本發(fā)明涉及無人船領域，具體的說是一種上下對稱、抗傾覆無人船系統(tǒng)。

背景技術：

無人船一個高科技的代名詞之一，首先在軍事領域里嶄露頭角，例如美國德事隆集團研制的無人船，可以在海灣中巡邏應對猖獗的海盜，這樣可以避免海盜勒索贖金的人質對象；美國海軍采用“機翼”設計的“x-2”號無人艇，用于完成海岸監(jiān)視、禁毒、攔截、巡邏等任務。

后來，民用無人船開始興起，主要用于水文測量、應急采樣檢測、核輻射在線檢測、水面垃圾清理等；且無人船采用遠程遙控或者自駕駛的方式。目前傳統(tǒng)的測量用無人船，采用封閉或者半封閉的船艙，其內擺放用于測量的電子設備、記錄數(shù)據(jù)的電子設備、回傳數(shù)據(jù)的電子設備及電源、推進設備等。這種傳統(tǒng)的測量船在遇到大的風浪時，容易造成船體的傾覆，從而給測量的正常進行造成干擾，嚴重的可能會危機電子設備的安全，造成設備燒掉。無人船作為一個動態(tài)信息搜集的平臺，如果能夠增強船體的抗風浪能力，防止船體的傾覆，將會給平臺的可靠信息搜集提供強有力的保障。

在專利“一種無人船抗風浪巡航控制方法及系統(tǒng)”中，通過實時監(jiān)測無人船航行時的水流矢量數(shù)據(jù)與船體航行矢量數(shù)據(jù)來計算船體航向與水流之間的夾角，然后通過調整船體的速度與航向來達到避免傾覆的危險。上述的方式中，在存在排浪的情形下，難以奏效，這正是本發(fā)明要解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，在于針對現(xiàn)有的水文測量無人船由于遭遇風浪或者其他原因導致的船體傾覆時，使得無人船不能正常工作的問題；提出了一種上下對稱、抗傾覆無人船設計方法，其特征是整個船體是上下對稱的、密封的，這樣當船體由于未知原因翻滾后，仍然能夠保證正常工作，克服了傳統(tǒng)無人船傾覆后不能工作的弊端。

該系統(tǒng)是這樣實現(xiàn)的：

整個上下對稱、抗傾覆無人船的外形圖，如圖1所示，整個船體是上下對稱的，也就是說上下船體的結構沿著中軸線是對稱的，其中有兩個推進器放于尾部，用于實現(xiàn)船體的前進、轉向、后退功能；整套電子設備沿著中軸面擺放，擺放圖如圖2所示。

所述的上下對稱、抗傾覆的無人船，包括遙控器及動力船體兩大部分，下面分述之，由于本發(fā)明的目的是為了實現(xiàn)抗傾覆，所以以下并未涉及無人船上的電子測量設備，可以根據(jù)需要在船體內擺放相應的設施。

所述的遙控器部分包括：

1）操作部分；所述的操作部分功能為給所述的控制部分提供速度大小及轉向信號；在實例中，所述的操作部分中通過滑動變阻器產生速度大小及轉向的信號；具體的說，通過搖桿的上下、左右擺動帶動相應滑動變阻器滑片的運動來實現(xiàn)的；

2）所述的顯示部分，能夠指示當前無人船的速度、轉向、上下翻轉模式、故障、電量信息；在實例中，所述的顯示部分采用12864模塊；

3）控制部分；所述的控制部分，包括采用單片機或者相應的數(shù)字邏輯電路實現(xiàn)的控制功能；所述的控制功能為讀取所述操作部分的電壓信號，然后根據(jù)控制算法轉化成相應的速度及轉向命令；具體在所述的實例中詳述；

4）所述的發(fā)射/接收部分，其功能為通過無線電波與所述的無人船部分進行通信，將所述遙控部分的命令信號----轉速大小、轉向，發(fā)送給所述的無人船部分；然后接收所述的無人船部分傳回的正反轉模式及電機的轉速與無人船的轉向、電量信號。具體在實例中詳述；

5）供電部分；所述的供電部分實現(xiàn)給所述的控制部分、操作部分、顯示部分、發(fā)射/接受部分供電；在實例中，所述的供電部分采用能自充電的鋰電池供電；所述的自充電指的是，一方面帶外部充電接口；另一方面，可以直接利用綠色清潔能源給電池充電；所述的綠色清潔能源指的是利用太陽能電池板、風輪發(fā)電機；此外，所述的控制部分可以通過檢測電池的狀態(tài)，來控制是否繼續(xù)通過所述的綠色清潔能源給電池充電；具體在實例詳述；

6）所述的遙控器部分整體功能為，所述的控制部分通過采集所述的操作部分的電壓信號，將其轉化成相應的速度及轉向信號，然后通過所述的發(fā)射部分傳給所述的無人船部分；同時通過所述的接受部分接受所述的無人船部分傳回的正反轉模式及電機的轉速與無人船的轉向、電量信號；

所述的無人船部分包括：

1）執(zhí)行機構；所述的執(zhí)行機構功能為推動所述的無人船提供動力及相應的轉向控制功能。在所述的實例中，通過防水電機加螺旋槳的方式實現(xiàn)動力功能，通過差速電機控制實現(xiàn)轉向功能；

2）傳感器；所述的傳感器的功能是一方面提供所述無人船的翻轉模式信息；由于在波浪或者其他因素的影響下，所述的無人船會被打翻。最直接的影響是，所述執(zhí)行機構中的差速電機控制方式的變化，為此，需要傳感器提供翻轉模式信息。在所述的實例中，一種方式是采用三軸加速度傳感器，通過z軸的正負來判別翻轉模式；另一種方式中采用在存放蓄電池的上下部位各放置一個壓力傳感器，從而以開關信號的形式獲得翻轉模式。所述傳感器的功能，另一方面為采集相應的電機轉速大小、轉向、電量信息，具體在實例中詳述；

3）發(fā)射/接收部分，所述的發(fā)射/接收部分，其功能為通過無線電波與所述的遙控器部分進行通信，將所述無人船部分的采集信號----轉速大小、轉向、翻轉模式、電量，發(fā)送給所述的遙控部分；然后接收所述的遙控部分下達的前進、后退、轉向命令。所述的天線，為了防止無人船翻轉造成天線不能使用，采用浮動天線。具體在實例中詳述；

4）控制部分；所述的控制部分，包括采用單片機或者相應的數(shù)字邏輯電路實現(xiàn)的控制功能；所述的控制功能為通過所述的發(fā)射/接收部分接受到的所述的遙控部分發(fā)送的前進、后退、轉向命令以及所述的傳感部分采集到的翻轉模式信息，動態(tài)的采用相應的差速控制方式，以保證命令執(zhí)行的正確性；另一方面，所述的控制部分通過所述的傳感器采集電機轉速的大小、整個無人船的轉向、翻轉模式、電量通過所述的發(fā)射/接收部分發(fā)送給所述的遙控器部分；

5）供電部分；所述的供電部分實現(xiàn)給所述的執(zhí)行機構、傳感器、發(fā)射/接收部分、控制部分供電；在實例中，所述的供電部分采用能自充電的鋰電池供電；所述的自充電指的是，一方面帶外部充電接口；另一方面，可以直接利用綠色清潔能源給電池充電；所述的綠色清潔能源指的是利用太陽能電池板、風輪發(fā)電機；此外，所述的控制部分可以通過檢測電池的狀態(tài)，來控制是否繼續(xù)通過所述的綠色清潔能源給電池充電；具體在實例詳述；

所述的智能無人船，是按照如下的方式運行的：

當需要測量相應的水域時，操作人員手持遙控器及無人船部分（電量充足）；打開遙控器及無人船電源開關，并將無人船部分放入水中；無人船部分落水后，及時通過發(fā)射/接收的部分浮動天線將此時的轉向、轉速信息傳給遙控器部分；遙控器部分將接受到的轉向、轉速大小信息顯示到顯示屏上。

操作人員根據(jù)屏幕顯示的轉向及轉速信息，動態(tài)的調整遙控器上的全向搖桿。例如，如果此時無人船朝向西南方向，而落水者在東南方向，此時操作人員先將搖桿往左方擺動，然后緩緩往正前方轉動。示意圖如圖4所示。

無人船收到遙控器的旋轉信號后，根據(jù)翻轉模式信息，采用相應的差速控制方式，控制器根據(jù)旋轉信號的大小，控制兩個推力電機的轉速大小，從而實現(xiàn)無人船的轉向。并將采集到的電機轉速、電量信號上傳到遙控器部分。

等到無人船大體朝向相應水域后，將搖桿全力往前方推；在這個過程中，無人船控制器接收到前進方向及大小信號，然后控制兩個推力電機的轉速方向及大小，實現(xiàn)無人船的前進。并將采集到的電機轉速、電量信號上傳到遙控器部分。

一旦到達落水者，等落水者握住無人船后，再重復前面所述的旋轉及前進過程。如果途中遇到障礙物，可以先采取后退，然后再重復旋轉及前進過程。

上述救援過程結束后，根據(jù)顯示的電量信息，決定是否通過外部接口或者綠色能源進行充電。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種上下對稱、抗傾覆無人船的外形圖。

圖2為本發(fā)明電子設備沿中軸面的擺放圖。

圖3為本發(fā)明遙控器、無人船部分硬件結構圖。

圖4為本發(fā)明遙控器操作示意圖。

圖5實例硬件部分框圖。

具體實施方式

實例中的硬件部分框圖，如圖5所示。在本實施例中，其中在無人船的硬件中，采用兩塊12ah、48v鋰電池；開關s、s1受單片機的控制，開關s實現(xiàn)太陽能電池板對鋰電池進行充電；采用100w、12v太陽能電池板，分別安置在圖1外形圖的上下各一塊；太陽能電池板經過12v轉48v的dc-dc模塊，采用恒壓充電的方式給電池進行充電；兩塊太陽能電池板分別給兩塊鋰電池進行充電；單片機通過電壓、電流檢測模塊檢測鋰電池的電壓及放電電流，當鋰電池的電壓低于放電閾值時，閉合開關s給鋰電池充電，同時斷開開關s1，停止給系統(tǒng)供電；當鋰電池的電壓高于充電閥值時，關斷開關s，停止對鋰電池進行充電；當鋰電池的放電電流過大時，斷開開關s1，停止給系統(tǒng)供電。鋰電池通過48v轉5v的dc-dc模塊給單片機進行供電，實施例中采用stm32f051單片機；鋰電池通過48v轉12v的dc-dc模塊給電機驅動進行供電；電機驅動采用無刷電調，其最大工作電流30a；無刷電調驅動經過防水處理的無刷電機，無刷電機的額定電壓為12v，最大電流為20a，其上安裝水下螺旋槳，并在轉軸處安上霍爾傳感器，供單片機采集速度信號。三軸加速度傳感器采用adxl345數(shù)字式傳感器，安裝在太陽能電池固定的架子里面，并保持水平放置。發(fā)送/接受天線采用經過改裝的天地飛接受、發(fā)送模塊，可以實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸。

在遙控器的硬件中，采用一塊6ah、9v鋰電池；開關s、s1受單片機的控制，開關s實現(xiàn)太陽能電池板對鋰電池進行充電；采用20w、12v太陽能電池板一塊，安置在遙控器的表面空余部分；太陽能電池板經過12v轉9v的dc-dc模塊穩(wěn)壓后，采用恒壓充電的方式給電池進行充電；單片機通過電壓、電流檢測模塊檢測鋰電池的電壓及放電電流，當鋰電池的電壓低于放電閾值時，閉合開關s給鋰電池充電，同時斷開開關s1，停止給系統(tǒng)供電；當鋰電池的電壓高于充電閥值時，關斷開關s，停止對鋰電池進行充電；當鋰電池的放電電流過大時，斷開開關s1，停止給系統(tǒng)供電。鋰電池通過12v轉3.3v的dc-dc模塊給單片機進行供電，實施例中采用stm32f051單片機；鋰電池通過12v轉3.3v的dc-dc模塊給液晶驅動進行供電；液晶屏采用tft4.0屏。采用天地飛遙控器的搖桿，以及發(fā)送/接受天線采用天地飛遙控器，可以實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸。