一种无人艇搭载无人机起降装置、起降控制系统及控制方法与流程

本发明涉及一种无人船舶控制技术，特别涉及一种半潜式无人艇搭载无人机起降装置、起降控制系统及控制方法。

背景技术：

海洋资源的开发和利用已成为世界所趋、国家大势；受海洋的自然条件和人类自身的生理条件限制，单凭人力自身或有人驾驶操纵的船舶很难全面利用海洋资源，无人艇作为一种维护成本低，使用效率高的新兴海洋装备，是深化海洋资源开发与国家海洋利益保护中不可或缺的重要装备；其中半潜式无人艇采用了单体筒式浮体与小型隐身控制舱相结合的船体结构，这种结构既保证了小艇的自扶正功能，也改善了小型艇体的摇晃性，与传统水面无人艇相比，有效减少了艇体的雷达反射面，提高了无人艇在执行侦察任务时的隐身性。

通常情况下，目前常规的半潜式无人艇未配备有舰载无人机，如中国实用新型（申请号cn201920181663.6）公开了一种适用于高海况的半潜式无人艇方案，提出了一种基于防水电动伸缩杆搭载观察设备的侦察方法。中国专利（申请号201510760006.3）公开了一种无人船载无人机混合系统，该系统包括水面船体、船载动力设备和船载应用设备和无人机，该混合系统可以使得水面无人船弥补在空域垂向方向作业的劣势。中国专利（申请号201910144289.7）公开了一种无人船无人机协作系统及控制方法，提出了一种起降充电一体化的装置设计方案，采用云台隔离船体的摇摆运动，用缓冲装置防止无人机降落过程中的冲撞，用固定装置配合无人机的起降。

上述第一种方法中仅涉及一种传统半潜式无人艇的方案介绍，系统防水电动伸缩杆结构复杂，伸高高度有限，很难从根本上弥补半潜式无人艇无法观察远处物体的缺点；

上述第二种和第三种方法均涉及一种水面无人船载无人机混合系统，该方案首先要求实施在有稳定平台的水面无人船上，且无人船与无人机之间采用无线通讯或卫星通信装置，在恶劣海况下可能随时出现通讯中断而导致无人机坠机，侦察资料丢失的情况，此种情况下，上述方案均无可靠的控制无人机方案。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种集成度高、安全可靠的无人艇搭载无人机起降装置、起降控制系统及控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明的无人艇搭载无人机起降装置，包括安置在半潜式无人艇的控制舱上盖底部的能够相对移动的一号限位机构和二号限位机构以及安置在控制舱下盖内的卷扬机绞盘和能够驱动卷扬机绞盘动作的卷扬机电机，控制舱上盖上方安置有无人机，无人机的侦察模块能够伸向控制舱上盖下方并由一号限位机构和二号限位机构进行夹紧固定，卷扬机绞盘上缠绕的通信绳索与无人机的侦察模块连接并能够在卷扬机绞盘的带动下释放或收回，卷扬机电机、无人机的控制器以及一号限位机构和二号限位机构的控制端均与起降控制系统连接并能够在起降控制系统的控制下运行。

所述一号限位机构和二号限位机构的控制端包括能够控制一号限位机构的一号直线电机和能够控制二号限位机构的二号直线电机,所述一号限位机构包括控制舱上盖底部设置的一号丝杠导轨以及与一号丝杠导轨配合安装的一号限位块，所述二号限位机构包括控制舱上盖底部设置的二号丝杠导轨以及与二号丝杠导轨配合安装的二号限位块，所述一号直线电机与一号丝杠导轨连接，所述二号直线电机与二号丝杠导轨连接。

所述卷扬机绞盘固定安装在控制舱安装托盘上，所述降控制系统同样固定安装在安装托盘上。

一种上述无人艇搭载无人机起降装置的起降控制系统，包括控制单元、用于驱动一号直线电机的一号直线电机驱动器、用于驱动二号直线电机的二号直线电机驱动器、与一号直线电机驱动器连接的一号方向位置控制模块以及与二号直线电机驱动器连接的二号方向位置控制模块，所述控制单元通过通讯线连接一号方向位置控制模块和二号方向位置控制模块，所述控制单元还连接有微惯导姿态传感器、gps/北斗位置传感器以、卷扬机电机以及无人机控制器。

所述控制单元上集成有pwm输出模块、gpio数字量信号输入输出模块、模拟信号输入输出模块以及prot0串口通讯模块和prot1串口通讯模块，所述模拟信号输入输出模块与卷扬机电机通过信号线相连，所述gpio数字量信号输入/输出模块与微惯导位姿传感器和gps/北斗位置传感器通过信号线相连；prot0串口通讯模块通过通信绳索与无人机控制器实现有线通讯。

所述pwr电源模块连接锂电池，所述锂电池与一号方向位置控制模块和二号方向位置控制模块连接。

所述控制单元为s7-200plc控制器。

一种基于无人艇搭载无人机起降装置控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤a：上电后，使控制单元初始化、一号直线电机、二号直线电机、卷扬机电机初始化，一号限位机构、二号限位机构归零动作；

步骤b：接到无人机起飞侦察命令，并将无人机控制指令目标数据经过通信绳索传递至无人机控制器中；

步骤c：无人机控制器收到控制指令准备起飞，控制单元通过信号线分别向一号电机驱动模块及二号电机驱动模块的pwm输出模块发送动作信号，一号直线电机和二号直线电机执行动作，一号限位机构和二号限位机构释放无人机，无人机即时起飞开始侦察任务；

步骤d：当无人机侦察完毕后，控制单元通过通信绳索向无人机发送返航指令，同时将无人艇目前位置信息，姿态角信息发送给无人机控制器，当返航正常时，无人机控制器实时将半潜式无人艇位置信息与姿态角信息作为飞行目标，实时修正目标位置、姿态角误差，引导无人机降落在控制舱上盖上；当无人机侦察模块压入控制舱上盖下方后，控制单元通过信号线分别向一号直线电机驱动模块及二号直线电机驱动模块pwm输出端口发送动作信号，一号直线电机和二号直线电机执行动作，一号限位机构和二号限位机构固定无人机，最后，控制单元通过模拟量输入输出端口向卷扬机电机发出动作指令，电机正转，收紧通信绳索，从而从垂直方向固定住无人机。

步骤e：当返航出现通信中断、无人机失去控制时，控制单元立即通过模拟量输入输出端口向卷扬机电机驱动器和卷扬机电机发出动作指令，电机正转，收紧通信绳索，直接回收无人机，并向岸基撤离。

本发明的优点在于：

1、其结构设计巧妙，安装方便，不但能实现半潜式无人艇起降无人机的操作，而且无人机在降落至无人艇后，限位机构和通信绳索可以很好的固定住无人机，可靠性好；此外，由于无人机执行任务时搭载通信绳索，既保证了与半潜式无人艇远程实时通信的可靠性，又可在通信失败（遭到信号干扰失去控制），无人机失去控制后回收机体及机上侦察数据，极大的提高了无人机执行任务时的安全系数。

2、在控制系统上，基于s7-200控制器的起降控制系统采用微惯导姿态传感器、gps/北斗定位传感器、直线电机、卷扬机电机和s7-200控制器相结合的硬件控制架构，避免了传统人工遥控控制无人机起降过程中可能存在较大安全隐患的问题。

3、其整体机械结构和控制系统有机结合，相辅相成，不但在结构上设计巧妙，安装方便，而且自动化程度高，实现了半潜式无人艇舰载无人机的起降功能，可以满足不同尺寸、不同类型半潜式无人艇舰载无人机的起降控制要求，集成度高，具备一定通用性。

附图说明

图1为本发明无人艇搭载无人机起降装置的使用状态结构示意图；

图2为本发明中控制舱与无人机安装状态示意图；

图3为本发明中无人艇搭载无人机起降装置的分解结构示意图；

图4为本发明中无人艇搭载无人机起降装置的控制系统原理框图；

图5为本发明中无人艇搭载无人机起降过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的无人艇搭载无人机起降装置、起降控制系统及控制方法作进一步详细说明。

实施例一：

如图1、图2所示，某小型无人隐身电动艇在外形设计方面采用了单体筒式浮体与小型隐身控制舱1相结合的船体结构；这种结构既保证了小艇的自扶正功能，也改善了小型艇体的摇晃性，有效减少了艇体的雷达反射面，提高了无人艇的隐身性；为了增加无人艇侦察范围，舰载无人机2可通过本发明的无人艇搭载无人机起降装置、起降控制系统实现在半潜式无人艇的正常起降，通信绳索3内部为光纤通信线，外部为高强度尼龙材质，与无人机底部相连接，能够通过光纤通信线传输无人机侦察数据和无人艇下达的控制指令；当在无人机出现故障时，可通过通信绳索回收无人机的机体。

如图3所示，本实施例的无人艇搭载无人机起降装置，包括安置在半潜式无人艇顶部控制舱上盖4底部的能够相对移动的一号限位机构6和二号限位机构7以及安置在控制舱下盖内的卷扬机绞盘10和能够驱动卷扬机绞盘动作的卷扬机电机13，由图可见，卷扬机绞盘10通过螺栓固定安装在控制舱安装托盘11上与卷扬机电机通过联轴器连接，控制舱上盖4上方安置有无人机，无人机的侦察模块8能够伸向控制舱上盖4下方并由一号限位机构6和二号限位机构7进行夹紧固定，卷扬机绞盘10上缠绕的通信绳索3与无人机的侦察模块8连接并能够在卷扬机绞盘10的带动下释放或收回，卷扬机电机13、无人机的控制单元以及一号限位机构6和二号限位机构7的控制端均与起降控制系统连接并能够在基于s7-200plc控制器的起降控制系统的控制下运行，基于s7-200plc的降控制系统同样固定安装在安装托盘11上，由图3可见，所说的一号限位机构6和二号限位机构7的控制端，包括能够控制一号限位机构6的一号直线电机15和能够控制二号限位机构7的二号直线电机16,一号限位机构包括控制舱上盖4底部设置的一号丝杠导轨以及与一号丝杠导轨配合安装的一号限位块，二号限位机构7包括控制舱上盖4底部设置的二号丝杠导轨以及与二号丝杠导轨配合安装的二号限位块，一号直线电机15与一号丝杠导轨连接，二号直线电机16与二号丝杠导轨连接，一号直线电机15和二号直线电机16工作时，在丝杠导轨的传动下推动一号限位块和二号限位块移动并水平固定住无人机侦察模块8，当无人机起飞后，卷扬机绞盘10反转，通信绳索3释放，当卷扬机电机13正转时通信绳索收回。

实施例二：

本实施例的半潜式无人艇搭载无人机起降装置的起降控制系统，包括s7-200plc控制器、用于驱动一号直线电机的一号直线电机驱动器、用于驱动二号直线电机的二号直线电机驱动器、与一号直线电机驱动器连接的一号em253方向位置控制模块以及与二号直线电机驱动器连接的二号em253方向位置控制模块，一号直线电机通过信号线与一号直线电机驱动器连接，二号直线电机通过信号线与二号直线电机驱动器连接。s7-200plc控制器上集成有pwr电源模块、gpio数字量信号输入输出模块、模拟信号输入输出模块、prot0串口通讯模块和prot1串口通讯模块。gpio数字量信号输入/输出模块通过信号线连接有用于感知半潜式无人艇周围环境的云台、用于获取半潜式无人艇姿态角的微惯导位姿传感器和用于定位的gps/北斗位置传感器，模拟量输入输出模块端口通过信号线与卷扬机电机的驱动器相连，卷扬机电机与卷扬机电机驱动器通过信号线连接；prot0串口通讯模块通过通信绳索3与无人机控制器实现有线通讯，从而能够接收无人机侦察模块发送的实时侦察数据并反馈s7-200plc控制器对无人机下达的控制指令，s7-200plc控制器通过通讯线连接一号em253电机驱动模块和二号em253电机驱动模块，pwr电源模块连接24v锂电池，24v锂电池与一号方向位置控制模块（一号em253电机驱动模块）和二号方向位置控制模块（二号em253电机驱动模块）连接，由图4可见，一号em253电机驱动模块和二号em253电机驱动模块均集成有igbt整流逆变模块和pwm脉冲输出端口，其中，igbt整流逆变模块均经过igbt整流逆变接口与24v锂电池相连，一号em253方向位置控制模块的pwm脉冲输出接口（端口）通过通讯线与一号直线电机驱动器的脉冲输入接口相连，二号em253方向位置控制模块的pwm脉冲输出接口（端口）通过通讯线与二号直线电机驱动器的脉冲输入接口相连，24v锂电池通过pwr电源模块给s7-200控制器、一号em253方向位置控制模块、二号em253方向位置控制模块、微惯导姿态传感器15和gps/北斗位置传感器供电，安装时，s7-200plc控制器、一号直线电机驱动器、二号直线电机驱动器、一号em253方向位置控制模块、二号em253方向位置控制模块、微惯导姿态传感器、gps/北斗位置传感器依次安装在控制舱中部位置的安装托盘上。

实施例三：

本实施例的基于半潜式无人艇搭载无人机起降装置控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤a：整个控制系统上电后，使s7-200plc控制器初始化、一号直线电机15、二号直线电机16、卷扬机电机13初始化，一号限位机构、二号限位机构归零动作；

步骤b：控制系统接到无人机起飞侦察命令，并将无人机控制指令目标数据经过通信绳索传递至无人机控制器中；

步骤c：无人机控制器收到控制指令准备起飞，s7-200plc控制器通过信号线分别向一号em253电机驱动模块及二号em253电机驱动模块的pwm输出模块发送动作信号，一号直线电机和二号直线电机执行动作，一号限位机构和二号限位机构释放无人机，无人机即时起飞开始侦察任务；

步骤d：当无人机侦察完毕后，s7-200plc控制器通过通信绳索向无人机发送返航指令，同时将无人艇目前位置信息，姿态角信息发送给无人机控制器，当返航正常时，无人机控制器实时将半潜式无人艇位置信息与姿态角信息作为飞行目标，实时修正目标位置、姿态角误差，引导无人机降落在控制舱上盖上；当无人机侦察模块压入控制舱上盖下方后，s7-200plc控制器通过信号线分别向一号em253电机驱动模块及二号em253电机驱动模块的pwm输出端口发送动作信号，一号直线电机和二号直线电机执行动作，一号限位机构和二号限位机构固定无人机，最后，s7-200plc控制器通过模拟量输入输出端口向卷扬机电机发出动作指令，电机正转，收紧通信绳索，从而从垂直方向固定住无人机。

步骤e：当返航出现通信中断、无人机失去控制时，s7-200plc控制器立即通过模拟量输入输出端口向卷扬机电机发出动作指令，电机正转，收紧通信绳索，直接回收无人机，并向岸基撤离，最终保证半潜式无人艇搭载无人机起降的控制要求。

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