擺線推進器的監測控制系統以及包括該系統的無人船的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于船舶特種推進器監測與控制領域，具體涉及一種擺線推進器的監測控 制系統以及包括該系統的無人船。
【背景技術】
[0002] 當今世界各國越來越重視海洋發展戰略。推進器是推動船舶運動的裝置，長期以 來人們為探索新型高效的推進器而不肩地努力。船用螺旋槳推進器是海洋工程裝備中最常 見的船舶推進器，其結構簡單、造價低廉、市場寬廣，但是其操縱和控制性能不足，難于適應 船舶側移、后退、停止、變速、以及原地打轉等要求。擺線推進器在機動性方面優越于普通的 螺旋槳推進器。

【發明內容】

[0003] 本發明提供一種擺線推進器的監測控制系統以及包括該系統的無人船，擺線推進 器的監測控制系統實現了對整個無人船的監控，包括該監測控制系統的無人船具有可控性 高、機動性強、操縱簡單的優點。
[0004] 為了解決上述技術問題，本發明采用以下的技術方案：
[0005] 擺線推進器的監測控制系統，一艘無人船包括兩個擺線推進器，每個擺線推進器 由兩個舵機控制其偏心點，各個擺線推進器的轉盤在偏心點處的速度方向為該擺線推進器 的推力方向，所述兩個擺線推進器由一個監測控制系統監控，兩個擺線推進器的監測控制 系統包括ARM主控制板、分別驅動各個所述轉盤轉動的主驅動電機、通過無線通信模塊和 所述ARM主控制板通信的上位機、安裝于無人船上的GPS和電子羅盤，所述ARM主控制板通 過電機驅動器控制所述主驅動電機轉動，所述主驅動電機的輸出軸上裝有用于測量主驅動 電機的轉速和加速度的編碼器、用于測量主驅動電機輸出扭矩的扭矩傳感器，所述主驅動 電機的內部裝有用于測量主驅動電機內部溫度的電機溫度傳感器，所述擺線推進器的主傳 動箱內裝有用于測量擺線推進器的葉片擺動機構的油溫的油液溫度傳感器，所述ARM主控 制板和電機驅動器通過電池供電；
[0006] 所述ARM主控制板根據編碼器、扭矩傳感器、電機溫度傳感器、油液溫度傳感器的 數據輸出四個PWM信號至四個舵機，通過四個PWM信號的占空比的不同控制四個舵機轉動 相應的角度，其中兩個舵機通過主動桿、從動桿連接一擺線推進器的偏心杠桿的上端，從而 可以確定與該兩個舵機對應的擺線推進器的偏心點位置，另兩個舵機通過主動桿、從動桿 連接另一擺線推進器的偏心杠桿的上端，從而可以確定與該另兩個舵機對應的另一擺線推 進器的偏心點位置，通過各個擺線推進器的偏心點位置以及對應轉盤的轉動方向可以得到 兩個擺線推進器各自的推力方向，各個擺線推進器的推力方向為與其對應的轉盤在偏心點 處的速度矢量方向，在兩個擺線推進器的推力合力作用下，船舶的運動可以是前進、后退、 側移、停止、變速、以及原地打轉；
[0007] 所述無線通信模塊包括設在上位機內的第一無線通信模塊以及設在ARM主控制 板內的第二無線通信模塊，第一無線通信模塊通過USB接口和上位機連接，第二無線通信 模塊通過UART串行口和ARM主控制板連接，第一無線通信模塊和第二無線通信模塊之間無 線通信連接；第一無線通信模塊和第二無線通信模塊之間的傳輸協議自定義，傳輸的數據 包括舵機的轉動角度、主驅動電機的轉速和加速度、以及電機溫度傳感器、油液溫度傳感器 和扭矩傳感器的測量數據、以及GPS和電子羅盤的位置和航向數據；
[0008] 所述ARM主控制板通過UART串行口將TTL電平經轉換器轉換成485電平控制對 應兩個擺線推進器的兩個電機驅動器，二者之間的傳輸協議為Modbus協議，通過Modbus協 議，在ARM主控制板內寫入需要主驅動電機實現的轉速值、加速度值，并從電機驅動器中讀 取所述編碼器傳來的主驅動電機的轉速值、加速度值、以及電機溫度傳感器傳來的電機內 部溫度值，從而完成對兩個主驅動電機的控制；所述扭矩傳感器和油液溫度傳感器則通過 A/D轉換接口和ARM主控制板連接；
[0009] 所述GPS采用UART串行口和ARM主控制板連接，GPS會實時發送地理位置數據給 ARM主控制板，GPS數據格式為信息類型，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，信息類型可 以為，GPGSV :可見衛星信息，GPGLL :地理定位信息，GPRMC :推薦最小定位信息，GPVTG :地面 速度信息，GPGGA :GPS定位信息，GPGSA :當前衛星信息，ARM主控制板解析GPS發送來的地 理位置數據，提取有用的信息，包括船體航向、速度以及具體方位信息，傳回上位機；
[0010] 所述電子羅盤采用IIC接口和ARM主控制板連接，電子羅盤會發送無人船的航行 角度數據給ARM主控制板，ARM主控制板解析電子羅盤的航行角度數據，結合GPS的地理位 置數據，可以得到船體航向、速度以及具體方位信息，并傳回上位機；
[0011] 所述擺線推進器的監測控制系統還包括設在上位機內的上位機控制軟件，所述上 位機控制軟件包括收發數據解析程序、基于推進器數學模型程序、路徑規劃程序、實時監控 程序、以及預警程序，所述ARM主控制板內設有與上位機控制軟件對應的ARM主控制板轉換 程序；
[0012] 收發數據解析程序，接收ARM主控制板通過無線通信模塊發過來的數據包，并解 析數據包，然后把相應的不同參數賦給不同的變量，收發數據解析程序也可以發送上位機 對擺線推進器控制的相關參數，并將這些參數打包，通過無線通信模塊發送給ARM主控制 板；
[0013] 基于推進器數學模型程序，根據擺線推進器中舵機的轉動角度以及主驅動電機的 轉速和轉動方向對于無人船的航向和航速的數學模型編寫而成，用戶在其中輸入無人船的 航向和航速，基于推進器數學模型程序就能自動計算出最優的兩個舵機的轉動角度和兩個 主驅動電機的轉速；
[0014] 兩個擺線推進器的數學模型如下：
[0015] -舵機的轉動角度：
[0017] 另一舵機的轉動角度：
[0019] 其中x。，y。表示偏心點坐標，r為舵機轉動半徑，L為偏心點和舵機圓周切點連線 的距離，θρ 02為對應兩個舵機的轉動角度；
[0020] 路徑規劃程序，路徑規劃采用蟻群算法，在用戶確定目的地后，路徑規劃程序能夠 對水域上的障礙進行識別，避開水域的障礙物，根據地理信息自動規劃并計算出合適的路 徑，經基于蟻群算法的數學模型換算后，得到無人船合適的航向和航速，從而讓船舶自動到 達目的地；所述上位機通過對接收到的GPS和電子羅盤的位置和航向數據進行解析，實時 監控無人船的位置和航向，并與路徑規劃程序規劃好的路徑的位置和航向相比較，將比較 結果轉化為舵機和主驅動電機的控制代碼，通過無線通信模塊發送給無人船的ARM主控制 板，ARM主控制板通過發送不同占空比的PWM信號給舵機以控制舵機的轉動角度，并通過和 電機驅動器之間的Modbus協議控制主驅動電機的轉速和加速度，從而實時修正船舶運行 路線，讓船舶按照路徑規劃程序規劃好的路徑行走；
[0021] 實時監控程序，接收ARM主控制板傳遞來的相關參數，實時在上位機中顯示這些 相關參數，并根據要求對無人船的航向和航速進行相關控制；
[0022] 預警程序，當上位機監測到所接收的電機溫度傳感器或者油液溫度傳感器的值超 過設定的臨界值時，上位機控制軟件會發出預警通知用戶，并自動降低主驅動電機的轉速， 以及，當上位機監測到所接收的扭矩傳感器的值超過設定的臨界值時，上位機控制軟件會 發出預警通知用戶，并自動降低主驅動電機的轉速或者使主驅動電機停轉；
[0023] ARM主控制板轉換程序，作為上位機以及與ARM主控制板連接的各個部件（如各個 傳感器、電機驅動器等）的橋梁，轉換上位機發送過來的信號成各個部件能夠識別的信號， 讓上位機間接控制各個部件；
[0024] 除通過上位機實時監控無人船的運行之外，所述ARM主控制板帶有觸摸屏，不通 過上位機，用戶可以直接通過觸摸屏在船上實時地監控無人船的運行；
[0025] 監測控制系統的流程為，系統上電以后，ARM主控制板先初始化各種環境變量，然 后ARM主控制板控制等待用戶選擇模式，模式有遠程控制模式和本地控制模式兩種，當觸 摸屏有信號輸入時，代表用戶在無人船上實時控制無人船，此時為本地控制模式，當無線通 信模塊端有信號輸入時，代表用戶通過上位機遠程控制無人船，此時為遠程控制模式；當用 戶遠程控制無人船時，ARM主控制板等待接收到完整的控制數據后，ARM主控制板執行該控 制數據，控制舵機的轉動角度和主驅動電機的轉速，然后開始循環讀取GPS和電子羅盤的 位置和航向數據、油液溫度傳感器數據、電機溫度傳感器數據、力矩傳感器數據并發送到上 位機；當上位機發送數據給ARM主控制板時，ARM主控制板立即觸發中斷，來執行上位機發 送的數據，完畢后繼續執行循環段，當用戶在無人船上實時監控無人船時，ARM主控制板監 測到觸摸屏輸入的數據后，會立即觸發中斷，執行觸摸屏上傳來的數據。
[0026] 包括上述監測控制系統的無人船，包括船舶本體，船舶本體由兩個擺線推進器推 動運動，所述船舶本體上裝有用于實時監控無人船的位置和航向的GPS和電子羅盤，所述 兩個擺線推進器由上述的監測控制系統監控，所述GPS采用UART串行口和ARM主控制板連 接，電子羅盤采用lie接口和ARM主控制板連接。
[0027] 進一步地，所述船舶本體的中前部固定有用