块采用HC-SR04传感器，该传感器每200ms给该模块的Trig信号引脚维持一个不少于10us的高电平信号，模块自动循环发出8个40KHz的脉冲，则该模块Echo引脚的回响高电平输出时间与检测距离成比例。通过计算回响引脚的高电平输出时间，即可计算出船体与障碍物之间的距离。若计算出的距离小于设定的安全距离值，则会启动导航船的自动避障程序，向障碍物来临的反方向拐弯。

GPRS模块为SIM808模块，单片机通过串口与该模快通信，经过协议解析，实现与远程服务器的数据交互，可通过该模块向远程服务器发送水质参数数据，经纬度数据，电池电量信息，也可接收来自APP客户端的数据命令，然后将命令数据输入单片机中供单片机解析执行。

水质检测系统包括水质参数传感器，水质参数传感器可以包括溶解氧传感器，水温传感器，pH传感器等等。

本实施例中溶解氧传感器为DOB-300传感器，单片机通过485通信接口与该传感器通信可获知当前水中溶解氧的含量。

水温传感器为DS18B20传感器，单片机通过IO口向该传感器发送读数据指令可获知当前水温。

pH传感器为工业pH/ ORP测试仪，单片机通过485通信接口与该传感器通信可获知当前水中PH的含量。

超声波测距模块中的传感器为世讯防水型兼容HC-SR04超声波传感器，单片机通过向该传感器输入触发信号并检测回响电平时间可计算出与前方障碍物的距离，该距离作为必要的避障控制参数参与自动避障的调节。

主控制模块通过Si4432无线传输模块与执行机构通信，单片机通过SPI数据通信协议可与该模块收发数据包，该模块作为对安装在执行机构上的Si4432接收模块的数据发送方，通过该模块与接收方的数据通信可实现对执行机构的工作控制。执行机构可以为投食装置模块或者增氧设备等等。

如图5所示，增氧装置、喂食装置主要由三部分组成：51主控单片机，Si4432数据接收模块，增氧和喂食设备； Si443数据接收模块在51单片机的控制下接收来自智能船上的数据，当单片机解析该数据为开启或关闭增氧或投食设备的命令时，通过控制继电器即可实现对增氧和喂食设备的控制。

电机驱动模块可接收来自主控制模块的PWM输出，并以相应频率驱动智能船的两个直流电机的转速。

喂食装置可以搭载在智能船上，喂食装置通过继电器与单片机相连接，由单片机控制继电器进而控制喂食装置的开启与关闭，单片机可以根据所测的水质参数进行自动化智能控制，当水质参数中的某一参数低于设定阈值时，控制喂食装置中的某一机构进行动作，将相应物质投入水中，当该参数高于设定阈值时，停止动作。

喂食装置的结构构造如图6所示，喂食装置采用圆柱形构造，通过底座支架6安装在智能船本体上，喂食装置包括上腔体1和下腔体2，上腔体1顶部一侧设置有一出料口3，上腔体1靠近出料口3设置有限位拨轮9，下腔体2设置有电机8，电机8通过转轴连接转动齿轮组4，转动齿轮组4驱动上腔体1转动，上腔体1底部设置有限位凸起7，下腔体2内壁上设置有与限位凸起7配合的限位开关5，限位凸起7与限位开关5相对设置。电机带动圆柱形喂食装置旋转，使得出料口自下而上进行旋转洒落药物，当圆柱形喂食装置的出料口转到朝上位置时，限位凸起便会触发限位开关使喂食装置停止转动，中止投药过程。喂食装置运转的算法流程图如图7所示。

电量检测系统包括电量自检电路模块，电量自检电路模块采用检流电阻和放大器获取船体电池电压和电流，以一定采样周期对所获电流参数进行积分运算，以实时监控船体电池电量并将电量信息通过GPRS传输给远程服务器供APP客户端查看。

主控制模块连接回充系统，当电量检测系统检测到电量低于设定阈值时，控制回充系统工作，回充系统用于定位充电接点的位置并进行充电控制。

在智能船本体的两侧设置有红外接收仪，红外接收仪用作智能船自动回充时的精确定位导航，智能船首先根据用户设定的充电节点的地理经纬度坐标行驶到充电点附近，而后红外接收仪检测安置在充电节点上的红外发送仪发送的红外信号，通过计算出红外发送仪的具体位置即可自动到达充电点。

如图8所示，充电节电包括充电插座和红外发送仪，在智能船体的顶端设置有充电用防水接口，两侧安装两部红外接收仪来接收由安装在充电插座上的红外发送仪发出的红外信号进行回充定位，当智能船连接到充电插座上时，回充系统控制充电。其具体回充定位时精确定位的计算原理图如图9所示，以安装在船体上的两部红外接受仪中的一部为原点建立直角坐标系，图中以P1为原点，则红外发送仪所在坐标为Q(xq,yq,zq),安装在船体上的两部红外接受仪坐标分别P1(x1,y1,z1)和P2(x2,y2,z2)，实时计算两部红外接受仪与红外发送仪的偏角，确定红外发送仪即充电插头的具体位置。

如图10所示，客户端APP为智能船在各个水域监测到的数据信息进行动态的监视监测，包括水质参数，船体运行轨迹，船体电池电量等，并利用百度地图API图层将监测的结果可视化的呈现出来，从而做到对智能船的位置、状态等信息的浏览、查询和管理，APP客户端也对无人作业船的航向、航向、自动作业的水质阈值和工作时间有设定控制作用。

如图11所示，APP客户终端使用百度地图开放的API技术进行跟踪定位，包括对BMAP类函数的调用等，使用SQL Server数据库进行数据存储和读取，通过Google开放的Android API接口实现与服务器的数据收发通信。

无人作业船可利用北斗、GPS的双模定位与电子指南针的定向功能依照用户设定的航线自动寻迹行驶，并沿途将采集的水质参数包括PH，溶解氧，温度等水质参数通过GPRS传输给远程服务器，用户可以通过安装在手机上的APP随时查看无人作业船的行驶轨迹，无人船当前所处位置，水质参数，并可通过APP对无人作业船远程控制，包括设定无人船自动行驶的航线，控制无人船的航向，设定充电点地理经纬坐标和设定无人船自动作业的数据阈值和时间等。智能船可以根据用户设定的水质参数阈值、时间等参数进行自动作业，一旦检测到水质参数超出用户设定的阈值且符合工作时间，即可通过Si4432无线传输模块开启或关闭增氧机和喂食装置，也能自动开启或关闭搭载在船体上的喂食装置。智能船在行驶过程中若检测到前方有如水生植物，其他作业船只等障碍物时也可自动避障，当智能船的自检系统检测到电池电量过低时智能船可自动回到充电节点进行充电。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。