一种水面航行器推进控制系统

1.本实用新型涉及无人船控制技术领域，特别涉及一种水面航行器推进控制系统。本实用新型的尤其适用于要求水面航行器快速转向以及快速停靠的场景。


背景技术：

2.水面航行器一般指无人船，是一种借助精确卫星定位和自身传感即可按照预设任务在水面航行的全自动水面机器人，比载人船舶体型小、功能性强，在应用中能够协助人类获得大量海洋数据，用于海洋资源探测。
3.无人船靠推进控制系统实现船只行进和泊停的操控。无人船推进控制系统包括推进装置和控制电路。现有的推进控制系统一般只采用传统的后置螺旋桨作为推进装置，用于为无人船提供前进动力，但其转向灵活性较差。又由于无人船比常规船舶体积小、质量轻，在海中行驶时易受海浪和风力的干扰，只采用后置螺旋桨作为推进装置导致无人船难以抵抗外部环境影响，操控性较差。
4.侧推作为辅助操控装置，可为无人船提供前进方向以外的侧向力和力矩，在实现船舶掉头、原地旋回、横移等灵活运动的同时，抵抗环境干扰，提高操控性。因此，本实用新型的无人船推进装置将同时考虑后置推进装置和侧置推进装置，在保证前进推进的效率的同时，提升无人船快速转向和停靠的能力。
5.另外，传统推进控制系统的控制电路主要基于stm32，但stm32运行多条指令的方式为顺序方式，单次只能运行一条指令，对于多指令情况，stm32将处理多个中断，而中断过多会引起程序运行结果的错误率大大提升，降低无人船航行过程中的安全性与稳定性。fpga是并行处理器，运行多条指令的方式为并行方式，在处理多指令情况时无需中断，提高了程序运行的速度和稳定性，对于多路信号并行处理有很大优势。所以，本实用新型提出基于fpga的推进控制系统。
6.本实用新型提供一种水面航行器推进控制系统，提升了无人船运动的灵活性与操纵性，使无人船能快速转向与快速停靠。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于提供一种水面航行器推进控制系统，能够克服现有无人船推进器只有后置推进的不足，提升无人船运动的灵活性与操纵性，使无人船能快速转向与快速停靠。
8.一种水面航行器推进控制系统，包括：侧推装置、后置推进装置和控制电路；
9.所述侧推装置包括前置侧推和后置侧推，所述前置侧推位于无人船体的船艏下方，所述后置侧推位于无人船体的船艉部位；
10.所述后置推进装置位于无人船体的船艉下方部位，包括后置推进器和舵；
11.所述控制电路位于船体内部，包括通信设备、fpga主控板、前驱动板、蓄电池、后驱动板、继电器、电推杆、直线位移传感器和ad数据采集模块；
12.所述通信设备与所述fpga相连，向所述fpga主控板传递转向或者停靠信号；
13.所述fpga主控板与所述前驱动板、蓄电池、后驱动版、继电器、电推杆相连，并发射控制信号；
14.所述蓄电池与所述前驱动板和所述后驱动板相连，给两块驱动板供电；
15.所述前驱动板与所述前置侧推相连，控制所述前置侧推的旋转，从而实现船艏的转向控制；
16.所述后驱动板与所述后置侧推相连，控制所述后置侧推的旋转，从而实现船艉的转向控制；
17.所述继电器与所述后置推进器相连，控制所述后置推进器的旋转，从而控制无人船前进与后退；
18.所述电推杆与所述舵相连，所述电推杆的伸缩控制所述舵的左转与右转，从而控制船的左转与右转；
19.所述电推杆、直线位移传感器、ad数据采集模块和所述fpga主控板依次相连，用于反馈所述舵的转动角度；
20.所述直线位移传感器感知所述电推杆的伸缩量，并输出相应电压给所述ad数据采集模块，所述ad数据采集模块通过sclk、div、miso、cs四个接口与所述fpga四个io口相连，返回所述直线位移传感器的电压信息，最终所述fpga读取到所述电推杆的伸缩量并换算得所述舵的转动的角度。
21.进一步的，所述前置侧推包括：
22.前置侧推固定连杆、前置侧推螺旋桨、前置侧推固定外圈螺母和前置侧推固定内圈螺母。
23.进一步的，所述后置侧推包括：
24.后置侧推保护罩、后置侧推螺旋桨、后置侧推固定外圈螺母、后置侧推固定内圈螺母和后置侧推固定连杆。
25.进一步的，所述后置推进器包括：
26.齿轮箱、可拆联轴节、连轴节键、锁紧螺母、尾轴、水润滑尾轴密封装置、尾轴管、前轴承、后轴承、整体式尾轴架、螺旋桨、螺旋桨键和导流螺母。
附图说明
27.图1为无人船推进控制系统组成框图；
28.图2为无人船船体外形及各装置安装位置示意图；
29.图3为无人船前置侧推2示意图；
30.图4为无人船后置侧推3示意图；
31.图5为无人船后置推进器4示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图对本实用新型进行说明。所述推进控制系统构成如图1所示，包括侧推装置001、后置推进装置002和控制电路003。其中，侧推装置包括前置侧推2和后置侧推3，后置推进装置包括后置推进器4和舵5，控制电路包括通信设备、fpga主控板、前驱动板、蓄
电池42、后驱动板、继电器、电推杆、直线位移传感器和ad数据采集模块。
33.无人船如图2所示，前侧推装置2位于无人船体1的船艏下方，后置侧推3位于无人船体1的船艉部位，后置推进器4和舵位于无人船体1的船艉下方部位，控制电路位于船体内部；
34.前置侧推2如图3所示，包括前置侧推固定连杆6、前置侧推螺旋桨7、前置侧推固定外圈螺母8、前置侧推固定内圈螺母9。后置侧推3如图4所示，由后置侧推保护罩10、后置侧推螺旋桨11、后置侧推固定外圈螺母12、后置侧推固定内圈螺母13、后置侧推固定连杆14构成。面向无人船的右侧，当前置侧推螺旋桨7顺时针旋转，船艏右移；逆时针旋转，船艏左移。面向无人船的右侧，当后置侧推螺旋桨11顺时针旋转，船艉右移；逆时针旋转，船艉左移。
35.后置推进器4如图5所示，包括齿轮箱43(齿轮箱受电口79)、可拆联轴节44、连轴节键45、锁紧螺母46、尾轴47、水润滑尾轴密封装置48、尾轴管49、前轴承50、后轴承51、整体式尾轴架52、螺旋桨53、螺旋桨键54、导流螺母55。面相无人船船艉，当螺旋桨53顺时针旋转，无人船前进；逆时针旋转，无人船后退。
36.控制电路具有ip67级别的防水性能。蓄电池42包括电源正极输出口80和电源负极输出口81，电池采用密封包装。通信设备与fpga相连，向fpga主控板传递转向或者停靠信号。fpga主控板与前驱动板、蓄电池42、后驱动版、继电器、电推杆相连，并发射控制信号。蓄电池42与前驱动板和后驱动板相连，给两块驱动板供电。前驱动板与前置侧推2相连，控制前置侧推2的旋转，从而实现船艏的转向控制。后驱动板与后置侧推3相连，控制后置侧推3的旋转，从而实现船艉的转向控制。继电器与后置推进器4相连，控制后置推进器4的旋转，从而控制无人船前进与后退。电推杆与舵5相连，电推杆的伸缩控制舵5的左转与右转(面相无人船船艉)，从而控制船的左转与右转。电推杆、直线位移传感器、ad数据采集模块和fpga主控板依次相连，用于反馈舵5的转动角度。直线位移传感器感知电推杆的伸缩量，并输出相应电压给ad数据采集模块，ad数据采集模块通过sclk、div、miso、cs四个接口与fpga四个io口相连，返回直线位移传感器的电压信息，最终fpga读取到电推杆的伸缩量并换算得舵5的转动的角度。
37.下面以控制无人船快速左转弯为一个实施例，结合附图说明本系统的具体实施方式。
38.将侧推装置、后置推进装置及控制电路固定且连接好，整体构成一个无人船推进控制系统。岸基控制指令信号由通信设备接收传入fpga主控板，推进控制方法已作为程序模块由fpga主控板存储，当fpga主板接收到控制指令后即可调用程序模块执行指令操作。
39.在无人船匀速向前行驶过程中，将左转弯指令发送到通信模块，通信模块再将指令传输给fpga主控板，fpga主控板接收并解析指令。解析完成后fpga发送指令使得蓄电池42给前驱动板和后驱动板供电，并且控制前驱动板使前置侧推2的螺旋桨7逆时针旋转；控制后驱动板使后置侧推3的螺旋桨11顺时针旋转。同时，fpga主控板发送指令控制电推杆的伸缩来控制舵5向左转45
°
处，并且通过ad数据采集模块采集直线位移传感器的电压值来读取舵5转动的角度是否为左转45
°
。至此，推进控制系统快速地完成量无人船的左转弯控制，这种控制方式更加灵活,而且能在较短时间内完成无人船的快速转向。
40.以上所述，只是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本实用新型的技术效果，都应属于本实用新型的保护范围。
在本实用新型的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

技术特征：
1.一种水面航行器推进控制系统，其特征在于，包括：侧推装置、后置推进装置和控制电路；所述侧推装置包括前置侧推和后置侧推，所述前置侧推位于无人船体的船艏下方，所述后置侧推位于无人船体的船艉部位；所述后置推进装置位于无人船体的船艉下方部位，包括后置推进器和舵；所述控制电路位于船体内部，包括通信设备、fpga主控板、前驱动板、蓄电池、后驱动板、继电器、电推杆、直线位移传感器和ad数据采集模块；所述通信设备与所述fpga相连，向所述fpga主控板传递转向或者停靠信号；所述fpga主控板与所述前驱动板、蓄电池、后驱动版、继电器、电推杆相连，并发射控制信号；所述蓄电池与所述前驱动板和所述后驱动板相连，给两块驱动板供电；所述前驱动板与所述前置侧推相连，控制所述前置侧推的旋转，从而实现船艏的转向控制；所述后驱动板与所述后置侧推相连，控制所述后置侧推的旋转，从而实现船艉的转向控制；所述继电器与所述后置推进器相连，控制所述后置推进器的旋转，从而控制无人船前进与后退；所述电推杆与所述舵相连，所述电推杆的伸缩控制所述舵的左转与右转，从而控制船的左转与右转；所述电推杆、直线位移传感器、ad数据采集模块和所述fpga主控板依次相连，用于反馈所述舵的转动角度；所述直线位移传感器感知所述电推杆的伸缩量，并输出相应电压给所述ad数据采集模块，所述ad数据采集模块通过sclk、div、miso、cs四个接口与所述fpga四个io口相连，返回所述直线位移传感器的电压信息，最终所述fpga读取到所述电推杆的伸缩量并换算得所述舵的转动的角度。2.根据权利要求1所述的一种水面航行器推进控制系统，其特征在于，所述前置侧推包括：前置侧推固定连杆、前置侧推螺旋桨、前置侧推固定外圈螺母和前置侧推固定内圈螺母。3.根据权利要求1所述的一种水面航行器推进控制系统，其特征在于，所述后置侧推包括：后置侧推保护罩、后置侧推螺旋桨、后置侧推固定外圈螺母、后置侧推固定内圈螺母和后置侧推固定连杆。4.根据权利要求1所述的一种水面航行器推进控制系统，其特征在于，所述后置推进器包括：齿轮箱、可拆联轴节、连轴节键、锁紧螺母、尾轴、水润滑尾轴密封装置、尾轴管、前轴承、后轴承、整体式尾轴架、螺旋桨、螺旋桨键和导流螺母。

技术总结
本实用新型涉及一种水面航行器推进控制系统，包括：侧推装置，用于实现侧方推进；后置推进装置，用于实现前后推进；控制电路，用于实现对侧推装置和后置推进装置的控制。其中，侧推装置包括前置侧推和后置侧推，后置推进装置包括后置推进器和舵，控制电路包括通信设备、FPGA主控板、前驱动板、蓄电池、后驱动板、继电器、电推杆、直线位移传感器和AD数据采集模块。本实用新型能够克服现有无人船推进器只有后置推进的不足，提升水面航行器运动的灵活性与操纵性，尤其适用于控制水面航行器的快速转向与快速停靠。与快速停靠。与快速停靠。


技术研发人员：崔亚妮 任佳 丁洁 陈敏 郝秋实 张育 易家傅 傅德龙 姚京涛
受保护的技术使用者：海南大学
技术研发日：2023.02.01
技术公布日：2023/5/18