一種基于氫燃料電池技術的無人船的制作方法

1.本發明涉及船舶自動駕駛技術領域，具體為一種基于氫燃料電池技術的無人船。


背景技術：

2.現有技術中，船舶的驅動主要采用內燃機。內燃機釋放出的熱能使氣缸內產生高溫高壓的燃氣，燃氣膨脹推動活塞運動，再通過曲柄連桿機構或其他機構將機械功輸出，驅動葉輪設備工作。這個過程不斷重復。但是隨著國家對環保要求的提高，內燃機驅動方式對環境帶來的污染已滿足不了國家對環保的要求。氫燃料電池是一種將燃料與氧化劑通過電解質將其化學能直接轉化為電能的裝置。氫燃料電池的電極本身不包含活性儲能物質，只是催化轉化元件，并且燃料電池常見的排放物為水，具有高效、無污染等特點，因此氫燃料電池在船舶上的應用前景巨大。
3.另外自動駕駛技術在汽車和工業領域已經持續發展多年，技術趨于成熟，但在船舶的應用上目前在國內基本處于起步階段。傳統的內河和近海領域貨運船舶基本靠船員駕駛和維護，船員長時間的駕駛船舶，對身體造成無法逆轉的傷害，為此在前述氫燃料電池的基礎上，我們設計了基于氫燃料電池技術的無人船。


技術實現要素：

4.針對現有技術存在的上述不足，本發明提供了一種基于氫燃料電池技術的無人船，本發明利用氫燃料電池作為無人船的動力源，將船舶的能源供給更加綠色、環保。提供的自動駕駛功能，將先進的自動駕駛技術引入船舶領域，為內河和近海的貨運作業、觀光旅游船行業帶來更加智能、高效、環保、便利的作業環境，降低更多的勞動強度，帶來更大的社會效益和經濟效益。
5.本發明提供如下技術方案：一種基于氫燃料電池技術的無人船，包括氫燃料電池管理系統、人機交互系統、通訊系統、imu、全球衛星定位系統、障礙物解析系統、激光雷達裝置、毫米波雷達裝置、視覺檢測裝置、驅動解析模塊、驅動伺服系統、轉向伺服系統、擋位伺服系統；
6.所述激光雷達裝置主要用于探測中短距離障礙物信息，經過障礙物解析模塊處理后輸出障礙物距離及輪廓數據，供mcu高級輔助駕駛系統決策用；
7.所述毫米波雷達裝置主要用于探測中長距離障礙物信息，經過障礙物解析模塊處理后輸出障礙物距離及速度信息，供mcu高級輔助駕駛系統決策用；
8.所述視覺檢測裝置主要用于探測短距離障礙物信息，由于視覺檢測裝置受環境光影響較大，其作為激光雷達裝置的輔助檢測手段，提供近距離障礙物更多的紋理、形狀和分類等信息，以供mcu高級輔助駕駛系統決策用；
9.所述障礙物解析模塊用于解析分析激光雷達、毫米波雷達和視覺檢測裝置的數據并給出結構化分析結果，供mcu高級輔助駕駛系統決策用；
10.所述全球衛星定位系統主要用來采集無人船絕對坐標位置，以進行自動駕駛的路
徑規劃和導航；
11.所述imu主要進行姿態解算及實時捕獲無人船運行狀態；
12.所述驅動伺服系統由大功率伺服電機、伺服驅動器和水冷系統構成，用于接收驅動解析模塊的指令并將帶動噴泵的葉輪旋轉，從而驅動動力艇前進和后退；
13.所述轉向伺服系統由交流伺服電機及其伺服驅動器構成，用于接收驅動解析模塊的指令并將帶動噴泵矢量噴口轉動，從而實現動力艇的轉向動作；
14.所述擋位伺服系統由交流伺服電機及其伺服驅動器構成，用于接收驅動解析模塊的指令并將帶動噴泵翻斗轉動，從而實現動力艇的空擋、前進擋和倒擋的切換；
15.所述驅動解析模塊接收mcu的驅動指令，并根據驅動伺服系統、轉向伺服系統和擋位伺服系統的狀態，進行處理后輸出實時的驅動伺服系統、轉向伺服系統和擋位伺服系統的運行指令；
16.所述人機交互系統包括動力開關、儀表和一個高分辨率觸摸顯示屏；儀表用于實時顯示驅動伺服電機的轉速和溫度等狀態；觸摸顯示屏用于用戶進行參數配置和無人船的狀態顯示；
17.所述氫燃料管理系統屬于氫燃料電池的一部分，主要用于氫燃料電池的運行實時狀態和mcu的交互，用于啟停、監控、控制氫燃料電池；
18.所述通訊系統主要負責無人船與地面控制站的通訊，包括動作和任務下發、無人船的運行狀態回傳和任務執行狀態回傳；
19.所述mcu是氫燃料動力艇的大腦，負責進行監控監測和控制各個子模塊的運行狀態。
20.與現有技術對比，本發明具備以下有益效果：
21.該基于氫燃料電池技術的無人船，氫燃料電池負責給伺服驅動系統、通訊系統、捷聯慣導系統、障礙物檢測裝置、mcu、人機交互系統和其他輔助電氣系統供電。伺服電機系統和轉向電機系統負責接收指令并輸出動力到噴泵；通訊系統負責無人船與岸基調度系統進行通訊，以完成指令下發、任務執行和狀態監控；捷聯慣導系統負責對無人船的全局絕對位置和姿態的準確測量；障礙物檢測裝置負責采集分析障礙物信息并發送給mcu；mcu作為中央處理單元，負責整個動力艇的集中控制，人機交互系統負責實時展示動力艇個裝置運行狀態、障礙物信息、聲光報警及運行時參數的設置和動作執行。
22.該發明利用氫燃料電池作為無人船的動力源，將船舶的能源供給更加綠色、環保，提供的自動駕駛功能，將先進的自動駕駛技術引入船舶領域，為內河和近海的貨運作業、觀光旅游船行業帶來更加智能、高效、環保、便利的作業環境，降低更多的勞動強度，帶來更大的社會效益和經濟效益。
附圖說明
23.圖1為本發明結構示意圖；
24.圖2為本發明無人船單次任務執行控制邏輯圖；
25.圖3為本發明無人船多次任務執行控制邏輯圖；
26.圖4為本發明激光雷達對無人船作用的控制邏輯圖；
27.圖5為本發明毫米波雷達對無人船作用的控制邏輯圖。
具體實施方式
28.為了使本公開實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本公開實施例的附圖，對本公開實施例的技術方案進行清楚、完整地描述，為了保持本公開實施例的以下說明清楚且簡明，本公開省略了已知功能和已知部件的詳細說明，以避免不必要地混淆本發明的概念。
29.請參閱圖1，一種基于氫燃料電池技術的無人船，包括氫燃料電池管理系統、人機交互系統、通訊系統、imu、全球衛星定位系統、障礙物解析系統、激光雷達裝置、毫米波雷達裝置、視覺檢測裝置、驅動解析模塊、驅動伺服系統、轉向伺服系統、擋位伺服系統；
30.所述激光雷達裝置主要用于探測中短距離障礙物信息，經過障礙物解析模塊處理后輸出障礙物距離及輪廓數據，供mcu高級輔助駕駛系統決策用；
31.所述毫米波雷達裝置主要用于探測中長距離障礙物信息，經過障礙物解析模塊處理后輸出障礙物距離及速度信息，供mcu高級輔助駕駛系統決策用；
32.所述視覺檢測裝置主要用于探測短距離障礙物信息，由于視覺檢測裝置受環境光影響較大，其作為激光雷達裝置的輔助檢測手段，提供近距離障礙物更多的紋理、形狀和分類等信息，以供mcu高級輔助駕駛系統決策用；
33.所述障礙物解析模塊用于解析分析激光雷達、毫米波雷達和視覺檢測裝置的數據并給出結構化分析結果，供mcu高級輔助駕駛系統決策用；
34.所述全球衛星定位系統主要用來采集無人船絕對坐標位置，以進行自動駕駛的路徑規劃和導航；
35.所述imu主要進行姿態解算及實時捕獲無人船運行狀態；
36.所述驅動伺服系統由大功率伺服電機、伺服驅動器和水冷系統構成，用于接收驅動解析模塊的指令并將帶動噴泵的葉輪旋轉，從而驅動動力艇前進和后退；
37.所述轉向伺服系統由交流伺服電機及其伺服驅動器構成，用于接收驅動解析模塊的指令并將帶動噴泵矢量噴口轉動，從而實現動力艇的轉向動作；
38.所述擋位伺服系統由交流伺服電機及其伺服驅動器構成，用于接收驅動解析模塊的指令并將帶動噴泵翻斗轉動，從而實現動力艇的空擋、前進擋和倒擋的切換；
39.所述驅動解析模塊接收mcu的驅動指令，并根據驅動伺服系統、轉向伺服系統和擋位伺服系統的狀態，進行處理后輸出實時的驅動伺服系統、轉向伺服系統和擋位伺服系統的運行指令；
40.所述人機交互系統包括動力開關、儀表和一個高分辨率觸摸顯示屏；儀表用于實時顯示驅動伺服電機的轉速和溫度等狀態；觸摸顯示屏用于用戶進行參數配置和無人船的狀態顯示；
41.所述氫燃料管理系統屬于氫燃料電池的一部分，主要用于氫燃料電池的運行實時狀態和mcu的交互，用于啟停、監控、控制氫燃料電池；
42.所述通訊系統主要負責無人船與地面控制站的通訊，包括動作和任務下發、無人船的運行狀態回傳和任務執行狀態回傳；
43.所述mcu是氫燃料動力艇的大腦，負責進行監控監測和控制各個子模塊的運行狀態。
44.無人船單次任務執行控制邏輯，如圖2所示，所述無人船單次任務執行完畢后，無
人船將等待地面控制站下發下一次任務，在執行下一次任務之前，無人船將不做任何動作，但實時反饋無人船姿態、位置、設備運行狀態等監控數據到地面控制站。
45.無人船多次任務執行控制邏輯，如圖3所示，所述無人船多次任務執行過程中，沒執行完一次任務后將自動判斷所有任務是否執行完畢，否則執行依次按順序執行下一條任務，所有任務執行完畢后，無人船將等待地面控制站下發下一次任務，在執行下一次任務之前，無人船將不做任何動作，但實時反饋無人船姿態、位置、設備運行狀態等監控數據到地面控制站。
46.激光雷達對無人船作用的控制邏輯如圖4所示，所述激光雷達裝置主要用于障礙物距離識別。根據激光雷達裝置測量的距離，設置了三段控制，閾值1范圍外不作動作，閾值1范圍內地面控制站和觸摸顯示屏將警示，進入閾值2范圍內，自動駕駛系統將主動規劃局部路徑繞開障礙物；進入閾值3 范圍內，自動駕駛系統將緊急停機，以迫使無人船保持停止以免發生碰撞危險。
47.毫米波雷達對無人船作用的控制邏輯如圖5所示，所述毫米波雷達除了提供距離障礙物的距離信息，還可提供障礙物的速度信息，以供自動駕駛系統決策用。除了在前述激光雷達根據距離作出三段安全防護措施，毫米波雷達還可根據無人船行進速度與障礙物速度的關系進行避障處理，當無人船速度低于障礙物行進速度時，無人船按原規劃路徑運行；當無人船速度高于障礙物行進速度并在三段安全防護距離范圍內，將采取重新規劃局部路徑繞開障礙物或緊急停機處理。
48.視覺檢測裝置的主要控制邏輯與激光雷達裝置的控制邏輯類似，但視覺檢測裝置將障礙物類型分類更細，如人、船、水面漂浮物、岸邊等障礙物進行結構化識別，進而可進行可視化展示，并針對障礙物的安全等級進行相應的行船減速處理。
49.以上實施例僅為本發明的示例性實施例，不用于限制本發明，本發明的保護范圍由權利要求書限定。本領域技術人員可以在本發明的實質和保護范圍內，對本發明做出各種修改或等同替換，這種修改或等同替換也應視為落在本發明的保護范圍內。