本發(fā)明涉及一種無人作業(yè)的自動化裝置，具體地涉及一種基于物聯(lián)網(wǎng)的無人作業(yè)智能船無人作業(yè)智能船裝置及控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

無人船作為一種智能化、自動化、無人化、網(wǎng)絡(luò)化的水面運(yùn)載工具，在水域生態(tài)監(jiān)控、水上作業(yè)等方面發(fā)揮了極其重要的作用。隨著產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展和無人船目的性的增強(qiáng)，包括避障、根據(jù)采集數(shù)據(jù)智能作業(yè)和要具備一定自檢能力等實際問題亟待解決。另外，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，利用計算機(jī)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等對原有的生產(chǎn)方和管理方式進(jìn)行升級改造也成為一大創(chuàng)新需求。

中國專利文獻(xiàn)CN 205785296公開了一種智能無人水域監(jiān)測平臺，包括船體、船體上的APM自駕導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、拍攝系統(tǒng)、圖像傳輸系統(tǒng)、OSD視頻疊加系統(tǒng)、3DR數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、電源等、控制系統(tǒng)以及設(shè)置在甲板上的推進(jìn)裝置。該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)航線自動駕駛，GPS定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位和自動返航，通過3DR無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實時傳輸監(jiān)測及航行數(shù)據(jù)，圖像傳感器拍攝到的視頻及圖片可通過無線圖像傳輸系統(tǒng)回傳至視頻監(jiān)控端，并將地理信息位置、電源電壓電流信息以及其他采集信息一并疊加傳輸?shù)斤@示屏上。該智能無人水域監(jiān)測平臺只能用于監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且智能化程度不高，只能依據(jù)設(shè)定的路線行駛，控制方式單一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種無人作業(yè)智能船無人作業(yè)智能船裝置及控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)自主巡航，自動避障，自動回充，可以與智能終端通信，能根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)控制無人作業(yè)的智能船，同時為方便對智能船和水域監(jiān)控管理，提供能隨時查看智能船行駛軌跡、船體電量狀態(tài)，養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)參數(shù)，控制智能船工作。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種無人作業(yè)智能船裝置，包括智能船本體，所述智能船本體設(shè)置有主控制模塊，所述主控制模塊連接有導(dǎo)航系統(tǒng)、水質(zhì)檢測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)傳輸模塊，所述水質(zhì)檢測系統(tǒng)包括設(shè)置于智能船本體下部的傳感器模塊，所述導(dǎo)航系統(tǒng)包括北斗和GPS雙模定位模塊、及指南針模塊，所述主控制模塊還連接有執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測距模塊、及電量檢測系統(tǒng)。

優(yōu)選的，所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)至少包括喂食裝置、增氧設(shè)備。

優(yōu)選的，所述喂食裝置通過底座支架安裝在智能船本體上，包括上腔體和下腔體，所述上腔體頂部一側(cè)設(shè)置有一出料口，所述上腔體靠近出料口設(shè)置有限位撥輪，所述下腔體設(shè)置有電機(jī)，所述電機(jī)通過轉(zhuǎn)軸連接轉(zhuǎn)動齒輪組，所述轉(zhuǎn)動齒輪組驅(qū)動上腔體轉(zhuǎn)動，所述上腔體底部設(shè)置有限位凸起，所述下腔體內(nèi)壁上設(shè)置有與限位凸起配合的限位開關(guān)，所述限位凸起與限位開關(guān)相對設(shè)置。

優(yōu)選的，所述智能船本體設(shè)置有第一無線傳輸模塊，所述第一無線傳輸模塊與設(shè)置在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的第二無線傳輸模塊進(jìn)行通信，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。

優(yōu)選的，所述主控制模塊還連接回充對接系統(tǒng)，所述智能船本體的頂端設(shè)置有充電用防水接口，兩側(cè)設(shè)置有紅外接收裝置，所述紅外接收裝置用于接收設(shè)置在充電節(jié)點的紅外發(fā)射裝置發(fā)射的紅外信號，所述回充對接系統(tǒng)用于定位充電接點的位置并進(jìn)行充電控制。

優(yōu)選的，所述回充對接系統(tǒng)的定位方法為：

以安裝在智能船本體上的某一紅外接受裝置中為原點建立直角坐標(biāo)系，兩部紅外接受儀坐標(biāo)分別P1(x1,y1,z1)和P2(x2,y2,z2)，紅外發(fā)送儀所在坐標(biāo)為Q(xq,yq,zq)；實時計算兩部紅外接受儀與紅外發(fā)送儀的偏角，確定紅外發(fā)送儀即充電插頭的具體位置。

優(yōu)選的，主控制模塊控制導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行自動巡航，具體包括以下步驟：

S01：通過協(xié)議解析獲知當(dāng)前智能船本體所處的經(jīng)緯度信息；

S02：將該經(jīng)緯度與目標(biāo)點經(jīng)緯度進(jìn)行實時比對，計算船所需的與正北方向的目標(biāo)夾角，再通過I2C通行協(xié)議與指南針模塊進(jìn)行通信得到船與正北方向的實際夾角，將實際夾角與目標(biāo)夾角相減得到誤差值；

S03：將當(dāng)前誤差值、誤差值的微分和誤差值的積分分別乘以對應(yīng)的系數(shù)得到所需的電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差值，通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)船頭方向，使實際夾角與目標(biāo)夾角相同，當(dāng)前智能船本體所處的經(jīng)緯度信息與目標(biāo)點經(jīng)緯度相同時，結(jié)束自動巡航。

本發(fā)明還公開了一種無人作業(yè)智能船裝置的控制系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)傳輸模塊用于將數(shù)據(jù)實時傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器，所述遠(yuǎn)程服務(wù)器與智能終端數(shù)據(jù)通信，所述智能終端內(nèi)設(shè)置有用于控制智能船的控制系統(tǒng)APP，所述控制系統(tǒng)APP用于顯示無人作業(yè)船的行駛軌跡和水質(zhì)參數(shù)；發(fā)送控制命令，包括設(shè)定無人船自動行駛的航線，控制無人船的航向，設(shè)定充電點地理經(jīng)緯坐標(biāo)和設(shè)定自動作業(yè)的數(shù)據(jù)閾值和時間。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是：

1、本發(fā)明的智能船具有避障功能，可自主巡航，并能根據(jù)現(xiàn)場采集的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行自動化作業(yè)?？梢宰詣訖z測電池狀態(tài)并可自動回充至充電節(jié)電充電。

2、通過GPRS傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器，用戶可以通過安裝在智能終端的控制系統(tǒng)APP，查看智能船的行駛軌跡、智能船當(dāng)前所處位置、水質(zhì)參數(shù)，并可通過APP對無人作業(yè)船遠(yuǎn)程控制，包括設(shè)定智能船自動行駛的航線，控制無人船的航向，設(shè)定充電點地理經(jīng)緯坐標(biāo)和設(shè)定無人船自動作業(yè)的數(shù)據(jù)閾值和時間等。

附圖說明

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

圖1 為本發(fā)明一種無人作業(yè)智能船裝置的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2 為本發(fā)明一種無人作業(yè)智能船裝置的電路原理圖；

圖3 為本發(fā)明一種無人作業(yè)智能船裝置的PID流程圖；

圖4為本發(fā)明避障流程圖；

圖5為本發(fā)明增氧機(jī)與喂食裝置的控制原理框圖；

圖6為本發(fā)明喂食裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明喂食裝置工作流程圖；

圖8為本發(fā)明回充系統(tǒng)的控制原理框圖；

圖9為本發(fā)明回充定位時計算原理圖；

圖10為本發(fā)明控制系統(tǒng)APP的功能模塊框圖；

圖11為本發(fā)明數(shù)據(jù)通信流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明了，下面結(jié)合具體實施方式并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本發(fā)明的概念。

實施例：

結(jié)合附圖和具體實施方式對本專利作進(jìn)一步說明：

如圖1所示，一種無人作業(yè)智能船控制系統(tǒng)，主要由四部分組成：無人作業(yè)智能船，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，充電節(jié)電，智能終端。

如圖2所示，無人作業(yè)智能船包括主控制模塊、導(dǎo)航系統(tǒng)、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、水質(zhì)檢測系統(tǒng)、超聲波測距模塊、喂食裝置、Si4432無線傳輸模塊、電量自檢電路模塊和紅外接收儀。

主控制模塊為STM32單片機(jī)，用于數(shù)據(jù)的處理和控制。

主控制模塊控制導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行自動巡航，自動巡航算法基于PID控制原理設(shè)計，控制簡單、精準(zhǔn)度高，PID算法流程圖如圖3所示。導(dǎo)航系統(tǒng)包括北斗和GPS定位模塊、指南針模塊，單片機(jī)通過AT指令與與導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信，并通過協(xié)議解析可獲知當(dāng)前船體所處的經(jīng)緯度信息，將該經(jīng)緯度與目標(biāo)點經(jīng)緯度進(jìn)行對比可以計算出船所需的與正北方向的夾角，再通過I2C通行協(xié)議與GY-273指南針模塊進(jìn)行通信得到船與正北方向的實際夾角，將實際夾角與理論夾角相減得到誤差值將當(dāng)前誤差值、誤差值的微分和誤差值的積分分別乘以對應(yīng)的系數(shù)得到所需的兩電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差值，通過改變兩電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)船頭方向，使實際夾角與理論夾角相同，最終實現(xiàn)自動巡航。

如圖4所示，超聲波測距模塊采用HC-SR04傳感器，該傳感器每200ms給該模塊的Trig信號引腳維持一個不少于10us的高電平信號，模塊自動循環(huán)發(fā)出8個40KHz的脈沖，則該模塊Echo引腳的回響高電平輸出時間與檢測距離成比例。通過計算回響引腳的高電平輸出時間，即可計算出船體與障礙物之間的距離。若計算出的距離小于設(shè)定的安全距離值，則會啟動導(dǎo)航船的自動避障程序，向障礙物來臨的反方向拐彎。

GPRS模塊為SIM808模塊，單片機(jī)通過串口與該?？焱ㄐ牛?jīng)過協(xié)議解析，實現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互，可通過該模塊向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，電池電量信息，也可接收來自APP客戶端的數(shù)據(jù)命令，然后將命令數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)中供單片機(jī)解析執(zhí)行。

水質(zhì)檢測系統(tǒng)包括水質(zhì)參數(shù)傳感器，水質(zhì)參數(shù)傳感器可以包括溶解氧傳感器，水溫傳感器，pH傳感器等等。

本實施例中溶解氧傳感器為DOB-300傳感器，單片機(jī)通過485通信接口與該傳感器通信可獲知當(dāng)前水中溶解氧的含量。

水溫傳感器為DS18B20傳感器，單片機(jī)通過IO口向該傳感器發(fā)送讀數(shù)據(jù)指令可獲知當(dāng)前水溫。

pH傳感器為工業(yè)pH/ ORP測試儀，單片機(jī)通過485通信接口與該傳感器通信可獲知當(dāng)前水中PH的含量。

超聲波測距模塊中的傳感器為世訊防水型兼容HC-SR04超聲波傳感器，單片機(jī)通過向該傳感器輸入觸發(fā)信號并檢測回響電平時間可計算出與前方障礙物的距離，該距離作為必要的避障控制參數(shù)參與自動避障的調(diào)節(jié)。

主控制模塊通過Si4432無線傳輸模塊與執(zhí)行機(jī)構(gòu)通信，單片機(jī)通過SPI數(shù)據(jù)通信協(xié)議可與該模塊收發(fā)數(shù)據(jù)包，該模塊作為對安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的Si4432接收模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送方，通過該模塊與接收方的數(shù)據(jù)通信可實現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以為投食裝置模塊或者增氧設(shè)備等等。

如圖5所示，增氧裝置、喂食裝置主要由三部分組成：51主控單片機(jī)，Si4432數(shù)據(jù)接收模塊，增氧和喂食設(shè)備； Si443數(shù)據(jù)接收模塊在51單片機(jī)的控制下接收來自智能船上的數(shù)據(jù)，當(dāng)單片機(jī)解析該數(shù)據(jù)為開啟或關(guān)閉增氧或投食設(shè)備的命令時，通過控制繼電器即可實現(xiàn)對增氧和喂食設(shè)備的控制。

電機(jī)驅(qū)動模塊可接收來自主控制模塊的PWM輸出，并以相應(yīng)頻率驅(qū)動智能船的兩個直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

喂食裝置可以搭載在智能船上，喂食裝置通過繼電器與單片機(jī)相連接，由單片機(jī)控制繼電器進(jìn)而控制喂食裝置的開啟與關(guān)閉，單片機(jī)可以根據(jù)所測的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行自動化智能控制，當(dāng)水質(zhì)參數(shù)中的某一參數(shù)低于設(shè)定閾值時，控制喂食裝置中的某一機(jī)構(gòu)進(jìn)行動作，將相應(yīng)物質(zhì)投入水中，當(dāng)該參數(shù)高于設(shè)定閾值時，停止動作。

喂食裝置的結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖6所示，喂食裝置采用圓柱形構(gòu)造，通過底座支架6安裝在智能船本體上，喂食裝置包括上腔體1和下腔體2，上腔體1頂部一側(cè)設(shè)置有一出料口3，上腔體1靠近出料口3設(shè)置有限位撥輪9，下腔體2設(shè)置有電機(jī)8，電機(jī)8通過轉(zhuǎn)軸連接轉(zhuǎn)動齒輪組4，轉(zhuǎn)動齒輪組4驅(qū)動上腔體1轉(zhuǎn)動，上腔體1底部設(shè)置有限位凸起7，下腔體2內(nèi)壁上設(shè)置有與限位凸起7配合的限位開關(guān)5，限位凸起7與限位開關(guān)5相對設(shè)置。電機(jī)帶動圓柱形喂食裝置旋轉(zhuǎn)，使得出料口自下而上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)灑落藥物，當(dāng)圓柱形喂食裝置的出料口轉(zhuǎn)到朝上位置時，限位凸起便會觸發(fā)限位開關(guān)使喂食裝置停止轉(zhuǎn)動，中止投藥過程。喂食裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的算法流程圖如圖7所示。

電量檢測系統(tǒng)包括電量自檢電路模塊，電量自檢電路模塊采用檢流電阻和放大器獲取船體電池電壓和電流，以一定采樣周期對所獲電流參數(shù)進(jìn)行積分運(yùn)算，以實時監(jiān)控船體電池電量并將電量信息通過GPRS傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器供APP客戶端查看。

主控制模塊連接回充系統(tǒng)，當(dāng)電量檢測系統(tǒng)檢測到電量低于設(shè)定閾值時，控制回充系統(tǒng)工作，回充系統(tǒng)用于定位充電接點的位置并進(jìn)行充電控制。

在智能船本體的兩側(cè)設(shè)置有紅外接收儀，紅外接收儀用作智能船自動回充時的精確定位導(dǎo)航，智能船首先根據(jù)用戶設(shè)定的充電節(jié)點的地理經(jīng)緯度坐標(biāo)行駛到充電點附近，而后紅外接收儀檢測安置在充電節(jié)點上的紅外發(fā)送儀發(fā)送的紅外信號，通過計算出紅外發(fā)送儀的具體位置即可自動到達(dá)充電點。

如圖8所示，充電節(jié)電包括充電插座和紅外發(fā)送儀，在智能船體的頂端設(shè)置有充電用防水接口，兩側(cè)安裝兩部紅外接收儀來接收由安裝在充電插座上的紅外發(fā)送儀發(fā)出的紅外信號進(jìn)行回充定位，當(dāng)智能船連接到充電插座上時，回充系統(tǒng)控制充電。其具體回充定位時精確定位的計算原理圖如圖9所示，以安裝在船體上的兩部紅外接受儀中的一部為原點建立直角坐標(biāo)系，圖中以P1為原點，則紅外發(fā)送儀所在坐標(biāo)為Q(xq,yq,zq),安裝在船體上的兩部紅外接受儀坐標(biāo)分別P1(x1,y1,z1)和P2(x2,y2,z2)，實時計算兩部紅外接受儀與紅外發(fā)送儀的偏角，確定紅外發(fā)送儀即充電插頭的具體位置。

如圖10所示，客戶端APP為智能船在各個水域監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行動態(tài)的監(jiān)視監(jiān)測，包括水質(zhì)參數(shù)，船體運(yùn)行軌跡，船體電池電量等，并利用百度地圖API圖層將監(jiān)測的結(jié)果可視化的呈現(xiàn)出來，從而做到對智能船的位置、狀態(tài)等信息的瀏覽、查詢和管理，APP客戶端也對無人作業(yè)船的航向、航向、自動作業(yè)的水質(zhì)閾值和工作時間有設(shè)定控制作用。

如圖11所示，APP客戶終端使用百度地圖開放的API技術(shù)進(jìn)行跟蹤定位，包括對BMAP類函數(shù)的調(diào)用等，使用SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和讀取，通過Google開放的Android API接口實現(xiàn)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)收發(fā)通信。

無人作業(yè)船可利用北斗、GPS的雙模定位與電子指南針的定向功能依照用戶設(shè)定的航線自動尋跡行駛，并沿途將采集的水質(zhì)參數(shù)包括PH，溶解氧，溫度等水質(zhì)參數(shù)通過GPRS傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器，用戶可以通過安裝在手機(jī)上的APP隨時查看無人作業(yè)船的行駛軌跡，無人船當(dāng)前所處位置，水質(zhì)參數(shù)，并可通過APP對無人作業(yè)船遠(yuǎn)程控制，包括設(shè)定無人船自動行駛的航線，控制無人船的航向，設(shè)定充電點地理經(jīng)緯坐標(biāo)和設(shè)定無人船自動作業(yè)的數(shù)據(jù)閾值和時間等。智能船可以根據(jù)用戶設(shè)定的水質(zhì)參數(shù)閾值、時間等參數(shù)進(jìn)行自動作業(yè)，一旦檢測到水質(zhì)參數(shù)超出用戶設(shè)定的閾值且符合工作時間，即可通過Si4432無線傳輸模塊開啟或關(guān)閉增氧機(jī)和喂食裝置，也能自動開啟或關(guān)閉搭載在船體上的喂食裝置。智能船在行駛過程中若檢測到前方有如水生植物，其他作業(yè)船只等障礙物時也可自動避障，當(dāng)智能船的自檢系統(tǒng)檢測到電池電量過低時智能船可自動回到充電節(jié)點進(jìn)行充電。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的上述具體實施方式僅僅用于示例性說明或解釋本發(fā)明的原理，而不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。因此，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。此外，本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在涵蓋落入所附權(quán)利要求范圍和邊界、或者這種范圍和邊界的等同形式內(nèi)的全部變化和修改例。