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原文传递一种模块化无人艇

专利名称：	一种模块化无人艇
摘要：	本发明属于无人艇技术领域，公开了一种模块化无人艇，包括无人艇平台，无人艇平台上设有控制系统、任务载荷和综合信息系统，各系统通过光纤总线联系在一起；无人艇平台是模块化无人艇的主体，包括船体、轮机和电气系统，轮机包括推进机械设备和发电机组，轮机和电气系统安装在船体上，船体从头到尾依次设有水密舱、压载水舱、补给舱、机舱和喷泵舱，本发明无人艇采用开放式系统、模块化设计，各型无人艇采用统一的通用艇体平台，艇载任务设备间采用光纤总线结构，各任务设备采用标准化模块结构和通用总线接口形式，通过光纤总线连成统一整体，代替人在恶劣或者危险环境下执行巡逻护卫、海洋执法、搜寻救助、水质监测和水文地理勘察等任务。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	山东;37
申请人：	山东丛林凯瓦铝合金船舶有限公司
发明人：	马德良;高伟;孔祥华;刘振兴;翟红艳;曹文华;刁鑫恒;王凤英
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-22T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-11T00:00:00+0800
申请号：	CN201910659092.7
公开号：	CN110316327A
分类号：	B63B35/00(2006.01);B;B63;B63B;B63B35
申请人地址：	264000 山东省烟台市龙口市丛林工业区
主权项：	1.一种模块化无人艇，其特征在于：包括无人艇平台，所述无人艇平台上设有控制系统、任务载荷和综合信息系统，各系统通过光纤总线联系在一起；所述无人艇平台是模块化无人艇的主体，包括船体、轮机和电气系统，所述轮机包括推进机械设备和发电机组，所述轮机和电气系统安装在船体上，所述船体采用深V型船体，所述船体包括舷侧、甲板、船底和内底，舷侧、甲板、船底和内底为纵骨架结构，所述船体从头到尾依次设有水密舱、压载水舱、补给舱、机舱和喷泵舱；所述控制系统包括艇控系统、测控地面站，所述艇控系统由感知与融合子系统和航行控制管理子系统组成，所述任务载荷包括基本任务载荷和专用任务模块，所述综合信息系统包括无线通信系统和总线综合信息系统。 2.根据权利要求1所述的一种模块化无人艇，其特征在于：所述船体上安装有配重，所述船体为全船封闭、高浮力自扶正和立体感式上下隔舱式结构；所述船体及甲板室材料采用全铝合金材料，所述船体骨材材料采用挤压成型铝合金型材；所述船体的两舷和船体首部设有D型橡胶护舷，所述机舱的艉甲板上开有机舱口；所述水密舱上方安装有减摇仪，所述补给舱内安装有油箱、发电机和声呐，所述喷泵舱内安装有喷泵，所述船体上方安装有雷达、光学球、避碰探测装置、卫通天线、短波天线和超短波天线。 3.根据权利要求1所述的一种模块化无人艇，其特征在于：所述测控地面站包括实物型远程驾控监测台和三维虚拟远程驾控平行系统，分别满足无人艇航行操控相关工作和任务载荷操控相关工作，所述实物型远程驾控监测台包括航行操控台和任务操控台，所述测控地面站用于对模块化无人艇进行艇体及艇上任务设备进行遥控、遥测，实现岸基的远程驾控与监测功能，工作时无人艇既根据事先设定的航路自主航行或通过测控地面站遥控，所述测控地面站通过无线链路接收无人艇平台的位置、工作状态等实现对其远程遥控。 4.根据权利要求1所述的一种模块化无人艇，其特征在于：所述感知与融合子系统包括信号接口模块和信息融合模块，所述信号接口模块完成船体自身状态信号及在航环境信号的感知，所述信息融合模块保障无人艇在自主航行时，在对自身状态及在航环境做到有效感知的前提下，对不同类型数据做融合处理，为后续的航行决策及控制执行部分提供简单并可靠的依据；所述信号接口模块包括船体自身状态信号和在航环境感知信号，所述船体自身状态信号包括发动机转速监控模块、喷泵角度监控模块、姿态感知模块和GPS信号模块；所述发动机转速监控模块实时监控无人艇发动机转速值参数，根据实际需求改变转速值以完成喷泵量；所述喷泵角度监控模块根据无人艇航向要求，实时监控喷泵角度，为后续喷泵角度调整提供依据；所述姿态感知模块实时记录无人艇航向信息和自身姿态信息；所述GPS信号模块利用船载高精度差分GPS系统并结合电子海图对无人艇进行定位；所述在航环境感知信号包括视频监控模块、雷达监控模块、AIS模块和罗盘GIS、GPS和北斗模块，所述雷达监控模块用于对航海岸线及远距离目标进行感知，所述AIS模块能接收航道内其他船舶发送的AIS信号；所述罗盘GIS、GPS和北斗模块为利用船载罗盘、高精度差分GPS和北斗系统并结合GIS信息对无人艇进行定位、导航，实现地形匹配功能；所述信息融合模块包括信号接口控制箱和信息融合处理主机，所述信号接口控制箱用于采集全艇装备的运行工况信息以及传感器信号，并将其转换为统一的信号协议；所述信息融合处理主机用于对传感信息进行融合处理后生成有关无人艇的姿态、位置与设备运行工况，以及外部环境、动静态障碍物信息。 5.根据权利要求1所述的一种模块化无人艇，其特征在于：所述航行控制管理子系统包括数据处理模块接口、控制功能模块；所述数据处理模块接口的数据处理模块接收感知与融合处理子系统输出的信息，以及测控地面站的遥控命令，根据任务载荷需求进行解析与组合后送对应控制功能模块作为输入信息；所述数据处理模块接口的命令转换发送模块将控制功能模块生成的航行操控指令转换为相关设备对应的驱动信号输出；所述控制功能模块包括航行信息显示模块、航向控制模块、航速控制模块、路径规划模块、自主避碰模块、光电系统控制模块、一键启动模块和自动回港模块；所述航行信息显示模块接入便携式显示屏，实时显示无人艇各艇载设备运行状况、外部环境信息、船岸交互信息；所述航向控制模块根据遥控指令或任务载荷需求，基于智能控制算法决策喷水推进斗位置，改变喷水角度，从而实现航向或艏向的精确控制；所述航速控制模块根据遥控指令或任务载荷需求，实现航速的精确控制；所述路径规划模块根据测控地面站下达的多点路径点集合，以及融合处理的综合信息，动态优化无人艇路径规划点集合，并决策优化的航向与航速自主控制指令，配合实现自主航行功能；所述自主避碰模块根据动静态障碍物与无人艇相对位置信息，基于安全避碰的目标，决策输出航向与航速自主控制指令，实现自主避碰功能；所述光电系统控制模块根据测控地面站下达的光电跟踪系统遥控命令，控制光电系统设备运转，并将对应的视频跟踪图像/视频输出给无线通讯系统接口；所述一键启动模块实现无人艇的一键启动/停止功能；所述自动回港模块实现无人艇按预设轨迹与方式自动回港的功能。 6.根据权利要求3所述的一种模块化无人艇，其特征在于：所述远程驾控监测台为实物型操控端，所述远程驾控监控台功能模块包括地图显示模块、数据显示模块、航向控制模块、航速控制模块、手动遥控控制模块、固定路径规划模块、任意路径规划模块、一键启动与自动回港模块、自主避碰功能和应急处理功能；所述地图显示模块用于电子地图的动态加载和操作，在地图中实时动态观测无人艇当前位置与轨迹信息；所述数据显示模块用于设计人机交互界面，实时动态显示无人艇感知与融合处理输出的综合信息，并保存至数据库；所述航向控制模块通过人机交互界面，输入航向角或者以图形控件方式，实现对航向远程控制；所述航速控制模块通过人机交互界面，输入航速值或者以图形控件方式，实现对航速远程控制；手动遥控控制模块通过人机交互界面以及遥控手柄/光电视频，遥控操作当前无人艇运行；所述固定路径规划模块用于事先设置固定的路线；所述任意路径规划模块通过地图上设置路径节点，构成任意路径点集；所述一键启动与自动回港模块通过人机交互界面实现一键启动无人艇和一键将无人艇自动回港；所述自主避碰功能基于电子地图，综合船载信息融合系统输出的障碍物信息，通过碰撞危险度判断与避碰决策专家知识库，优化路径规划点集，实现全局自主避碰功能；所述应急处理功能是模块化无人艇在海上航行过程中出现通信中断、任务设备故障重大问题时，通过预先输入的指令和程序来保证无人艇的安全。 7.根据权利要求3所述的一种模块化无人艇，其特征在于：所述三维虚拟远程驾控平行系统为利用三维仿真技术、信息融合技术重构的驾驶环境的平行系统，利用无人艇回传的雷达、AIS、GPS、罗经、姿态仪信号，重构船艇航行的三维视图，并在该三维环境中，实现雷达、AIS信号的现实、叠加和融合，利用平面3D与虚拟现实两套方案，支持驾控人员沉浸该平行系统，实现远程操作船艇，用于解决船艇在大雾、黑夜等能见度不良，视频传输无法发挥正常作用情况下的环境感知与船艇操控问题，操作人员无需关注各个不同的传感器，平行系统运行仿真数据为无人艇远程操作提供培训。 8.根据权利要求1所述的一种模块化无人艇，其特征在于：所述基本任务载荷包括综合探测系统、北斗定位系统和惯导导航系统，所述综合探测系统包括高分辨对海探测雷达、光电探测系统、水声探测系统和视频监控系统，满足无人艇航行及遂行任务的基本探测及信息集成；所述专用任务模块包括海上执法功能模块、水质监测功能模块；所述高分辨对海探测雷达分为上单元、下单元、信号处理机、同步控制器、接口控制单元、数据处理机、显控终端和电源适配模块，所述电源适配模块为整个高分辨对海探测雷达系统提供电源，所述上单元包括天线、伺服系统、收发机和同步控制器，所述高分辨对海探测雷达系统采用双收发机设计，所述上单元置于高分辨对海探测雷达安装平台的顶端，所述上单元输出的中频信号通过低损同轴电缆从收发机送至信号处理机，所述通信信号通过多芯电缆与接口控制单元连接，所述接口控制单元与数据处理机和显控终端之间通过高可靠光缆相连，所述雷达与外部设备的通信和功能扩展通过多芯连接器与接口控制单元相连，所述数据处理机及显控终端基于嵌入式操作系统搭建，采用高速总线与接口控制单元进行数据交互，配合液晶显控终端，完成数据处理和显控任务，所述信号处理机、接口控制单元安装在4U标准上架式机箱内，下单元、数据处理机和电源适配模块安装在室内。 9.根据权利要求8所述的一种模块化无人艇，其特征在于：所述高分辨对海探测雷达的工作原理为：信号经发射通道从天线向空间辐射，经远处目标反射后形成回波信号，并通过天线进入接收机，接收通道对回波信号进行滤波、放大、频率变换和中频调理等处理后将信号送至信号处理机，信号处理机完成AD转换、同步解调、频率分选、数字下变频以及脉冲压缩信号预处理工作；回波信号经信号处理机进行预处理操作后被送入数据处理机进行数据处理，包括抗干扰滤波、恒虚警检测、相干检测、动目标显示以及数据组帧等；数据处理的结果最终在显控终端显示，显示系统对视频信号进行坐标转换、数据处理，最终结果通过高分辨率液晶显示器以彩色显示的方式进行显示；雷达系统各功能部件在同步控制器的控制下按照严格的时序关系配合工作，共同完成目标探测；雷达系统的控制通过显控终端实现；在显控终端中，相关参数通过操作界面便于调控。 10.根据权利要求1所述的一种模块化无人艇，其特征在于：综合信息系统包括无线通信系统和总线综合信息系统，无线通信系统采用艇载数据终端和地面数据终端的模式；艇载数据终端用于实现无人艇与测控地面站之间的信息传输和交换，艇载数据终端分为数据终端、无线通信设备和通信管理三部分，数据终端用于接收、存储和发送艇载信息及地面站信息；无线通信设备用于接收和发送数据终端信息，使用短波和超短波无线电通信，预留卫通接口；通信管理用于管理无线通信设备；艇载数据终端通过光纤总线与航行设备和任务设备相连，采集全艇装备的运行工况信息以及传感器的信号，将有关无人艇的姿态、位置与设备运行工况，以及外部环境、动静态障碍物等信息，通过图传和数传电台发送到测控地面站；接收来自测控地面站的航行控制命令和任务指挥命令，将相关指令通过总线发送给艇控系统和任务载荷，实现无人艇航行控制和遂行各种任务；地面数据终端包括数据处理终端、通信设备和通信管理系统，通过数传、图传等无线通信链路与艇载数据终端进行信息传输和交换，通过总线与航行操控台和任务操控台两大操控台进行信息传输和交换，接收艇载数据终端融合处理的综合信息，根据信息类型分别发送给航行操控台和任务操控台，并接收航行操控台发送的航行控制指令和任务操控台发送的任务控制指令，对指令进行处理后通过无线链路发送给艇载数据终端，对无人艇航行和任务执行遥控指挥。
所属类别：	发明专利