一种无人船自动靠岸系船系统的制作方法

本实用新型涉及无人船系统的智能控制应用领域，具体是一种无人船自动靠岸系船系统。

背景技术：

我国江河湖库众多，水系发达，湖泊、水库众多。近年来，围垦湖泊、侵占河湖水域、岸线等水生态空间现象时有发生；城市污水排放总量不断增长，水体污染问题日益突出；水体富营养化持续加剧，水环境质量明显下降；河湖管理保护范围水生态环境遭到严重破坏，一些河湖健康生命受到严重威胁，当前我国水安全管理的形势十分严峻。为加大对河湖生态环境的保护与管理，国家出台了全面推行河长制、湖长制的实施意见，全国各地需要加强对河流和湖泊水域的日常巡视和监测工作，野外管理工作十分繁重。

无人船在近代民用技术领域已经得到了快速发展，利用无人船平台搭载专业化设施设备并形成应用组合，可以代替人工承担河湖水域的全方位、全天候、全覆盖河湖巡查，同时实现多目标、定量化监测和信息化远程管理。

目前小型无人船主要采取人工投放式完成如水或出水操作，承担具体具体业务应用时自主航行，即具体作业时表现为无人化管理，但其开始或完成作业时需由人工投放或人工打捞，无法实现无人船自动离岸、靠岸和自动系船的无人化管理。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种无人船自动靠岸系船系统，可以实现无人船自动离岸、靠岸和自动系船的无人化管理。

本实用新型采取的技术解决方案是：

一种无人船自动靠岸系船系统，包括滑移式泊位架、浮式系船锁、浮式导向轨、系船防撞栏、控制箱、现地控制器，所述滑移式泊位架固定在河湖水域岸基形成码头设备，包括沿河湖岸滩设置的滑移轨道，所述浮式系船锁滑动设于所述滑移轨道；所述浮式系船锁与浮式导向轨连接形成整体，所述浮式导向轨可整体浮于河湖水面，开口端面向开阔水域，以引导无人船船头行进至浮式系船锁的锁止区，所述浮式系船锁包括与现地控制器连接的锁定装置；所述系船防撞栏为无人船按照系船锁动作和结构特征配置的专用锁架，所述现地控制器用于与无人船通信指挥无人船完成靠岸或离岸动作，控制锁定装置执行与所述系船防撞栏的闭锁或开锁动作。

进一步的，所述滑移式泊位架还包括固定钢管桩、桩头销钉铰，固定钢管桩顶部设有桩头，固定钢管桩埋置或敲击深入河湖岸坡形成岸滩泊位的固定基座，销钉铰与固定钢管桩通过桩头丝扣连接。

进一步的，所述滑移轨道包括u形槽支架、滑杆、滑环，u形槽支架沿着河湖岸坡放置，u形槽支架的一端与销钉铰铰接，u形槽支架中固定有滑杆，滑环套接在滑杆上，滑环用于与浮式系船锁连接。

进一步的，所述浮式导向轨包括两个导向轨固定座、与导向轨固定座固定连接且呈一定角度张开的两个导向轨、连接两个导向轨的弹性绳，两个导向轨固定座分别铰接在浮式系船锁两端。

进一步的，所述浮式系船锁还包括锁具箱体，所述锁定装置设于所述锁定装置内，所述锁定装置包括锁舌、锁舌伸缩系统、锁舌旋转系统，所述锁舌伸缩系统用于推动或拉动锁舌完成伸出或收缩动作，从而使锁舌进入系船防撞栏或从系船防撞栏退出，锁具闭锁时锁舌处于伸出状态，锁具开锁时锁舌处于收缩状态；所述锁舌旋转系统用于带动锁舌旋转，从而控制锁舌钩码段处于竖直或水平状态，锁舌竖直时锁具处于开锁状态，锁舌水平时锁具处于闭锁状态。

进一步的，所述锁舌伸缩系统包括锁舌伸缩电机、螺杆、齿轮、齿条和压紧轮，锁舌伸缩电机与螺杆通过联轴器对接；螺杆轴向方向每个锁舌对应位置套接传动齿轮；传动齿轮与齿条咬合接触；压紧轮为具有一定弹力的支撑结构，压紧轮通过压紧齿条，使得齿轮半径和齿条咬合接触协调；齿轮旋转带动齿条伸出或收缩，通过万向节推动或拉动锁舌伸出或收缩，锁舌伸缩电机与现地控制器连接。

进一步的，所述锁舌旋转系统包括锁舌旋转电机、蜗杆、涡轮和锁舌，锁舌旋转电机与蜗杆通过联轴器对接；蜗杆轴向方向每个锁舌对应位置套接传动涡轮；涡轮与蜗杆齿合接触，涡轮旋转带动锁舌旋转，锁舌旋转电机与现地控制器连接。

进一步的，锁具箱体顶部设有定位装置，锁具箱体内部设有电子罗盘，锁具箱体靠锁舌侧两端设有光电探测器，定位装置、电子罗盘和光电探测器与现地控制器连接。

进一步的，所述浮式系船锁还包括设于锁具箱体上的组合式浮块和锁具防护设备，通过配置浮块体积可精确控制浮式系船锁所处水面高程；所述锁具防护设备包括安装支架、导引罩、防护罩，安装支架固定在锁具箱体内，用于固定浮式系船锁的机械装置，导引罩和防护罩紧贴锁具箱体固定，导引罩用于引导靠岸船只系船防撞栏进驻锁舌格槽内，防护罩为弹性折叠结构，用于给相邻锁舌之间空档部位提供防冲击防护。

进一步的，所述现地控制器包括设备箱、箱电电源、配电板、主控板、无线通讯模块、步进电机驱动器、gps板，箱电电源通过配电板与主控板连接，无线通讯模块、步进电机驱动器、gps板均与主控板连接，主控板为负责指挥控制现地控制器各部件工作的核心部件，实现对无人船自动靠岸系统的供电、通讯、采集、控制功能，负责数据采集、指令解析、动作控制，并负责与无人船以及无人船控制中心的上位机进行信息交换。

本实用新型的有效效果：

(1)促进无人船技术应用体系实现全天候、全过程化的无人化管理，可替代解决现阶段传统无人船收放时段和停止作业时段，一般需要人工操作和人工值守的有人化管理模式。该实用新型装置的应用可对于需频繁使用无人船的河湖水域技术效益明显，可降低人工劳动强度和涉水作业安全风险，有效提升作业效率；

(2)提供了一种可快速部署的无人船码头方案，特别适用于偏远河段、需要重复或定期工作的河湖区域的无人船应用工作，适用于现阶段河长制和湖长制日常巡河工作的实际需要；

(3)具有适应环境地形能力强、结构小巧、部署方便等特点，可支持无人船实现高精度靠岸、开锁离岸和停靠闭锁应用的全过程无人化管理。

本实用新型主要用于远程无人控制的小型船进出停靠泊位的路线控制、靠岸或离岸时的上锁或开锁控制与动作，可快速布设无人船停靠泊位，能够提供岸滩泊位的自动定位定向信息，可以实现无人船自动精准循轨进驻泊位和自动闭锁功能，充分满足动态变化河湖水域无人船运行管理的无人值守需求。

附图说明

图1是本实用新型无人船自动靠岸系船系统的总体结构示意图；

图2是本实用新型中泊位架的横截面示意图；

图3是本实用新型中现地控制器的结构示意图；

图4是本实用新型中浮式系船锁的结构示意图；

图5是本实用新型中锁体结构的横截面示意图；

图6是本实用新型中锁体结构的纵截面示意图。

图中：1—岸坡、2—固定钢管桩、3—桩头、4—销钉铰、5—滑杆、6—u形槽、7—导向轨固定座、8—系锁滑环、9—钢丝绳、10—浮式系船锁、11—定位装置、12—电子罗盘、13—光电探测器、14—系船防撞栏、15—无人船、16—浮式导向轨、17—设备箱、18—箱电电源、19—配电板、20—主控板、21—无线通讯模块、22—步进电机驱动器、23—差分gps板、24—线束、25—组合式浮块、26—锁舌伸缩电机、27—锁舌旋转电机、28—轴联器、29—轴联器、30—浮块安装螺杆、31—蜗杆、32—螺杆、33—锁舌、34—齿轮、35—涡轮、36—压紧轮、37—齿条、38—导引罩、39—防护罩、40—轴承、41—泡沫充填物、42—安装支架、43—万向节、44—浮块固定帽、45—固岸环、46—弹性绳、47—系锁环。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实用新型实施例提供一种无人船自动靠岸系船系统，包括滑移式泊位架、浮式系船锁、浮式导向轨、系船防撞栏、控制箱、现地控制器。

所述滑移式泊位架可快速固定于河湖岸滩形成无人船停靠泊位，为浮式系船锁提供能够适应河湖水位高度变化和水面岸线平面位置变化的岸端固定设施，其上还设有滑移轨道，便于浮式系船锁可随水位变化动态调整高程。

具体的，如图1所示，所述滑移式泊位架包括固定钢管桩2、桩头3、销钉铰4、滑杆5、u形槽支架6、滑环8。

固定钢管桩2顶部设有桩头3，便于敲击埋入桩体，固定钢管桩2上部设插孔，便于机械拔取桩体。固定钢管桩2埋置或敲击深入河湖岸坡1形成岸滩泊位的固定基座，同时在机械辅助拔出的前提下，滑移式泊位架可重复或更换部位使用，且便于用户快速部署。滑移式泊位架可整体拔出用于更换停泊地点，也可仅保留固定钢管桩2便于滑移式泊位架的二次快速部署。

销钉铰4与固定钢管桩2通过桩头3丝扣连接，便于滑移式泊位架拆分组合，并可配套河湖岸线不同部位预埋安装的固定钢管桩2形成组合共用。

u形槽支架6的一端与销钉铰4铰接，且u形槽支架6沿着河湖岸坡1放置，u形槽支架6中固定有滑杆5，滑环8套接在滑杆5上，滑环8用于与浮式系船锁连接(例如通过缆绳连接)，即u形槽支架6、滑杆5、滑环8组成滑移轨道，所述浮式系船锁滑动设于所述滑移轨道。滑杆5和滑环8的结构配合便于浮式系船锁可随水位变化动态调整高程，有效保证了锁定结构协同无人船能够适应中小河流水位及水域边际线的经常变化。

滑杆5与u形槽支架6固定连接形成整体，以保证u形槽支架6安放角度能够适应河湖岸滩复杂的岸坡地形特征。滑杆5镶嵌在u形槽支架6中部(如图2所示)，其目的在于u形槽支架6能够为滑杆5提供受保护的安全空间，防止河湖岸滩软泥和杂草阻滞影响滑环8沿滑杆5滑移工作；u形槽支架6横截面形成的u型端两侧设置橡胶镶嵌套防撞杆，有利于提供撞击缓冲和保护船体表面。

如图4所示，所述浮式导向轨可整体浮于河湖水面，开口端面向开阔水域，以引导无人船船头准确行进至锁止区；浮式导向轨与浮式系船锁铰接，可为进港无人船的船头部位运动方向、停止位提供小范围、小幅度的引导修正。

具体的，所述浮式导向轨包括两个导向轨固定座7、与导向轨固定座7固定连接且呈一定角度张开的两个导向轨16、连接两个导向轨16的弹性绳46，两个导向轨固定座7分别铰接在浮式系船锁两端，导向轨16外套有软体泡沫材料，以保护船体同时能有效支撑导向轨浮于水面；弹性绳46用于有效控制导向轨16的张开角，同时可引到船只或系船锁相互调整方向，以保证无人船船头指向锁体结构。

所述浮式系船锁与浮式导向轨铰接形成整体，配置gps定位装置和电子罗盘，可实时采集锁体结构所处水面精确位置和方位，配置光电探测器，可核实判定无人船船只是否进驻或离开锁止区，内置自动化机械装置，可按照上位机指令执行闭锁和开锁动作。

具体的，所述浮式系船锁包括锁具箱体、锁定装置、设于锁具箱体上的组合式浮块和防护设备，所述锁定装置包括设于锁具箱体内的锁舌33、锁舌伸缩系统、锁舌旋转系统。

如图4及图5所示，所述锁舌伸缩系统包括锁舌伸缩电机26、螺杆32、齿轮34、齿条37和压紧轮36；锁舌伸缩系统根据上位机控制指令推动或拉动锁舌33完成伸出或收缩动作，从而使锁舌33进入系船防撞栏或从系船防撞栏退出，锁具闭锁时锁舌处于伸出状态，锁具开锁时锁舌处于收缩状态。锁舌伸缩电机26与螺杆32通过联轴器28对接；螺杆32轴向方向每个锁舌对应位置套接传动齿轮34；传动齿轮34与齿条37咬合接触；压紧轮36为具有一定弹力的支撑结构，压紧轮36通过压紧齿条37，使得齿轮34半径和齿条37咬合接触协调；齿轮34旋转带动齿条37伸出或收缩，通过万向节43推动或拉动锁舌33伸出或收缩。其中，锁舌伸缩电机26为步进电机，电机旋转步数结合齿轮34的半径和齿条37的模数可精确控制锁舌的伸出或收缩行程。锁舌伸缩电机26控制每个锁舌同时完成伸出或收缩工作，从而保证锁具闭锁和开锁状态的一致性。

如图6所示，所述锁舌旋转系统包括锁舌旋转电机27、蜗杆31、涡轮35；锁舌旋转系统根据上位机指令控制锁舌33处于竖直或水平状态，锁舌竖直时锁具处于开锁状态，锁舌水平时锁具处于闭锁状态。锁舌旋转电机27与蜗杆31通过联轴器对接；蜗杆31轴向方向每个锁舌对应位置套接传动涡轮35；涡轮35与蜗杆31齿合接触，涡轮35旋转带动锁舌33旋转，从而控制锁舌33钩码段处于竖直或水平状态。其中，锁舌旋转电机27为步进电机，电机旋转步数结合涡轮354的半径和蜗杆31的模数可精确控制锁舌的旋转角度，控制锁舌33进行90度旋转即可控制锁舌33处于竖直或处于水平状态。锁舌旋转电机27控制每个锁舌同时完成旋转动作，从而保证锁具闭锁和开锁状态的一致性。

执行开锁动作时，先由锁舌旋转系统控制锁舌33使之处于竖直状态，然后再由锁舌伸缩系统控制锁舌33使之处于收缩状态；执行闭锁动作时，先由锁舌伸缩系统控制锁舌33使之处于伸出状态，然后再由锁舌旋转系统控制锁舌33使之处于水平状态。所述浮式系船锁设置多联自动锁，多联锁受同一锁舌伸缩电机26和同一锁舌旋转电机27控制，调整多联锁的并联数可适当控制锁止区的宽度，可降低无人船进港上锁的整体难度和控制精度要求，从而提高成功上锁的靠靠度。

锁具箱体靠锁舌侧两端设有光电探测器13，主要用于探测船只靠岸和离岸情况，与现地控制器通过信号和电源线缆连接，并适时采集探测船只是否完成靠岸或和离岸的状态信息。光电探测器13判定无人船船只进驻锁止区后，现地控制器控制浮式系船锁执行闭锁动作；光电探测器13判定无人船船只离开锁止区后，现地控制器控制浮式系船锁执行开锁动作。

锁具箱体顶部设定位装置11(例如gps天线)，便于实时感应浮式系船锁所处河湖水面的精确坐标信息；锁具箱体内部设电子罗盘12，便于实时感应浮式系船锁所处河湖水面的浮置方向。电子罗盘12与现地控制通过信号和电源线缆连接，由现地控制适时采集坐标和方向信息，并可通过网络报送至无人船控制系统，用于无人船靠岸进驻锁止区前调整航行方向、速度和确定停靠目标点位。

锁具防护设备包括安装支架42、导引罩38、防护罩39；安装支架42固定在锁具箱体内，用于固定浮式系船锁的机械装置等部件；导引罩38和防护罩39紧贴锁具箱体固定，导引罩38用于引导靠岸船只系船防撞栏进驻锁舌格槽内，可为锁体结构锁舌部位提供防护，防护罩39为弹性折叠结构，可为相邻锁舌之间空档部位提供防冲击防护，有效缓冲船只给锁具带来的撞击力，从而有效提高锁具寿命。

锁具箱体两侧设有组合式浮块25，通过配置浮块体积可精确控制浮式系船锁所处水面高程，便于调控锁具箱体与船只沿高程方向上的相对位置关系，保证锁体结构与船只上锁止栏协调配合。

锁具箱体上还设置系锁环47和固岸环45(如图4所示)，系锁环47通过钢丝绳与滑环8相连，使之与河湖岸滩形成连接；固岸环45通过系岸缆绳牵拉可小角度控制浮式系船锁的浮置方向。

所述系船防撞栏14为无人船按照系船锁动作和结构特征配置的专用锁架，提供锁定环并能对船只前端形成一定保护；系船防撞栏14安装在无人船船头船底脊线部位，系船防撞栏14可提升无人船正面防撞能力，同时可用作船体锁止钩码，即系船防撞栏14为设置在无人船上的可被系船锁锁定的锁扣，与锁舌33配合实现开锁和闭锁。

如图3所示，所述现地控制器包括设备箱17、箱电电源18、配电板19、主控板20、无线通讯模块21、步进电机驱动器22、gps板23。箱电电源18通过配电板19与主控板20连接，无线通讯模块21、步进电机驱动器22、gps板23均与主控板20连接。主控板20为负责指挥控制现地控制器各部件工作的核心部件，配合专用控制软件，主要实现对无人船自动靠岸系统的供电、通讯、采集、控制等管理功能，内置配套软件负责数据采集、指令解析、动作控制，并负责与无人船以及无人船控制中心的上位机进行信息交换。

所述现地控制器固定在河湖水面岸滩，通过信号和电源线缆与浮式系船锁上定位装置11、电子罗盘12和光电探测器13等传感终端连接，还与锁舌伸缩电机26和锁舌旋转电机27相连；现地控制器内主控板20通过内置gps板23实时采集浮式系船锁上安装定位装置11部位的差分gps坐标信息，通过电子罗盘12实时采集浮式系船锁方位信息，通过步进电机驱动器22通过操作锁舌伸缩电机26和锁舌旋转电机27实时控制无人船机械锁止装置执行开锁闭锁动作。

岸基指挥中心总体控制无人船进出泊位，实现无人船、现地控制器和岸基指挥系统的统一管理。

本实用新型装置主要安装过程如下：

(1)确定用于无人船自动应用的拟部署的码头地点后，将图1所示固定钢管桩2和桩头3作为整体敲击或埋置于河流和湖泊岸滩，固定钢管桩2所选择地点应适当考虑岸坡相对稳固、相对较陡区域，并能最大限度的适应河湖水位的高程变化。

(2)安装图1所示销钉铰4和图2所示泊位架部件；连接图4所示浮式系船锁10的锁体结构部件及浮式导向轨，并在锁体结构两端初步配置组合式浮块25，以保证浮式系船锁10能够自由浮于水面，安装图1所示定位装置11后，再行调整组合式浮块25的数量，以保证锁体结构所处水面高程与无人船防撞栏结构相适应。

(3)将图1所示系锁滑环8和浮式系船锁10的锁体结构通过钢丝绳9相连；将图3所示现地控制器安装固定河湖岸滩安全高程后，通过线束24与浮式系船锁10相接；测试后，确认浮式系船锁10供电有效、控制和信号采集信号通畅。

(4)拆除过程反之，但固定钢管桩2、滑移式泊位架或浮式系船锁10等装置可组合保留，以便于后期重复利用。

无人船靠岸闭锁过程和方式如下：

(1)现地控制收到无人船或上位机指令，确认后续执行无人船靠岸进驻泊位任务，现地控制器确认浮式系船锁10处于开闭状态，及锁舌33方向竖直向下且处于收缩状态。

(2)现地控制器实时采集浮式系船锁10上定位装置11位置信息、浮式系船锁10内电子罗盘12方位信息，并实时监控探测光电探测器13状态信息。现地控制器利用基站gps坐标信息与浮式系船锁10的gps信息实时联合解算，形成高精度差分gps坐标信息；然后通过坐标修正换算生成锁舌33所处部位中心点位置坐标和方位角数据信息，实时向拟靠岸船只报送。

(3)无人船根据现地控制器报送的码头泊位信息，按照内置自动航行控制系统智能控制船只依规靠岸行驶，主要控制船只靠岸的航速、航向以及船头位置坐标，特别是进驻码头5m范围内应严格控制航速同时无人船向上位机和现地控制器主动报送船只航行参数。

(4)无人船驶进停靠区后，浮式导向轨可适当引导船只或系船锁方位进行相互调整。光电探测传感器13确认无人船防撞栏13进入锁位内后，本装置和系统执行后续动作。

(5)现地控制器控制图4所示锁舌伸缩电机26开始正向转动，通过轴联器28带动螺杆32和每个齿轮34旋转，齿条37在压紧轮36和齿轮34的相互作用下，支撑万向节43和锁舌33向外侧伸出指定长度。

(6)现地控制器控制图4所示锁舌旋转电机27开始正向转动，通过轴联器29带动蜗杆31正向旋转，蜗杆31带动每个涡轮35正向旋转，涡轮35推动锁舌33由竖直向向水平向旋转90度，万向节43保证了锁舌33旋转不至于影响锁舌伸缩传动结构。

现地控制确认靠岸闭锁任务执行完成，向上位机发送状态指令，同时调整现地探测、坐标和方位角采集和信息报送策略。本实用新型即执行完成闭锁任务。

无人船开锁离岸过程和方式如下：

(1)现地控制收到无人船或上位机指令，确认后续存在无人船执行离岸任务。

(2)现地控制器控制图4所示锁舌旋转电机27开始反向转动，通过轴联器29带动蜗杆31反向旋转，蜗杆31带动每个涡轮35反向旋转，涡轮35推动锁舌33由水平向向竖直向旋转90度，万向节43保证了锁舌33旋转不至于影响锁舌伸缩传动结构。

(3)现地控制器控制图4所示锁舌伸缩电机26开始反向转动，通过轴联器28带动螺杆32和每个齿轮34旋转，齿条37在压紧轮36和齿轮34的相互作用下，支撑万向节43和锁舌33向内侧缩进定长度。

无人船根据上位机指令，执行船只离岸动作。现地控制器根据光电探测器13实时反馈信息判断无人船防撞栏是否离开锁位。一旦现地控制确认开锁任务执行完成，即刻向上位机发送状态指令，同时调整光电探测、坐标和方位角采集和信息报送策略。

本装置及系统为无人船全过程运行管理设备中的一部分，本装置和无人船的运行管理受上位机指挥调度软件控制，该控制系统可借助现有技术实现。

本实用新型主要用于远程无人控制的小型船进出停靠泊位的路线控制、靠岸或离岸时的上锁或开锁控制与动作，可方便快速布设无人船停靠泊位，能够提供岸滩泊位的自动定位定向信息，可以实现无人船自动精准循轨进驻泊位和自动闭锁功能，充分满足动态变化河湖水域无人船运行管理的无人值守需求。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

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