一种用于无人船的转向装置的制作方法

1.本发明涉及无人设备领域，尤其是一种用于无人船的转向装置。


背景技术：

2.国内外许多企业大力投入无人船的研制，充分发挥无人船低成本、无随船人员、低风险的优势，最大化体现水域机器人的价值。随着人工智能的不断发展，研发了越来越多的智能化无人装备或装置，其中无人船是一种可以无需遥控,借助精确卫星定位和自身传感即可按照预设任务在水面航行的全自动水面机器人,英文缩写为usv。
3.无人船主要依靠船艇内以计算机系统为主的智能控制系统来实现整船控制，包括调向和调速；目前市场上，如何给无人船选择配套的智能方向盘成为难题，传统船舶转向设备中方向盘装置基本属于机械式方向盘，只能用于手动操作，在将船舶改造为无人船时，很难融入智能控制系统中，无法实现方向盘联动和状态监测，不便于人工模式与自动模式的相互切换操作，不能满足船艇多样化转向操控需求，从而降低了转向装置的使用效率和智能化水平；尤其无人船在测试阶段，需要频繁操控方向盘作时，还需要另设一套方向盘系统，增加了成本。
4.鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明需要解决的技术问题是：现有船用转向装置不符合无人船智能化转向需求，难以兼容到智能控制系统中实现自动转向和双向监控，不利于无人船系统转向改造，降低了转向装置的使用效率。
6.本发明通过如下技术方案达到上述目的：一种用于无人船的转向装置，包括箱体、控制板、通信模块、电源模块、传动轴、测量轴、电动机和传动齿轮。
7.所述控制板安装于箱体内部，所述通信模块和电源模块内嵌于控制板上，其中控制板作为转向装置的控制中枢，连接并监控转向装置内的电子设备，具体为，通过控制板连接并监控通信模块、电源模块、测量轴和电动机工况信息；所述通信模块为控制板提供与外部指令交互的通信通道，所述电源模块为转向装置内的电子设备提供电源；所述电源模块接收外部电源并转化为多路直流电或交流电供控制板、通信模块和电动机使用。
8.所述传动轴可旋转地设置于箱体中，并贯穿地伸出箱体顶部，向外提供外接物理端口；所述测量轴可旋转地设置于箱体内部，测量轴上设置旋转监测设备，可给控制板传送旋转监测值；所述电动机通过螺栓固定于箱体底部，电动机的输出轴与传动轴的底部相连，可驱动传动轴旋转；所述传动齿轮包括主动齿轮和从动齿轮；所述主动齿轮固定于传动轴上，并与传动轴保持同步转动；所述从动齿轮固定于测量轴上，并与测量轴保持同步转动；所述主动齿轮和从动齿轮间相互啮合实现测量轴与传动轴的联动，从而通过测量轴将传动轴的转动状态反馈给控制板。
9.进一步的，所述箱体包括底盒、隔板和顶盖；所述隔板设置于底盒中部，并设置有
通孔用于限制传动轴和测量轴的横向移动；所述顶盖盖合于底盒之上，并设置有通孔用于限制传动轴的横向移动；所述隔板直径大于箱体直径，其外延部位提供螺纹孔便于将箱体固定在指定平台上。
10.进一步的，所述传动轴或测量轴在与隔板或顶盖的通孔接触处均设置有轴承，可减小传动轴和测量轴旋转过程中与隔板或顶盖间的摩擦，所述测量轴通过轴承可旋转地纵向定位于隔板上；具体的，所述传动轴上设置两个接触球轴承，第一个接触球轴承用于减小其上端与顶盖通孔接触处的摩擦，第二个接触球轴承用于减小其下端与隔板通孔接触处的摩擦；所述测量轴上设置一个接触球轴承减小其中部与隔板通孔接触处的摩擦，同时在测量轴的接触球轴承两侧各设置一个推力球轴承，从而将测量轴纵向的固定于隔板上。
11.进一步的，所述转向装置还包括限位探头、限位凸台和限位传感器；所述限位探头固定连接于测量轴的顶部；所述限位凸台吊装于顶盖下端面，作为限位探头的旋转边界，其安装位置与限位探头的旋转路径相对应；所述限位传感器与控制板相连，设置于限位凸台的两侧，可检测到限位探头的挤压信号，从而监测限位探头极限位置，即当测量轴转动时，所述限位传感器可检测到限位探头的挤压信号，并将限位信号传送给控制板，控制板根据限位传感器的信号调整电动机工况，实现对限位探头运动边界的控制；具体的，初始状态下，限位探头距离限位凸台两侧角度相等；当测量轴顺时针旋转可带动限位探头旋转至限位凸台的一侧并挤压对应限位传感器，当测量轴逆时针旋转则可带动限位探头旋转至限位凸台的另一侧并挤压对应限位传感器。
12.进一步的，所述测量轴底部固定设置有磁铁模块，所述控制板上对应位置设置有磁感应模块；所述磁感应模块监控磁铁模块的状态并传送给控制板，控制板根据磁感应信号可进一步计算出测量轴的旋转工况；其中磁铁模块为圆形、正方形或长条形磁铁。
13.进一步的，所述通信模块包括有线通信接口或无线通信卡；所述有线通信接口安装于底盒的底部，用于连接外部设备；所述无线通信卡为控制板提供无线通信通道；所述底盒底部还设置有数据接口，便于控制板与外部控制器有线连接。
14.进一步的，所述转向装置还包括盘架，所述盘架安装于传动轴顶部的外接物理端口，提供人机操作接口。
15.进一步的，所述转向装置还包括摩擦盘和盖板；所述摩擦盘中间设置有方形通孔，传动轴对应位置设置方形接口，摩擦盘可套在传动轴对应位置上并与其旋转联动，同时所述摩擦盘下端面贴合于顶盖的上端面；所述盖板中间设置圆形通孔，传动轴对应位置设置圆形接口，盖板可无摩擦地套在传动轴对应位置上，可拆卸的固定在顶盖上并盖合住整个摩擦盘；具体的，所述盖板下端面设置一个凹槽可将摩擦盘罩住，所述盖板通过卡扣装置或螺纹接口固定在顶盖上端面，所述摩擦盘的上端面与盖板的凹槽接触，下端面与顶盖的上端面接触，当传动轴转动带动摩擦盘转动，摩擦盘上端面摩擦盖板上的凹槽，下端面摩擦顶盖的上端面，产生的摩擦力为用户操控提供转动阻力，而且卡扣装置或螺纹接口旋得越紧，盖板对摩擦盘挤压力度越大，摩擦盘提供的摩擦阻力越大，当人工操作时可先将卡扣装置或螺纹接口旋紧至指定范围，摩擦盘提供适度磨阻感极大改善用户转向手感，当无人模式时可先将螺纹接口松开，从而减小传动轴的摩擦阻力，降低电动机出力。
16.进一步的，所述摩擦盘的材质为橡胶或塑料。
17.进一步的，所述电源模块还包括电源接口，所述电源接口设置于底盒的底部，可将
外部电源引入电源模块；所述电源接口也可以接收数据接口引入的直流电。
18.本发明相比现有技术具有以下优点。
19.1、通过控制板、传动轴、测量轴和限位传感器实现自动转向闭环控制，为无人船提供转向装置，满足无人船自动化驾驶需求，便于将有人船快速改造为无人船；并设置盘架满足用户实验时人工操控需求。
20.2、通过摩擦盘和盖板实现传动轴转向阻力可调，极大改善用户转向手感；其中盖板松紧度的适度调整，可实现自动行驶时低摩阻和人工操控时高摩阻的状态转换，甚至可以根据用户力度习惯调节不同的摩阻。
21.3、采用磁铁模块和磁感应模块作为测量轴工况监测系统，监测精度高，抗震动能力强，能适应无人船高速冲刺时与水面的起伏震动。
22.4、该用于无人船的转向装置，在转向电机和传动轴的作用下，实现无人船上盘架自动转动，既能自动完成转向实时向外部控制器反馈转角，又能给用户展示非手工操作时的驾驶转向状态。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为实施例中转向装置俯视立体图。
25.图2为实施例中转向装置仰视立体图。
26.图3为实施例中隐藏箱体和盘架后部分设备正视立体图。
27.图4为实施例中隐藏箱体和盘架后部分设备仰视立体图。
28.图5为实施例中隐藏箱体和盘架后部分设备爆炸视图。
29.图6为实施例中底盒和隔板孤立时立体图。
30.图7为实施例中顶盖孤立时立体图。
31.图8为实施例中隐藏盘架后部分设备剖视立体图。
32.图中：1-箱体；2-控制板；3-通信模块；4-电源模块；5-传动轴；6-测量轴；7-电动机； 9-摩擦盘；10-盖板；11-盘架；101-底盒；102-隔板；103-顶盖；104-限位凸台；105-限位传感器；106-数据接口；107-电源接口；201-磁感应模块；501-接触球轴承；502-推力球轴承；601-限位探头；602-磁铁模块；801-主动齿轮；802-从动齿轮。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
34.在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
35.此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。
36.实施例1，如图1-8所示，一种用于无人船的转向装置，包括箱体1、控制板2、通信模块3、电源模块4、传动轴5、测量轴6、电动机7和传动齿轮；所述箱体1为圆柱体，直径10cm；所述控制板2安装于箱体1内部，所述通信模块3和电源模块4内嵌于控制板2上，其中控制板2上设置有pcb处理器，可作为转向装置的控制中枢，连接并监控转向装置内的电子设备，具体为，通过控制板2连接并监控通信模块3、电源模块4、测量轴6和电动机7工况信息；所述通信模块3为控制板2提供与外部指令交互的通信通道，所述电源模块4包括充放电管理器和电压转换器，为转向装置内的电子设备提供电源，具体的，电源模块4接收外部电源并转化为多路直流电或交流电供控制板2、通信模块3和电动机7使用；所述传动轴5可旋转地设置于箱体1中，并贯穿地伸出箱体1顶部，向外提供外接物理端口；所述测量轴6可旋转地设置于箱体1内部，测量轴6上设置旋转监测设备，可给控制板2传送旋转监测值；所述电动机7通过螺栓固定于箱体1底部，电动机7的输出轴与传动轴5的底部相连，可驱动传动轴5旋转；所述传动齿轮包括主动齿轮801和从动齿轮802；所述主动齿轮801固定于传动轴5上，并与传动轴5保持同步转动；所述从动齿轮802固定于测量轴6上，并与测量轴6保持同步转动；所述主动齿轮801和从动齿轮802间相互啮合实现测量轴6与传动轴5的联动，从而通过测量轴6将传动轴5的转动状态反馈给控制板2；具体的，传动轴5长20cm，直径3cm；测量轴6长12cm，直径3cm。
37.本实施例中，所述箱体1包括底盒101、隔板102和顶盖103；所述隔板102设置于底盒101中部，并设置有通孔用于限制传动轴5和测量轴6的横向移动；所述顶盖103盖合于底盒101之上，并设置有通孔用于限制传动轴5的横向移动；所述隔板102直径大于箱体1直径，隔板102直径为11cm，其外延部位提供螺纹孔便于将箱体1固定在指定平台上。
38.本实施例中，所述传动轴5或测量轴6在与隔板102或顶盖103的通孔接触处均设置有轴承，可减小传动轴5和测量轴6旋转过程中与隔板102或顶盖103间的摩擦，所述测量轴6通过轴承可旋转地纵向定位于隔板102上；具体的，所述传动轴5上设置两个接触球轴承501，第一个接触球轴承501与顶盖103上通孔的直径和位置均相互对应，用于减小传动轴5上端与顶盖103通孔接触处的摩擦，第二个接触球轴承501与隔板102上通孔的直径和位置均相互对应，用于减小传动轴5下端与隔板102通孔接触处的摩擦；所述测量轴6上设置一个接触球轴承501与隔板102上通孔的直径和位置均相互对应，用于减小测量轴6中部与隔板102通孔接触处的摩擦，同时在测量轴6的接触球轴承501两侧各设置一个推力球轴承502，两个推力球轴承502从两侧夹住隔板102，从而将测量轴6纵向的固定于隔板102上。
39.本实施例中，所述转向装置还包括限位探头601、限位凸台104和限位传感器105；所述限位探头601固定连接于测量轴6的顶部；所述限位凸台104吊装于顶盖103下端面，作为限位探头601的旋转边界，其安装位置与限位探头601的旋转路径相对应，限位探头601的旋转路径直径为4cm；所述限位传感器105与控制板2相连，设置于限位凸台104的两侧，可检测到限位探头601的挤压信号，从而监测限位探头601极限位置，即当测量轴6转动时，所述限位传感器105可检测到限位探头601的挤压信号，并将限位信号传送给控制板2，控制板2根据限位传感器105的信号调整电动机7工况，实现对限位探头601运动边界的控制；具体的，初始状态下，限位探头601距离限位凸台104两侧角度相等，都为178度；当测量轴6顺时
针旋转可带动限位探头601旋转至限位凸台104的左侧并挤压左侧限位传感器105，当测量轴6逆时针旋转则可带动限位探头601旋转至限位凸台104的右侧并挤压右侧限位传感器105。
40.本实施例中，所述测量轴6底部固定设置有磁铁模块602，所述控制板2上对应位置设置有型号为smf008025的磁感应模块201；所述磁感应模块201监控磁铁模块602的状态并传送给控制板2，控制板2根据磁感应信号可进一步计算出测量轴6的实时旋转工况；其中磁铁模块602长条形磁铁。
41.本实施例中，所述通信模块3包括有线通信接口或无线通信卡；所述有线通信接口包括以太网接口，安装于底盒101的底部，用于连接外部设备；所述无线通信卡为控制板2提供无线通信通道；所述底盒101底部还设置有数据接口106，包括串口接口和can接口，便于控制板2与外部控制器有线连接。
42.本实施例中，所述转向装置还包括盘架11，直径40cm，所述盘架11安装于传动轴5顶部的外接物理端口，提供人机操作接口，具体为，其中外接物理端口为向外伸出5cm的通用接口，能适配市场上销售的盘架11的固定接口，尤其是标准盘架11接口。
43.本实施例中，所述转向装置还包括摩擦盘9和盖板10，摩擦盘9厚度1.1cm；所述摩擦盘9中间设置有方形通孔，传动轴5对应位置设置方形接口，摩擦盘9可套在传动轴5对应位置上并与其旋转联动，同时所述摩擦盘9下端面贴合于顶盖103的上端面；所述盖板10中间设置圆形通孔，传动轴5对应位置设置圆形接口，盖板10可无摩擦地套在传动轴5对应位置上，可拆卸的固定在顶盖103上并盖合住整个摩擦盘9；具体的，所述盖板10下端面设置一个凹槽，凹槽深度为1cm，直径与摩擦盘9一致，凹槽可将摩擦盘9完全罩住，所述盖板10通过螺纹接口固定在顶盖103上端面，所述摩擦盘9的上端面与盖板10的凹槽接触，下端面与顶盖103的上端面接触，当传动轴5转动带动摩擦盘9转动，摩擦盘9上端面摩擦盖板10上的凹槽，下端面摩擦顶盖103的上端面，产生的摩擦力为用户操控提供转动阻力，而且卡螺纹接口旋得越紧，盖板10对摩擦盘9挤压力度越大，摩擦盘9提供的摩擦阻力越大，当人工操作时可先将螺纹接口旋紧至指定范围，使盖板10压紧摩擦盘9，摩擦盘9提供适度磨阻感极大改善用户转向手感，当无人模式时可先将螺纹接口松开，从而减小传动轴5的摩擦阻力至最小，最大化的降低电动机7出力。
44.本实施例中，所述摩擦盘9的材质为橡胶。
45.本实施例中，所述电源模块4还包括电源接口107，所述电源接口107设置于底盒101的底部，可将外部电源引入电源模块4；所述电源接口107也可以接收数据接口106引入的直流电。
46.实施例2：在实施例1的基础上，当无人船处于实验测试时，人工操作的对应工作步骤如下。
47.第一步：首先调整螺纹接口旋紧程度，改变盖板10对摩擦盘9挤压力度，使摩擦盘9提供的摩擦力满足用户手感需求。
48.第二步：当用户右转向顺时针或左转向逆时针转动盘架11时，生成右转或左转的转向指令，盘架11带动传动轴5顺时针或逆时针转动，传动轴5带动主动齿轮801顺时针或逆时针转动，主动齿轮801与从动齿轮802啮合，带动从动齿轮802反方向转动，实现从动齿轮802逆时针或顺时针转动。
49.第三步：从动齿轮802带动测量轴6转动，测量轴6底部的磁铁模块602转动，磁感应模块201监测到磁铁模块602转动的磁信号，传送给控制板2，控制板2上pcb处理器接收磁感应模块201磁信号，通过计算磁铁模块602的转动角速度和角度等数据进而获得盘架11的转动信号，控制板2通过有线通信或无线通信的方式外部控制器交互信息，外部控制器将人工转向指令转发给无人船的舵角执行系统，从而被动实现对舵角的控制和调整；其中，在测量轴6逆时针或顺时针旋转过程中，两个方向的极限运动角度都是178度；当测量轴6逆时针旋转则可带动限位探头601旋转至限位凸台104的右侧并挤压右侧限位传感器105，右侧限位传感器105将信号传送给控制板2，控制板2通过有线通信或无线通信的方式转送给外部控制器，外部控制器通过语音或指示灯告知用户已处于“最大右转舵”；当测量轴6顺时针旋转可带动限位探头601旋转至限位凸台104的左侧并挤压左侧限位传感器105，左侧限位传感器105将信号传送给控制板2，控制板2通过有线通信或无线通信的方式转送给外部控制器，外部控制器通过语音或指示灯告知用户已处于“最大左转舵”；同时限位凸台104卡住限位探头601，阻止限位探头601继续旋转。
50.实施例3，在实施例1的基础上，当无人船在自动模式下，转向装置对应工作步骤如下。
51.第一步：首先调整螺纹接口旋紧程度，改变盖板10对摩擦盘9挤压力度，使摩擦盘9提供的摩擦力处于最小。
52.第二步：外部控制器通过有线通信或无线通信的方式给控制板2下达转向指令。
53.第三步：控制板2解析指令后，驱动电动机7旋转，电动机7带动传动轴5旋转，测量轴6监测传动轴5旋转状态，磁感应模块201监测磁铁模块602的旋转状态，控制板2上pcb处理器接收磁感应模块201磁信号，通过计算磁铁模块602的转动角速度和角度等数据进而获得盘架11的转动信号，控制板2通过有线通信或无线通信的方式与外部控制器交互信息，进而上报旋转装置的当前转动状态，当传动轴5和测量轴6旋转角度满足转向指令要求时，外部控制器给控制板2下达停止转动指令，控制板2将电动机7锁定待机；同时外部控制器将转向指令转发给无人船的舵角执行系统，主动实现对舵角的控制和调整。
54.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。