一种自动移位的航标灯船及其实现方法与流程

本发明涉及航标灯船设计技术领域，特别是一种自动移位的航标灯船及其实现方法。

背景技术：

航道通过能力、安全保障及信息服务水平的高低决定了航运发展的兴衰，作为航道信息的重要标示，航标灯船对航道及航运都有至关重要的影响。航标灯船是一类架设有航标灯的船舶，一般布设在重要的航道处，并提供所在位置的航道信息。随着国内航道的快速发展，航道要素变化信息获取的需求急剧增长，传统航标灯船具有自动化程度低、安全系数低、管理难度大等缺点，在需要布设航标位置发生变化时，往往需要耗费大量的人力与物力对航标灯船位置重新布设。

针对传统航标灯船的缺点，结合目前的感知技术、自动控制技术、数据交互技术等技术，设计了一种具有自动移位功能的航标灯船。

现有技术中公开有一种船舶航行灯半自动控制系统，申请号为：201210392072.6，申请日为：2012-10-16的中国专利，该船舶航行灯半自动控制系统，属于船用照明设备技术领域，包括信号灯、cpu、指示灯和控制面板。所述控制面板上设置有一组与cpu信号连接用以控制相应信号灯的指灯按键，所述cpu连接有第一输出移位寄存器和第二输出移位寄存器，所述第一输出移位寄存器通过单独的电源电路模块与信号灯并行相连，所述电源电路模块还连接有电源检测模块，所述电源检测模块与cpu连接，所述第二输出移位寄存器与指示灯并行连接。此系统工作时，即使有某个航行信号灯发生故障不能正常工作，系统会自动切换到其对应的备用灯，确保了船舶的安全航行，提高了系统的可靠性。该专利并不能实现航标灯船的自动移位，且技术方案与本专利并不相同。

技术实现要素：

为解决当前航标灯船自动化程度低、安全系数低、管理难度大等缺点，本发明提供了一种自动移位的航标灯船及其实现方法。

本发明采用以下方案实现：一种自动移位的航标灯船，包括船体、工控机、控制板、太阳能电池板、锂电池、罗经、4g路由器、船舶推进器、船舶舵机、逆变器、船舶锚泊设备、航标灯、以及继电器；所述船体内设置有两个舱室隔板，两个舱室隔板将船体内部从船首至船尾依次划分为三个舱室，所述锂电池安装于第一个舱室内，所述工控机、4g路由器、控制板及继电器安装于第二个舱室内，所述船舶推进器、船舶舵机、逆变器、船舶锚泊设备安装于第三个舱室内，所述船舶锚泊设备上安装有霍尔传感器，所述航标灯安装在灯架上，灯架、罗经与太阳能电池板安装在船体表面；所述工控机与控制板连接，所述罗经、船舶推进器、船舶舵机、逆变器经继电器与所述控制板连接，所述4g路由器、航标灯与所述控制板连接，所述船舶锚泊设备与所述逆变器连接。

进一步的，所述太阳能电池板连接有一充放电电路，所述锂电池与所述充放电电路连接。

进一步的，所述工控机用于数据处理分析、船舶路径规划和制定航行控制策略；所述控制板用于获取船舶三轴倾角、gps定位及船艏向的船舶状态信息，且控制继电器的通断并执行工控机下发的控制命令；所述太阳能电池板用于收集太阳能并为锂电池充电；所述锂电池为船舶上的设备直接或间接供电；所述罗经用于采集船舶三轴倾角及船艏向数据；所述4g路由器用于接收岸端控制信息并发送至工控机、具有实时与岸端的通信服务器进行通讯功能；所述船舶推进器用于推进船舶运动；所述船舶舵机用于船舶运动过程中保持航向或改变航向；所述逆变器用于将锂电池电压转化为船舶锚泊设备所需要的电压；所述船舶锚泊设备用于固定船舶的位置；所述航标灯用于提供gps位置信息和航道信息；所述继电器用于控制各接触器的通断；所述霍尔传感器用于采集船舶锚泊设备的船舶锚泊设备的角度，并将数据反馈至控制板。

进一步的，所述工控机通过工控机电源线、工控机启动控制线、rs232串口线与所述控制板连接；所述控制板通过锂电池12v电源输出线和can总线与锂电池连接；所述锂电池与继电器的接触器一连接，用于提供48v电源；所述继电器的接触器一与逆变器直接相连，继电器的接触器二和三分别通过48v转24v和48v转5v的电源模块给船舶推进器和船舶舵机供电；所述继电器的接触器四通过48v转12v的电源模块给罗经供电；所述控制板通过线圈控制线一、线圈控制线二、线圈控制线三、线圈控制线四分别与继电器的接触器一、接触器二、接触器三、接触器四连接；所述逆变器的电源输出线与船舶锚泊设备的电源输入端相连；所述霍尔传感器、航标灯的gps天线、船舶舵机及4g路由器4g网卡的反馈信号与控制板的信号采集端口相连。

另外，本发明提供一种自动移位的航标灯船的实现方法，所述实现方法包括如下步骤：步骤s1、远程客户端输入并确定路径点位置，通过岸端通信服务器经4g网络发送至控制板，控制板开启继电器的接触器四并启动逆变器，船舶锚泊设备反转将船锚收起，霍尔传感器检测船舶锚泊设备转动的角度并发送至控制板，当船舶锚泊设备转动到达一设定角度一时，控制板断开接触器四，航标灯船即可进入航行状态；

步骤s2、控制板接收到工控机发送的命令后开启继电器的接触器二/接触器三，使船舶推进器与船舶舵机处于待机状态，开启继电器的接触器四，利用罗经实时采集船艏向角度；

步骤s3、控制板采集并解析当前时刻的航标灯gps信息与罗经的船艏向角度，通过rs232串口将目标点位置、当前位置以及船艏向角度信息发送至工控机；

步骤s4、工控机利用los导航算法实时规划路径，利用pid控制算法控制跟踪航向，将控制信息转化为报文发送至控制板；

步骤s5、控制板解析报文信息，并生成相应的pwm波对船舶舵机和船舶推进器执行工控机发送的指令，同时，控制板每秒推送航标灯船实时状态给工控机，工控机根据实时状态调整对航标灯船的控制；

步骤s6、航标灯船即将达到目标点位置附近时，控制板开启继电器的接触器四并启动逆变器，船舶锚泊设备正转将船锚放下，霍尔传感器检测船舶锚泊设备转动的角度并发送至控制板，当船舶锚泊设备转动到达设定角度二时，控制板断开所有继电器的接触器，船锚将航标灯船固定在目标点位置。

本发明的有益效果在于：1.本发明设计了一种自动移位的航标灯船，该船舶搭载的航标灯可为大型船舶安全航行提供重要保障，当航道灯位置需要调整时，可通过远程遥控使其到达指定的地点，从而节省大量的人力、物力等资源，同时加强了航标灯船的管理。

2、本发明的航标灯船的电力来源为太阳能，太阳能电池将太阳能转化为化学能并为锂电池充电，船舶不依赖外部供电。同时采用自动抛锚机等装置，提高了航标灯船的自动化水平，保障了航行的安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明的实施例的航标灯船结构示意图。

图2是本发明的实施例的航标灯船控制系统结构图。

图3是本发明的实施例的航标灯船系统连接框图。

图4是本发明的实施例的航标灯船的控制板嵌入式软件设计框图。

图5是本发明的实施例的航标灯船的控制系统主要数据流框图。

附图标记说明：1-船体、2-工控机、3-控制板、4-太阳能电池板、5-锂电池、6-罗经、7-4g路由器、8-舱室隔板、9-船舶推进器、10-船舶舵机、11-逆变器、12-船舶锚泊设备、13-航标灯、14-继电器、15-霍尔传感器、21-工控机电源线、22-工控机启动控制线、23-rs232串口线、24-锂电池12v电源输出线、25-can总线、26-线圈控制线一、27-线圈控制线二、28-线圈控制线三、29-线圈控制线四、30-舵机控制线、31-4g网卡信号输入、32-锂电池48v电源线、33-锂电池48v电源线、34-锂电池48v电源线、35-接触器一电源输出线、36-接触器二/三电源输出线、37-接触器四电源输出线、38-gps天线、39-舵角位置信号输入线、40-霍尔传感器测电流输入线、41-停止按钮输入线；①无人船当前工作状态；②无人船当前位置、姿态和周围环境；③无人船航行控制；④无人船设置参数和路径；⑤无人船控制命令；⑥无人船手动操作命令；⑦无人船历史轨迹记录。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种自动移位的航标灯船，该航标灯船的整体结构如图1所示，本实施例中工控机主要负责数据处理分析、路径规划和制定航行控制策略。工控机上安装windows操作系统，在windows平台上开发无人移动平台导航控制系统，该系统的主要功能为：1）具有手动、自动操作模式，手动操作模式比自动操作模式优先级高。2）具有规划路径功能，可根据规划的路径独立自主的自动行驶，路径规划方法简单易操作。3）能够自动存储移动路径、电压、故障等相关信息。4）具有断点继续工作功能。控制板用于电源控制，电压模拟量采集，电压模拟量输出，执行工控机下发的控制命令。主要功能为：1）获取三维加速度以及船舶三轴倾角。2）获取gps定位，定位精度误差不超过5m，定时自动上报船舶当前位置，速度等相关数据。3）获取船首向。4）控制一个推进器和一个舵机工作或停止，推进器采用0至5v输出控制推进器工作转速，舵机采用5v的pwm占空比控制。5）根据当前速度定时自动上报船舶当前位置和电池电压等相关数据。6）功耗小，具有待机和工作两个工作状态。7）舵机位置及霍尔传感器位置反馈（0-10v电压反馈）。4g路由器具有实时与岸上服务器通讯功能。本实施例中锂电池配置为dc48v，600ah。带can类型的通信接口，能够获取电池的实时电压和工作状态。逆变器支持三相变频2.2kw。推进器采用1台dc48v的1kw推进器（0至5v控制）和1台舵机方向控制（5v的pwm控制）。本实施例中的控制终端为平板、手机或电脑，具有连接因特网功能（通过移动网络），对应的软件的主要功能为：1）通过网络与系统平台通信功能。2）远程查看无人移动平台工作状态。3）远程设定规划路径、参数设定功能。4）远程控制无人移动平台。

请参阅图1至图5所示，本发明的实施例一种自动移位的航标灯船，包括船体1、工控机2、控制板3、太阳能电池板4、锂电池5、罗经6、4g路由器7、船舶推进器9、船舶舵机10、逆变器11、船舶锚泊设备12、航标灯13、以及继电器14；所述船体内设置有两个舱室隔板8，两个舱室隔板将船体内部从船首至船尾依次划分为三个舱室，所述锂电池5安装于第一个舱室内，所述工控机2、4g路由器7、控制板3及继电器14安装于第二个舱室内，所述船舶推进器9、船舶舵机10、逆变器11、船舶锚泊设备12安装于第三个舱室内，所述船舶锚泊设备12上安装有霍尔传感器15，所述航标灯13安装在灯架上，灯架、罗经6与太阳能电池板4安装在船体1表面；所述工控机2与控制板3连接，所述罗经6、船舶推进器9、船舶舵机10、逆变器11经继电器14与所述控制板3连接，所述4g路由器、航标灯与所述控制板连接，所述船舶锚泊设备与所述逆变器连接。

在本发明中，所述太阳能电池板连接有一充放电电路（未图示），所述锂电池与所述充放电电路连接。这样太阳能电池板将太阳能转化为电能后通过充放电电路为锂电池进行充电，锂电池为航标灯船提供电源的时候通过充放电电路进行放电。

所述工控机2用于数据处理分析、船舶路径规划和制定航行控制策略；所述控制板3用于获取船舶三轴倾角、gps定位及船艏向的船舶状态信息，且控制继电器的通断并执行工控机下发的控制命令；所述太阳能电池板4用于收集太阳能并为锂电池充电；所述锂电池5为船舶上的设备直接或间接供电；所述罗经6用于采集船舶三轴倾角及船艏向数据；所述4g路由器7用于接收岸端控制信息并发送至工控机、具有实时与岸端的通信服务器进行通讯功能；所述船舶推进器9用于推进船舶运动；所述船舶舵机10用于船舶运动过程中保持航向或改变航向；所述逆变器11用于将锂电池电压转化为船舶锚泊设备所需要的电压；所述船舶锚泊设备12用于固定船舶的位置；所述航标灯13用于提供gps位置信息和航道信息；所述继电器14用于控制各接触器的通断；所述霍尔传感器15用于采集船舶锚泊设备的船舶锚泊设备的角度，并将数据反馈至控制板。

所述工控机2通过工控机电源线21、工控机启动控制线22、rs232串口线23与所述控制板3连接；所述控制板3通过锂电池12v电源输出线24和can总线25与锂电池5连接；所述锂电池5与继电器14的接触器一连接，用于提供48v电源；所述继电器的接触器一与逆变器直接相连，继电器的接触器二和三分别通过48v转24v和48v转5v的电源模块给船舶推进器和船舶舵机供电；所述继电器的接触器四通过48v转12v的电源模块给罗经供电；所述控制板通过线圈控制线一26、线圈控制线二27、线圈控制线三28、线圈控制线四29分别与继电器的接触器一、接触器二、接触器三、接触器四连接；所述逆变器的电源输出线与船舶锚泊设备的电源输入端相连；所述霍尔传感器、航标灯的gps天线、船舶舵机及4g路由器4g网卡的反馈信号与控制板的信号采集端口相连。

另外，本发明提供一种自动移位的航标灯船的实现方法，所述实现方法包括如下步骤：步骤s1、远程客户端输入并确定路径点位置，通过岸端通信服务器经4g网络发送至控制板，控制板开启继电器的接触器四并启动逆变器，船舶锚泊设备反转将船锚收起，霍尔传感器检测船舶锚泊设备转动的角度并发送至控制板，当船舶锚泊设备转动到达一设定角度一时，控制板断开接触器四，航标灯船即可进入航行状态；

步骤s2、控制板接收到工控机发送的命令后开启继电器的接触器二/接触器三，使船舶推进器与船舶舵机处于待机状态，开启继电器的接触器四，利用罗经实时采集船艏向角度；

步骤s3、控制板采集并解析当前时刻的航标灯gps信息与罗经的船艏向角度，通过rs232串口将目标点位置、当前位置以及船艏向角度信息发送至工控机；

步骤s4、工控机利用los导航算法实时规划路径，利用pid控制算法控制跟踪航向，将控制信息转化为报文发送至控制板；其中，los导航其基本原理是根据当前点和目标点的位置，计算出当前点与目标点的距离和方向，以提供控制器的控制策略，广泛应用于欠驱动船舶的路径跟踪中；该los导航算法可以参见现有文献“基于los导航的欠驱动船舶滑模控制”，出自中南大学学报(自然科学版)。pid控制算法是一个基于控制回路反馈机制的控制算法，本文利用los导航得到的实际点与目标点的位置和方向误差，结合船舶的操纵特点，根据舵机和推进器的控制效果，获得需要前进的距离和方向，实施控制；该pid控制算法也已经是现有技术，在此不进行详细说明。

步骤s5、控制板解析报文信息，并生成相应的pwm波对船舶舵机和船舶推进器执行工控机发送的指令，同时，控制板每秒推送航标灯船实时状态给工控机，工控机根据实时状态调整对航标灯船的控制；

步骤s6、航标灯船即将达到目标点位置附近时，控制板开启继电器的接触器四并启动逆变器，船舶锚泊设备正转将船锚放下，霍尔传感器检测船舶锚泊设备转动的角度并发送至控制板，当船舶锚泊设备转动到达设定角度二时，控制板断开所有继电器的接触器，船锚将航标灯船固定在目标点位置。

其中，控制板的主芯片选用stm32f407vet6。该芯片具有144个管脚，芯片具有512kbytes(实际需要约360kbytes)的flash，64kbytes的sram(实际需要约32k)，3个spi口，5个usart口，cpu最高工作频率为162mhz。工作温度-40°c至+85°c的温度范围，电压2.0v至3.6v，并拥有一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。rs485接口采用max3485，接口保护选用smbj7.5ca和共模电感保护。rs232接口采用max3232，接口保护选用mbj15ca和磁珠保护。dc-dc模块采用lm2596dc-dc模块将12v降至5v为系统供电。接触器开关采用4路接触器采用zj100d/12v，同时采用2n7002和irf540ns驱动线圈。pwm模块stm32具有dac模块输出0至3.3v电压输出，采用推挽电路实现0至5v电压输出。工控机电源及开关控制采用2n7002驱动pmos管irf540npbf控制12v的电路输出。同时采用tvssmbj5a保护。工控机开关控制采用2n7002开漏输出，控制时将控制信号短路至地。整流模块将霍尔传感器采集的交流方波信号转换为直流信号。本实施例中工控机选用带串口、千兆网口、usb等外部接口，i3及以上处理器，4g及以上内存，64g及以上ssd。

本发明的实施例的航标灯船的控制板嵌入式软件设计框图如图4所示。该航标灯船的嵌入式软件按功能可分为驱动层、协议层、应用层。按照模块划分为系统初始化模块、串口通信模块、flash驱动模块、以太网通信模块、定时器模块、ad模块、da模块、gpio模块、gps模块、中间接口模块、上层业务模块等。其中，驱动层中系统初始化模块主要负责对芯片时钟进行配置，调用io初始化、串口初始化、以太网初始化、定时器初始化，以及flash驱动初始化、ad初始化、da初始化等初始化函数。串口通信模块负责初始化控制板与工控机连接串口、rs485串口，并向其他模块提供串口的调用接口，包括发送单字节，发送多字节，接收中断等函数接口。i2c模块采用io模拟i2c总线，负责初始化i2c用到的io,并向其他i2c器件驱动提供i2c读写接口函数。以太网通信模块的主要功能是控制以太网通信，负责初始化以太网功能用到的io及配置phy芯片接口。ad模块的主要功能负责初始化ad功能能用到的io，并提供电压采集接口。da模块的主要功能负责初始化da功能能用到的io，并提供电压输出接口。协议层中gps模块负责解析gps报文并进行数据滤波，获取航标灯船经纬度、速度、时间等信息。gsm短消息处理模块负责生成gsm短消息及接收解析gsm短消息命令。应用层中数据定时采集模块负责周期性调用i2c接口、rs485接口、ad接口等采集加速度、角速度、电子罗盘数据、电压值等信息。业务交互模块负责向工控机/服务器定时上报航标灯船数据、心跳维持、接收并对命令进行响应等功能。通信状态监控模块定时监控gps、串口等各个对外通信模块的通信状态，并进行异常处理。

本实施例的航标灯船的控制系统主要数据流框图如图5所示。在航标灯船需要进行自动移位时，按如下步骤进行：

s1、由客户端输入并确定路径点位置，通过4g网络发送至控制板，控制板开启继电器的接触器四并启动逆变器，船舶锚泊设备反转将船锚收起，霍尔传感器检测船舶锚泊设备转动的角度并发送至控制板，当船舶锚泊设备转动到达一定的角度时，控制板断开接触器四，航标灯船即可进入航行状态。

s2、控制板接收到工控机发送的命令后开启继电器的接触器二/三，使船舶推进器与船舶舵机处于待机状态，开启继电器的接触器四，利用罗经实时采集船艏向。

s3、控制板采集并解析当前时刻的航标灯gps信息与罗经的船艏向角度，通过rs232串口将目标点位置、当前位置已经船艏向等信息发送至工控机。

s4、控制板输入实时位置、目标路径点、实时航速与目标航速至工控机中工控机，本实施例中工控机利用los导航算法实时规划路径，根据实时反馈的位置和目标路径计算实时需要跟踪的目标船艏向角（简称船艏向，是船舶船首相对于正北的角度，取值0~360°），基于（模糊）pid控制螺旋桨和船舶舵机，输出螺旋桨的转速指令和船舶舵机指令至控制板中，实现对目标船艏向的跟踪，进而跟踪到目标路径。同时根据实时反馈的航速调整螺旋桨转速，利用pid控制船速保持在目标航速范围内。

s5、控制板解析报文信息，并生成相应的pwm波对船舶舵机和船舶推进器执行工控机发送的指令。同时，控制板每秒推送无人船实时状态给工控机，工控机根据该数据调整对航标灯船的控制

s6、在即将达到指定位置附近时，控制板开启继电器的接触器四并启动逆变器，船舶锚泊设备正转将船锚放下，霍尔传感器检测船舶锚泊设备转动的角度并发送至控制板，当船舶锚泊设备转动到达一定的角度时，控制板断开所有继电器的接触器，船锚可将航标灯船固定在指定位置。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。