CN214930497U - 一种无人帆船自动驾驶系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无人帆船自动驾驶系统，特点是包括安装在无人帆船船体上的数据采集传输系统、无线传输系统、主控制系统、驱动系统和供电系统；数据采集传输系统用于采集数据并传输给主控制系统；无线传输系统用于主控制系统与管理监控终端的通信；主控制系统用于设定航线、规划避障路径和避障路径点以及发送控制指令给驱动系统；驱动系统用于接收主控制系统发送的控制指令来控制无人帆船；供电系统用于提供电力；优点是将供电系统中的柔性太阳能电池板设置在浮体上方，减小了无人帆船的体积，使得无人帆船可以在内陆江河水域行驶；本实用新型通过在无人帆船船体的艉部两侧各安装有一个浮体，使得无人帆船的船体更加稳定，减少了倾覆的风险。

Description

一种无人帆船自动驾驶系统

技术领域

本实用新型涉及无人帆船领域，尤其是一种无人帆船自动驾驶系统。

背景技术

无人帆船作为可自主航行的新型智能水上运载工具，在水体数据采集、水面巡逻、海洋勘探等方面的应用前景广阔；传统的无人帆船大多采用蓄电池作为动力源，但蓄电池的容量有限，导致无人船的续航时间较短；现有的无人帆船采用风力驱动和太阳能驱动相互切换来提供动力，但无人帆船的船体受搭载柔性太阳能电池板的影响，无人帆船的船体普遍较大，难以在内陆江河水域行驶；由于无人帆船的动力主要来源于受风力的驱动，当无人帆船在行驶过程中遇到较大的风浪时，会使得无人帆船的行驶状态难以稳定，从而导致无人帆船有倾覆的风险。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种无人帆船自动驾驶系统，不但减小了无人帆船的船体，使得无人帆船可以在内陆江河水域行驶，而且无人帆船的船体更加稳定，减少了倾覆的风险。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种无人帆船自动驾驶系统，包括安装在无人帆船船体上的数据采集传输系统、无线传输系统、主控制系统、驱动系统和供电系统；

所述的供电系统为所述的数据采集传输系统、所述的驱动系统、所述的无线传输系统和所述的主控制系统提供电力；

所述的数据采集传输系统包括传感器系统和机器视觉识别系统，所述的传感器系统用于得到无人帆船航行水域的风向数据以及无人帆船的航向角、俯仰角、横滚角和实时的经纬度坐标，并传输给主控制系统；所述的机器视觉识别系统用于识别障碍物，得到障碍物类别和无人帆船与障碍物的距离并传输给所述的主控制系统；

所述的无线传输系统用于将由主控制系统得到的无人帆船的当前位姿传输给位于地面的管理监控终端，以及将位于地面的管理监控终端设定的目标位置传输给主控制系统，实现主控制系统与位于地面的管理监控终端的通信；

所述的主控制系统用于根据得到的无人帆船的航向角、俯仰角、横滚角和实时的经纬度坐标得到无人帆船的当前位姿，并根据由管理监控终端设定的目标位置、无人帆船的当前位姿和航行水域的风向数据设定初始航线，又用于根据所述的机器视觉识别系统传输的障碍物类别和无人帆船与障碍物的距离进行规划避障路径和避障路径点，还用于发送控制指令给所述的驱动系统；所述的当前位姿包括无人帆船的实时位置信息和朝向；

所述的驱动系统用于接收主控制系统发送的控制指令来控制无人帆船的方向和速度。

所述的传感器系统包括风向传感器、IMU姿态解算传感器和GPS传感器；

所述的风向传感器用于实时检测无人帆船航行水域的风向数据并传输给主控制系统；

所述的IMU姿态解算传感器包括陀螺仪、电子罗盘和加速度传感器，所述的陀螺仪用于采集姿态角数据，所述的电子罗盘用于采集船头朝向与地球南北极的角度数据，所述的加速度传感器用于采集加速度数据，所述的IMU姿态解算传感器对姿态角数据、船头朝向与地球南北极的角度数据和加速度数据进行姿态解算，得到无人帆船的航向角、俯仰角和横滚角并传输给所述的主控制系统；

所述的GPS传感器用于采集无人帆船实时的经纬度坐标并传输至主控制系统。

所述的机器视觉识别系统包括深度相机和深度学习处理单元；

所述的深度相机用于识别障碍物并将障碍物图像数据和深度信息传输给深度学习处理单元；

所述的深度学习处理单元用于将障碍物图像数据和深度信息经过机器视觉识别算法处理归纳出障碍物类别和无人帆船与障碍物的距离并传输给所述的主控制系统。

所述的驱动系统包括船帆舵机机构和船舵舵机机构，所述的船帆舵机机构用于驱动无人帆船的软帆，从而控制无人帆船的速度，所述的船舵舵机机构用于驱动无人帆船的舵片，从而控制无人帆船的方向。

所述的供电系统包括柔性太阳能电池板、太阳能功率优化控制器和蓄电池；

所述的柔性太阳能电池板用于将太阳能转化为电能；

所述的太阳能功率优化控制器用于提升太阳能电池板对太阳能吸收的效率；

所述的蓄电池用于储存柔性太阳能电池板转化的电能。

所述的无人帆船船体的顶部设有甲板，所述的甲板上设有可开合的前设备舱盖和后设备舱盖，所述的甲板的中部设有带有软帆的桅杆；所述的风向传感器通过第一支架固定安装在所述的甲板上方且位于所述的无人帆船船体的艉部；所述的GPS传感器固定安装在所述的甲板上方且位于所述的无人帆船船体的艏部；所述的深度相机通过第二支架固定安装在所述的甲板上方且位于所述的无人帆船船体的艏部；所述的无人帆船船体的艉部的两侧分别安装浮体支架，所述的浮体支架的上方与柔性太阳能电池板固定连接，所述的浮体支架的下方与浮体固定连接；所述的无人帆船船体的艉部的一侧固定安装舵片；浮体提高了帆船整体的载重能力，增加了船载设备的数量和重量；

所述的无人帆船船体的舱内安装有主控制系统、IMU姿态解算传感器、深度学习处理单元、无线传输系统、太阳能功率优化控制器、蓄电池、船帆舵机机构和船舵舵机机构；所述的风向传感器通过USB通讯线与所述的主控制系统连接；所述的GPS传感器通过USB通讯线与所述的主控制系统连接；所述的深度相机通过USB通讯线与所述的深度学习处理单元连接；所述的深度学习处理单元通过网线与所述的主控制系统连接；所述的IMU姿态解算传感器通过USB通讯线与所述的主控制系统连接；所述的柔性太阳能电池板通过所述的太阳能功率优化控制器与所述的蓄电池电连接；所述的船帆舵机机构的输出端通过线缆在穿过所述的甲板后与所述的软帆连接，所述的船帆舵机机构的接口通过线缆与所述的主控制系统连接；所述的船舵舵机机构的输出端通过线缆在穿过所述的无人帆船船体的底部后与所述的舵片相连，所述的船舵舵机机构的接口通过线缆与所述的主控制系统连接。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于通过在无人帆船船体的艉部两侧各设置一个浮体，使得无人帆船的船体更加稳定，减少了倾覆的风险；此外浮体提高了帆船整体的载重能力，增加了船载设备的数量和重量；且相较于将柔性太阳能电池板铺设在甲板上所需要较大的空间，本实用新型将柔性太阳能电池板设置在无人帆船船体的艉部两侧的浮体上方，减小了无人帆船的体积，使得无人帆船可以在内陆江河水域行驶；本实用新型采用的深度相机相比同类障碍物探测传感器，不但具有体积小的优点，而且降低了电力消耗和设备成本。

附图说明

图1为本实用新型的系统框架示意图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为本实用新型的剖面结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图所示，一种无人帆船自动驾驶系统，包括安装在无人帆船船体上的数据采集传输系统、无线传输系统、主控制系统、驱动系统和供电系统；

供电系统为数据采集传输系统、驱动系统、无线传输系统和主控制系统提供电力；

供电系统包括柔性太阳能电池板、太阳能功率优化控制器和蓄电池；

柔性太阳能电池板用于将太阳能转化为电能；

太阳能功率优化控制器用于提升太阳能电池板对太阳能吸收的效率；

蓄电池用于储存柔性太阳能电池板转化的电能；

数据采集传输系统包括传感器系统和机器视觉识别系统，传感器系统用于得到无人帆船航行水域的风向数据以及无人帆船的航向角、俯仰角、横滚角和实时的经纬度坐标，并传输给主控制系统；机器视觉识别系统用于识别障碍物，得到障碍物类别和无人帆船与障碍物的距离并传输给主控制系统；

传感器系统包括风向传感器、IMU姿态解算传感器和GPS传感器；

风向传感器用于实时检测无人帆船航行水域的风向数据并传输给主控制系统；

IMU姿态解算传感器包括陀螺仪、电子罗盘和加速度传感器，陀螺仪用于采集姿态角数据，电子罗盘用于采集船头朝向与地球南北极的角度数据，加速度传感器用于采集加速度数据，IMU姿态解算传感器对姿态角数据、船头朝向与地球南北极的角度数据和加速度数据进行姿态解算，得到无人帆船的航向角、俯仰角和横滚角并传输给主控制系统；

GPS传感器用于采集无人帆船实时的经纬度坐标并传输至主控制系统；

机器视觉识别系统包括深度相机和深度学习处理单元；

深度相机用于识别障碍物并将障碍物图像数据和深度信息传输给深度学习处理单元；

深度学习处理单元用于将障碍物图像数据和深度信息经过机器视觉识别算法处理归纳出障碍物类别和无人帆船与障碍物的距离并传输给主控制系统

无线传输系统包括工业路由器，用于将由主控制系统得到的无人帆船的当前位姿传输给位于地面的管理监控终端，以及将位于地面的管理监控终端设定的目标位置传输给主控制系统，实现主控制系统与位于地面的管理监控终端的通信；

主控制系统用于根据得到的无人帆船的航向角、俯仰角、横滚角和实时的经纬度坐标得到无人帆船的当前位姿，并根据由管理监控终端设定的目标位置、无人帆船的当前位姿和航行水域的风向数据设定初始航线，又用于根据机器视觉识别系统传输的障碍物类别和无人帆船与障碍物的距离进行规划避障路径和避障路径点，还用于发送控制指令给驱动系统；当前位姿包括无人帆船的实时位置信息和朝向；本实用新型中采用了 Xilinx 公司的 Zynq7000 系列的芯片与 CMC 控制专用芯片，作为主控制系统的硬件平台；

驱动系统用于接收主控制系统发送的控制指令，并根据控制指令来控制无人帆船的方向和速度；

驱动系统包括船帆舵机机构和船舵舵机机构，船帆舵机机构用于驱动无人帆船的软帆，从而控制无人帆船的速度，船舵舵机机构用于驱动无人帆船的舵片，从而控制无人帆船的方向。

如图所示，无人帆船船体1的顶部设有甲板2，甲板2上设有可开合的前设备舱盖3和后设备舱盖4，甲板2的中部设有带有软帆5的桅杆6；风向传感器7通过第一支架71固定安装在甲板2上方且位于无人帆船船体1的艉部；GPS传感器8固定安装在甲板2上方且位于无人帆船船体1的艏部；深度相机9通过第二支架91固定安装在甲板2上方且位于无人帆船船体1的艏部；无人帆船船体1的艉部的两侧分别安装浮体支架10，浮体支架10的上方与柔性太阳能电池板11固定连接，浮体支架10的下方与浮体12固定连接；无人帆船船体1的艉部的一侧固定安装舵片13；

无人帆船船体1的舱内安装有主控制系统14、IMU姿态解算传感器15、深度学习处理单元16、无线传输系统17、太阳能功率优化控制器18、蓄电池19、船帆舵机机构20和船舵舵机机构21；风向传感器7通过USB通讯线与主控制系统14连接；GPS传感器8通过USB通讯线与主控制系统14连接；深度相机9通过USB通讯线与深度学习处理单元16连接；深度学习处理单元16通过网线与主控制系统14连接；IMU姿态解算传感器15通过USB通讯线与主控制系统14连接；柔性太阳能电池板11通过太阳能功率优化控制器18与蓄电池19电连接；船帆舵机机构20的输出端通过线缆在穿过甲板2后与软帆5连接，船帆舵机机构20的接口通过线缆与主控制系统14连接；船舵舵机机构21的输出端通过线缆在穿过无人帆船船体1的底部后与舵片13相连，船舵舵机机构21的接口通过线缆与主控制系统14连接。

Claims (6)

1.一种无人帆船自动驾驶系统，其特征在于包括安装在无人帆船船体上的数据采集传输系统、无线传输系统、主控制系统、驱动系统和供电系统；

所述的供电系统为所述的数据采集传输系统、所述的驱动系统、所述的无线传输系统和所述的主控制系统提供电力；

所述的数据采集传输系统包括传感器系统和机器视觉识别系统，所述的传感器系统用于得到无人帆船航行水域的风向数据以及无人帆船的航向角、俯仰角、横滚角和实时的经纬度坐标，并传输给主控制系统；所述的机器视觉识别系统用于识别障碍物，得到障碍物类别和无人帆船与障碍物的距离并传输给所述的主控制系统；

所述的无线传输系统用于将由主控制系统得到的无人帆船的当前位姿传输给位于地面的管理监控终端，以及将位于地面的管理监控终端设定的目标位置传输给主控制系统，实现主控制系统与位于地面的管理监控终端的通信；

所述的主控制系统用于根据得到的无人帆船的航向角、俯仰角、横滚角和实时的经纬度坐标得到无人帆船的当前位姿，并根据由管理监控终端设定的目标位置、无人帆船的当前位姿和航行水域的风向数据设定初始航线，又用于根据所述的机器视觉识别系统传输的障碍物类别和无人帆船与障碍物的距离进行规划避障路径和避障路径点，还用于发送控制指令给所述的驱动系统；所述的当前位姿包括无人帆船的实时位置信息和朝向；

所述的驱动系统用于接收主控制系统发送的控制指令来控制无人帆船的方向和速度。

2.根据权利要求1所述的一种无人帆船自动驾驶系统，其特征在于所述的无人帆船船体的顶部设有甲板，所述的甲板上设有可开合的前设备舱盖和后设备舱盖，所述的甲板的中部设有带有软帆的桅杆；所述的无人帆船船体的艉部的两侧分别安装有浮体支架，所述的浮体支架的下方与浮体固定连接；所述的无人帆船船体的艉部的一侧固定安装舵片。

3.根据权利要求2所述的一种无人帆船自动驾驶系统，其特征在于所述的传感器系统包括风向传感器、IMU姿态解算传感器和GPS传感器；

所述的风向传感器用于实时检测无人帆船航行水域的风向数据并传输给主控制系统；

所述的IMU姿态解算传感器包括陀螺仪、电子罗盘和加速度传感器，所述的陀螺仪用于采集姿态角数据，所述的电子罗盘用于采集船头朝向与地球南北极的角度数据，所述的加速度传感器用于采集加速度数据，所述的IMU姿态解算传感器对姿态角数据、船头朝向与地球南北极的角度数据和加速度数据进行姿态解算，得到无人帆船的航向角、俯仰角和横滚角并传输给所述的主控制系统；所述的GPS传感器用于采集无人帆船实时的经纬度坐标并传输至主控制系统；

所述的风向传感器通过第一支架固定安装在所述的甲板上方且位于所述的无人帆船船体的艉部；所述的无人帆船船体的舱内安装有所述的主控制系统、所述的无线传输系统和所述的IMU姿态解算传感器；所述的GPS传感器固定安装在所述的甲板上方且位于所述的无人帆船船体的艏部；所述的风向传感器通过USB通讯线与所述的主控制系统连接；所述的IMU姿态解算传感器通过USB通讯线与所述的主控制系统连接；所述的GPS传感器通过USB通讯线与所述的主控制系统连接。

4.根据权利要求2所述的一种无人帆船自动驾驶系统，其特征在于所述的机器视觉识别系统包括深度相机和深度学习处理单元；

所述的深度相机用于识别障碍物并将障碍物图像数据和深度信息传输给深度学习处理单元；

所述的深度学习处理单元用于将障碍物图像数据和深度信息经过机器视觉识别算法处理归纳出障碍物类别和无人帆船与障碍物的距离并传输给所述的主控制系统；

所述的深度相机通过第二支架固定安装在所述的甲板上方且位于所述的无人帆船船体的艏部；所述的无人帆船船体的舱内安装有所述的深度学习处理单元；所述的深度相机通过USB通讯线与所述的深度学习处理单元连接；所述的深度学习处理单元通过网线与所述的主控制系统连接。

5.根据权利要求2所述的一种无人帆船自动驾驶系统，其特征在于所述的驱动系统包括船帆舵机机构和船舵舵机机构，所述的船帆舵机机构用于驱动无人帆船的软帆，从而控制无人帆船的速度，所述的船舵舵机机构用于驱动无人帆船的舵片，从而控制无人帆船的方向；

所述的无人帆船船体的舱内安装有所述的船帆舵机机构和所述的船舵舵机机构；

所述的船帆舵机机构的输出端通过线缆在穿过所述的甲板后与所述的软帆连接，所述的船帆舵机机构的接口通过线缆与所述的主控制系统连接；所述的船舵舵机机构的输出端通过线缆在穿过所述的无人帆船船体的底部后与所述的舵片相连，所述的船舵舵机机构的接口通过线缆与所述的主控制系统连接。

6.根据权利要求2所述的一种无人帆船自动驾驶系统，其特征在于所述的供电系统包括柔性太阳能电池板、太阳能功率优化控制器和蓄电池；

所述的柔性太阳能电池板用于将太阳能转化为电能；

所述的太阳能功率优化控制器用于提升柔性太阳能电池板对太阳能吸收的效率；

所述的蓄电池用于储存柔性太阳能电池板转化的电能；

所述的浮体支架的上方与所述的柔性太阳能电池板固定连接，所述的无人帆船船体的舱内安装有所述的太阳能功率优化控制器和所述的蓄电池；

所述的柔性太阳能电池板通过所述的太阳能功率优化控制器与所述的蓄电池电连接。

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