阅读说明：本技术 一种简易自主动力定位和水上航行能力的平台 (Platform of simple and easy autonomic power location and navigation ability on water ) 是由 郑茂 唐力 柳晨光 初秀民 张旋武 谢朔 于 2019-11-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种简易自主动力定位和水上航行能力的平台,包括柱状的主船体外壳；主船体外壳的底部通过吊舱支撑座连接有主推进器和回转推进器,主船体外壳内设有自主定位控制子系统和舵机,舵机连接有延伸到主船体外壳外部的舵叶；当本平台实时位置与目标位置的距离超过第一预设阈值时,计算目标位置相对平台实时位置的目标方位角,调整平台艏向角至目标方位角,推动平台向目标位置航行；直至本平台实时位置与目标位置之间的距离小于第二预设阈值,停止主推进器、回转推进器和舵机。本发明通过采用柱形的主船体结构,采用吊舱式的主推进器和回转推进器相结合的方式实现推进和回转,具有操纵性良好、易原地回转、操控逻辑简单的特点。(The invention provides a simple platform with autonomous dynamic positioning and water navigation capability, which comprises a columnar main hull shell; the bottom of the main hull shell is connected with a main propeller and a rotary propeller through a pod supporting seat, an autonomous positioning control subsystem and a steering engine are arranged in the main hull shell, and the steering engine is connected with a rudder blade extending to the outside of the main hull shell; when the distance between the real-time position of the platform and the target position exceeds a first preset threshold value, calculating a target azimuth angle of the target position relative to the real-time position of the platform, adjusting a heading angle of the platform to the target azimuth angle, and pushing the platform to navigate to the target position; and stopping the main propeller, the rotary propeller and the steering engine until the distance between the real-time position and the target position of the platform is smaller than a second preset threshold value. The invention realizes the propulsion and the rotation by adopting the cylindrical main hull structure and adopting the mode of combining the pod type main propeller and the rotary propeller, and has the characteristics of good maneuverability, easy in-situ rotation and simple control logic.)

一种简易自主动力定位和水上航行能力的平台

技术领域

本发明属于航标技术领域，具体涉及一种简易自主动力定位和水上航行能力的平台。

背景技术

随着航运业的发展，内河及沿海船舶数量逐渐增多，吨位逐渐增大，对内河及沿海航道的通航条件要求越来越高。航标作为指示航道可通航区域的基础设施，对于航道通航安全至关重要。然而航标被过往船只碰撞损坏、沉没的事故时有发生；且随着内河水深的变化，部分可航行区域在某些时段不可通行，这些情况会给航运业带来航行风险。另外，在海洋中某些具有战略价值的区域，需要使用声呐设备记录来往船只、军舰以及潜艇的声纹信息，而这些区域往往因为深度过大而不利于采用锚泊的形式定位。

对于损坏的航标设施，需要尽快恢复航标的工作状态，而常规的航标采用锚泊式定位，作业需要专门船只，流程复杂、耗时长，对于通航安全不利。因此，在航标平台上实现简易的自主动力定位功能，作为常规航标损坏维修期间的应急手段，提供可通航区域指示功能，对提升航道通航安全具有重要意义。海上无人值守的自主动力定位平台可挂载声呐装置，长期驻守某一特定区域，具有尺寸小、隐蔽性好的特点，对周边船只、潜艇、环境进行持续不断的声纹信号采集，对于加强海域船舶管理，保卫国家海洋安全、维护海洋权益都有重要意义。

尽管传统的动力定位系统定位精度高、技术成熟可靠，但系统组成复杂、造价昂贵、推进器多、体积庞大，不适用于微、小型无人水上平台的自主定位。另外，大部分微、小型水上平台定位精度要求并不高，只需要维持在定位目标点附近一定范围内即可，过于昂贵的现有动力定位系统不适用于低成本无人平台的快速推广应用。因此，结构简单、造价低廉的自主定位技术具有良好的应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种简易自主动力定位和水上航行能力的平台。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种简易自主动力定位和水上航行能力的平台，其特征在于：本平台包括柱状的主船体外壳；主船体外壳的顶部设有密封舱盖；主船体外壳的底部通过吊舱支撑座连接有主推进器和回转推进器，主推进器上连接有主螺旋桨和主推进器导管，回转推进器上连接有回转螺旋桨；主船体外壳内设有自主定位控制子系统和舵机，舵机连接有延伸到主船体外壳外部的舵叶；

所述的自主定位控制子系统包括定位模块、罗经、电源、控制器和远程通讯模块；其中，控制器按照以下步骤进行控制：

S1、通过远程通讯模块获取岸基的控制指令，得到目标位置；以主推进器推力方向为艏向，通过定位模块和罗经感知本平台的实时位置和艏向角；

S2、当本平台实时位置与目标位置的距离超过第一预设阈值时，计算目标位置相对平台实时位置的目标方位角，控制回转推进器和舵机，调整平台艏向角至目标方位角，并控制主推进器，推动平台向目标位置航行；

S3、向目标位置航行的过程中，不断监测和调整本平台当前艏向角和目标方位角，使得本平台当前艏向角与目标方位角的角度差在一定范围内；直至本平台实时位置与目标位置之间的距离小于第二预设阈值，停止主推进器、回转推进器和舵机；第一预设阈值大于第二预设阈值。

按上述方案，所述的主船体外壳为圆柱体，所述的回转推进器连接在圆柱体的中心轴上。

按上述方案，所述的定位模块为北斗/GPS多模终端，设置在主船体外壳的顶部。

按上述方案，所述的电源包括锂电池组、太阳能电池板和电源管理模块，太阳能电池板固定在主船体外壳的顶部，太阳能电池板获得的电能存储在锂电池组中，并由电源管理模块管理以及为定位模块、罗经、控制器、远程通讯模块、主推进器、回转推进器和舵机供电。

按上述方案，所述的远程通讯模块为4G或5G路由器。

本发明的有益效果为：通过采用柱形的主船体结构，具有操纵性良好、易原地回转的优点，同时具有结构简单牢固、安装简易、维护成本低等特点；采用吊舱式的主推进器和回转推进器相结合的方式实现推进和回转，相比传统动力定位系统具有操控逻辑简单、成本低、易维护更换和易控制。

附图说明

图1是本发明一实施例的系统安装示意图。

图2是本发明一实施例的系统结构示意图。

图3是本发明自主定位控制子系统定位流程示意图。

图4是本发明自主定位控制子系统航向跟踪算法原理图。

图中：1-主船体外壳，2-自主定位控制子系统，3-密封舱盖，4-吊舱支撑座，5-主推进器，6-回转推进器，7-主螺旋桨，8-主推进器导管，9-回转螺旋桨，10-舵机，11-舵叶，12-定位模块，13-太阳能电池板，14-锂电池组。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种简易自主动力定位和水上航行能力的平台，如图1和图2所示，包括柱状的主船体外壳1，本实施例中，所述的主船体外壳为圆柱体，所述的回转推进器连接在圆柱体的中心轴上。主船体外壳1的顶部设有密封舱盖3；主船体外壳1的底部通过吊舱支撑座4连接有主推进器5和回转推进器6，主推进器5上连接有主螺旋桨7和主推进器导管8，回转推进器6上连接有回转螺旋桨9；主船体外壳1内设有自主定位控制子系统2和舵机10，舵机10连接有延伸到主船体外壳1外部的舵叶11。

所述的自主定位控制子系统2包括定位模块12、罗经、电源、控制器和远程通讯模块。本实施例中，定位模块12为北斗/GPS多模终端，设置在主船体外壳1的顶部。所述的电源包括锂电池组14、太阳能电池板13和电源管理模块，太阳能电池板13固定在主船体外壳1的顶部，太阳能电池板13获得的电能存储在锂电池组14中，并由电源管理模块管理以及为定位模块12、罗经、控制器、远程通讯模块、主推进器5、回转推进器6和舵机10供电。远程通讯模块为4G或5G路由器。

定义三个阈值：第一预设阈值表示动力定位控制的目标距离偏差门限值，即每次距离误差大于该阈值时，启动接近目标点的过程；第二预设阈值表示动力定位控制的目标距离偏差目标值，即每次距离偏差小于该阈值时主推进器停机；夹角阈值表示艏向角误差门限值，即接近目标点的过程中，平台艏向角大于该阈值时，需要转向操作。

其中，如图3所示，控制器按照以下步骤进行控制：

S1、通过远程通讯模块获取岸基的控制指令，得到目标位置；以主推进器推力方向为艏向，通过定位模块和罗经感知本平台的实时位置和艏向角。

如图4所示，本实施例中，4G/5G路由器接收到来自岸基的控制指令报文，包括目标点经纬度，通过串口传输至自主定位控制子系统2的控制器，通过板载解析程序得到目标位置。

北斗/GPS多模终端和罗经感知平台的实时位置和艏向角(以主推进器推力方向为艏向)，通过串口传输至自主定位控制子系统2的控制器，通过板载解析程序得到当前位置和艏向角。

S2、当本平台实时位置与目标位置的距离超过第一预设阈值时，计算目标位置相对平台实时位置的目标方位角，控制回转推进器和舵机，调整平台艏向角至目标方位角，并控制主推进器，推动平台向目标位置航行。

如图4初始阶段所示，利用控制器的板载控制程序分析实时位置(经纬度)与目标位置(经纬度)距离S₁：

式中，Lon_Des为目标位置经度，Lat_Des为目标位置纬度，Lon_Now为当前位置经度，Lat_Now为当前位置纬度。判断是否超过第一预设阈值，若不超过则不动作；若超过第一预设阈值，则计算目标位置相对平台实时位置的目标方位角以及平台当前艏向角，计算艏向偏差角Δθ，若偏差角Δθ小于夹角阈值，则向舵机10发出指令调整舵角至零舵角，向电机驱动器发出指令，控制主推进器5、回转推进器6转动，推动平台向目标位置航行接近。若艏向偏差角Δθ大于夹角阈值，则向电机驱动器发出指令：

控制回转推进器6转动，向舵机10发出指令，带动舵叶11转至顺舵状态，调整平台艏向角至目标方位角。

S3、向目标位置航行的过程中，不断监测和调整本平台当前艏向角和目标方位角，使得本平台当前艏向角与目标方位角的角度差在一定范围内；若大于夹角阈值，则向舵机发出指令调整航向。直至本平台实时位置与目标位置之间的距离小于第二预设阈值，停止主推进器、回转推进器和舵机；第一预设阈值大于第二预设阈值。

本发明设计一种基于简易动力定位技术、卫星定位技术的水上自主动力定位平台，旨在实现水上平台的自主定位与自主航行。本发明提出的一种简易动力定位技术作为一种水上平台位置控制技术，实现了无人水上平台的快速、可靠的动力定位功能以及良好的回转性能，具有结构简单、成本低、可靠性高、自主定位流程简单、收放简单快捷的优势。结合卫星定位技术对无人水上平台的经纬度进行感知，利用搭载的微型控制器对目标经纬度与当前平台经纬度进行对比，进而计算获得控制指令。再将控制指令分解到推进器和回转推进器，完成水上平台的回转和航行动作，最终实现自主动力定位。达到了航道管理部门对于航标的快速应急部署需求，达到了海上船舶管理以及军方对于海上船只、军舰、潜艇声纹信号的长期采集需求。

本发明中主船体使用圆柱形船体结构，具有操纵性良好、易原地回转的优点，同时具有结构简单牢固、安装简易、维护成本低等特点。采用吊舱式主推进器和回转推进器相结合的方式实现推进和回转，相比传统动力定位系统具有操控逻辑简单、成本低、易维护更换、易控制等优点。本发明中自主定位控制子系统，采用卫星定位技术，具有精度高，实时性好特点。

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。