一种模块化智能舟桥装置及舟桥搭建方法

摘要

本发明提供一种模块化智能舟桥装置及舟桥搭建方法，装置包括车体、桥板以及控制室，所述桥板被设置为在折叠状态下收置于所述车体上方、在展开状态下对称平铺于所述车体两侧；所述车体与桥板通过电动缸连接，所述桥板响应于电动缸的收缩处于折叠状态，所述桥板响应于电动缸的伸长处于展开状态；所述控制室内设置有控制单元、传感单元、定位单元以及通信单元，所述控制单元一方面用于通过通信单元接收舟桥搭建方案，另一方面用于综合传感单元采集的环境数据以及定位单元采集的位置数据生成驱动履带动作的控制指令以及驱动电动缸动作的控制指令。本发明整体采用模块化设计，使其具有较好的互换性和通用性，便于快速架设、拆解、快速更换。

说明书

技术领域

本发明涉及舟桥装置，具体而言，尤其涉及一种模块化智能舟桥装置及舟桥搭建方法。

背景技术

用船或浮箱等可浮体代替桥墩，浮在水面的桥梁称为浮桥。采用船舶或具有船舶属性的制式装备或是耗材拼接而成的浮桥称为舟桥，如图1所示。舟桥作为一种特殊的桥梁，凭借其构造简单、机动性强、成本低廉、拆装迅速、作业高效等优点，在人类经济、军事漫长的历史上扮演着极为重要的角色。平时可以服务河流两岸经济文化交流或是应急救灾，战时则可以保障作战部队和武器装备迅速通过江河障碍，所以在民用领域和军事领域上都具有重要的现实意义。我国幅员辽阔、江河星罗棋布，然而现有的舟桥结构功能单一，自动化程度低，搭建起来费时费力，因此设计一种能快速响应的新型模块化智能水陆两栖舟桥装置很有必要。

发明内容

根据上述提出的舟桥装置机械化及自动化程度低的技术问题，而提供一种模块化智能舟桥装置及舟桥搭建方法。本发明通过建立江、河的特定坐标系，确定舟桥单元模块在江、河的起始和终止位置，根据舟桥单元模块的初始和终止位置进行行进路线的规划，保证所有舟桥单元模块在最短时间内到达指定位置，并完成姿态调整。

本发明采用的技术手段如下：

一方面本发明提供了一种模块化智能舟桥装置，主要包括车体、桥板以及控制室，所述车体下方设置有履带，所述桥板被设置为在折叠状态下收置于所述车体上方、在展开状态下对称平铺于所述车体两侧；

所述车体与桥板通过电动缸连接，所述桥板响应于电动缸的收缩处于折叠状态，所述桥板响应于电动缸的伸长处于展开状态；

所述控制室内设置有控制单元、传感单元、定位单元以及通信单元，所述控制单元一方面用于通过通信单元接收舟桥搭建方案，另一方面用于综合传感单元采集的环境数据以及定位单元采集的位置数据生成驱动履带动作的控制指令以及驱动电动缸动作的控制指令。

进一步地，所述桥板包括桥面和岸板，其中岸板直接与河岸对接，桥面与另一个舟桥单元模块的桥面并联。

进一步地，装置包括互相交叉布置的三个电动缸。

进一步地，所述传感单元包括位置传感器、航向传感器、姿态传感器、风传感器、海流传感器。

进一步地，所述控制单元包括：

坐标系构建模块，其用于根据舟桥搭建方案确定基准坐标系，所述基准坐标系的原点为计划搭建的舟桥的中心点，以平行于水流的方向作为x轴，以垂直于水流的方向作为y轴，以与水面垂直的方向作为z轴；

路径规划模块，其用于根据舟桥搭建方案获取所在舟桥装置的目标位置，同时获取所在舟桥装置的当前位置，综合所述目标位置和当前位置生成舟桥装置的运动路径；

驱动模块，其用于根据所述舟桥装置的运动路径生成运动控制指令控制履带和转向机构动作。

进一步地，所述控制单元还包括：

路径优化模块，其用于通过通信单元接收基站发出的优化路径指令，并将所述优化路径指令发送至驱动模块，所述基站接收所有舟桥装置生产的运动路径数据，并基于所有运动路径数据进行闭环控制从而生成优化路径指令，所述优化路径指令用于保证任意两个舟桥模块不会在同一时刻出现在同一空间坐标点处；

相应的，驱动模块根据所述舟桥装置的优化路径生成运动控制指令控制履带和转向机构动作。

另一方面，本发明还提供了一种舟桥搭建方法，基于上述装置实现，包括：

获取舟桥搭建方案，确定舟桥的搭建位置并基于所述舟桥的搭建位置构建基准坐标系；

各所述舟桥装置根据所述基准坐标系以及自身定位信息生成本装置的运动路径；

各舟桥装置按照各自的运动路径到达目标位置；

各舟桥装置根据舟桥搭建方案自动连接构成舟桥。

进一步地，方法还包括：

基站接收各舟桥装置的运动路径数据，并基于所有运动路径数据进行闭环控制从而生成优化路径指令，所述优化路径指令用于保证任意两个舟桥模块不会在同一时刻出现在同一空间坐标点处，

相应的，各舟桥装置按照优化路径到达目标位置。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明整体采用模块化设计，使其具有较好的互换性和通用性，便于快速架设、拆解、快速更换；

2、本发明采用动力定位和GPS/北斗定位技术，提高了定位精确，实现了搭建路线最优，规避了干扰问题；

3、本发明由若干子单元模块组成，各子单元模块都具备智能化操作能力；通过多样化拼接技术，拓宽了舟桥装置的实用功能和应用范围。

4、本发明在舟桥的整个搭建过程中，采用智能化控制，既提高了搭建效率又保证了人员的安全，同时增强了舟桥装置对恶劣环境的适应能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为舟桥装置作业示意图。

图2为本发明舟桥装置结构示意图。

图3为本发明舟桥装置结构俯视图。

图4为本发明舟桥装置岸板结构示意图。

图5为本发明舟桥装置桥面结构示意图。

图6为实施例中舟桥装置“平台式”作业模式示意图。

图7为实施例中舟桥装置双侧搭建示意图。

图8为实施例中舟桥装置双侧搭建过程示意图。

图9为实施例中舟桥装置双侧搭建初始位置和终止位置示意图。

图10为实施例中舟桥装置单侧搭建示意图。

图11为实施例中舟桥装置单侧搭建过程示意图。

图12为实施例中舟桥装置单侧搭建初始位置和终止位置示意图。

图13为实施例中舟桥装置搭建完成效果图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任意一项具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转 90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图2-3所示，本发明提供了一种模块化智能舟桥装置，主要包括车体、桥板以及控制室，车体下方设置有履带，桥板被设置为在折叠状态下收置于所述车体上方、在展开状态下对称平铺于所述车体两侧；所述车体与桥板通过电动缸连接，所述桥板响应于电动缸的收缩处于折叠状态所述桥板响应于电动缸的伸长处于展开状态；控制室内设置有控制单元、传感单元、定位单元以及通信单元，所述控制单元一方面用于通过通信单元接收舟桥搭建方案，另一方面用于综合传感单元采集的环境数据以及定位单元采集的位置数据生成驱动履带动作的控制指令以及驱动电动缸动作的控制指令。

具体来说，控制室是舟桥单元模块的控制中心，安装有控制器、传感器、通信器等装置，用于与岸上的控制台通信和对舟桥单元模块的控制；履带具有良好的支撑性和机动性等优点，能够适应恶劣的水陆环境；电动缸共有3 个，呈交叉分布状态，其俯视图如图3所示，不用时收缩在车舱内，当需要调节桥面高度时，三个电动缸协同动作，调节桥面至所需要的高度，同时电动缸起到连接车体和桥板的作用。

桥板结构包括桥面和岸板，其中岸板直接与河岸对接，桥面与另一个舟桥单元模块的桥面并联。舟桥单元模块分为：栈桥单元模块、门桥单元模块以及闭塞门桥单元模块。栈桥单元模块即与岸直接相连的舟桥，如图4所示。闭塞门桥单元模块是一种特殊的舟桥单元模块，其外形与舟桥单元模块完全相同，不同之处为闭塞舟桥单元模块是最后对接的模块，需要同时完成两侧的对接作业，如图5所示。

优选地，控制单元包括：坐标系构建模块、路径规划模块以及驱动模块。坐标系构建模块，其用于根据舟桥搭建方案确定基准坐标系，所述基准坐标系的原点为计划搭建的舟桥的中心点，以平行于水流的方向作为x轴，以垂直于水流的方向作为y轴，以与水面垂直的方向作为z轴；路径规划模块，其用于根据舟桥搭建方案获取所在舟桥装置的目标位置，同时获取所在舟桥装置的当前位置，综合所述目标位置和当前位置生成舟桥装置的运动路径；驱动模块，其用于根据所述舟桥装置的运动路径生成运动控制指令控制履带和转向机构动作。

进一步优选地，所述控制单元还包括：路径优化模块，其用于通过通信单元接收基站发出的优化路径指令，并将所述优化路径指令发送至驱动模块，所述基站接收所有舟桥装置生产的运动路径数据，并基于所有运动路径数据进行闭环控制从而生成优化路径指令，所述优化路径指令用于保证任意两个舟桥模块不会在同一时刻出现在同一空间坐标点处；相应的，驱动模块根据所述舟桥装置的优化路径生成运动控制指令控制履带和转向机构动作。

具体来说，本发明舟桥装置为全自动控制，全程无需人为干预，能够自动实现舟桥单元模块的位置姿态调整、行程路线的规划、舟桥单元模块之间的对接等功能。避免了现有舟桥单元模块需要人为的控制其位置和姿态，也避免了人为进行舟桥单元模块对接时的不安全因素。所以可以节省大量的人力物力，大幅度提高舟桥铺设的安全性和作业效率。

在建立系统坐标系之后，首先会确定舟桥单元模块的初始位置和终止位置，然后计算出所有可行路线，最后在所有可行路线中选择一个总时间最短的方案，确保舟桥单元模块的对接可以在最短时间内完成。

具体来说，即每个舟桥装置由控制系统根据江、河的实际情形建立的坐标系按“点-点”对应的关系确定其起始和终止位置，控制系统再依据江、河的综合情况给舟桥单元模块规划出最优路径。类比“小船过河”问题，根据最短时间和最短路程进行路径规划。根据不同的需求设计规划不同的最优路径，最后按实际工作环境和工作要求可选择俩侧搭建、一侧搭建或者浮体搭建等搭建方式。

舟桥单元模块的定位单元优选采用GPS/北斗定位模块，而且会实时与基站进行通讯，基站在收到舟桥单元模块反馈的位置坐标之后，会与控制系统规划的路线进行对比与校准，通过闭环控制，对舟桥装置的位置进行实时跟踪调整，以便控制其完全按照控制系统所规划的最优路线行走。同时在路线规划时，系统会自动避碰，即任何两个舟桥单元模块不会在同一时刻出现在同一空间坐标点处。

此外，舟桥装置上还安装有动力定位系统，动力系统主要包括测控部分和动力部分。动力定位系统的作用主要是使舟桥单元模块在到达系统指定位置之后，不用锚系而自动保持舟桥单元模块在江、河中的位置和姿态保持稳态不变。首先安装在舟桥单元模块上的位置传感器、航向传感器、姿态传感器、风传感器、海流传感器等仪器在控制系统开始作业时会实时的采集相关数据，并将这些数据信息及时的传输给控制系统；然后控制系统会将所采集的实时数据与其规划的行程路线和位置坐标进行比较，找出偏差；最后针对偏差，向动力系统发出指令，调整动力系统的推力，实行偏差修正，直至所有的舟桥装置均到达设定的位置，并且稳定的停在指定的位置，保持位置和姿态不变。

本发明中，每个舟桥装置由控制系统根据江、河的实际情形建立的坐标系按“点-点”对应的关系确定其起始和终止位置，控制系统再依据江、河的综合情况给舟桥单元模块规划出最优路径，进而实现舟桥的快速搭建。

实际应用中，舟桥装置可根据实际工作需要搭建出不同类型的“浮体”。如果是用作通行可以搭建成舟桥，如上图1所示为“桥式作业模式”；如果是用于水上救援、打捞和海洋油田等工作则可以拼装成各种方形浮体，如图 6所示为“平台式作业模式”。这种多样化作业模式丰富了舟桥装置的功能，拓宽了舟桥装置的使用范围。在进行平台式作业时，需要调节桥面高度高于控制室高度，使舟桥装置可以拼接成一个完整的平台进行平台作业。

另一方面，本发明还提供了一种舟桥搭建方法，基于上述装置实现，包括：

获取舟桥搭建方案，确定舟桥的搭建位置并基于所述舟桥的搭建位置构建基准坐标系；

各所述舟桥装置根据所述基准坐标系以及自身定位信息生成本装置的运动路径；

各舟桥装置按照各自的运动路径到达目标位置；

各舟桥装置根据舟桥搭建方案自动连接构成舟桥。

进一步地，方法还包括：

基站接收各舟桥装置的运动路径数据，并基于所有运动路径数据进行闭环控制从而生成优化路径指令，所述优化路径指令用于保证任意两个舟桥模块不会在同一时刻出现在同一空间坐标点处，

相应的，各舟桥装置按照优化路径到达目标位置。

下面通过具体的应用实例，对本发明的方案做进一步说明。

实施例1

当遇到紧急情况需要在水面搭建舟桥装置时，根据实际情况，设计了舟桥装置分别从江、河的两侧向江、河中心搭建的模式，如图7所示。控制单元在河道中心处建立了笛卡尔坐标系O-X-Y-Z，设定以平行于水流的方向为 X轴，以垂直于水流方向为Y轴，与水面垂直的方向为Z轴。设定水流方向为X轴的正方向，坐标原点在水面共面且为所搭建舟桥装置的中心位置。

如图8为控制单元给舟桥单元模块规划的其中一种路径效果图，以此对搭建过程进行说明，搭建过程如下：

(1)根据实际的作业需求确定搭建舟桥装置的最佳位置，然后搭建系统坐标系O-X-Y-Z。

(2)根据搭建舟桥装置处的水面宽度和实际的环境因素，确定所需要的舟桥单元模块数量。在此方案中使用9个舟桥单元模块，包括7个为门桥单元模块和2个为栈桥单元模块

(3)定义初始位置和终止位置：初始位置为准备搭建舟桥装置时各舟桥单元模块和栈桥单元模块在岸上的位置；终止位置为搭建完舟桥装置之后各个舟桥单元模块和栈桥单元模块在水面的位置。舟桥单元模块处于初始位置时为工况I，终止位置时为工况II。如图9所示，舟桥单元模块的初始位置坐标分别为P

(4)设定两个栈桥单元模块的初始位置，使其初始位置处于面Y-O-Z 和岸边所在平面的交线上，然后确定2个栈桥单元模块的初始位置坐标分别为P

(5)确定7个门桥单元模块的初始位置坐标分别为P

(6)控制系统根据9个初始位置坐标和9个终止位置坐标规划最优路线，确定7个门桥单元模块和2个栈桥单元模块的行进路线。在规划路径时，控制系统会控制舟桥单元模块的出发时间和行进速度，保证总时间最短并且任何两个舟桥单元模块的行进路径不发生冲突。此方案中的最终效果如图8所示：舟桥单元模块A的行进路线为从坐标P

(7)所有舟桥单元模块在到达设定位置之后进行姿态调整，便于执行并联操作，并使整个舟桥装置在水中保持相对稳态。

在此方案的舟桥搭建过程中，栈桥单元模块C和栈桥单元模块G是最先完成搭建作业的。栈桥单元模块A(或H)上部的桥板自动伸缩打开，其岸板和一侧地面平缓接触，另一侧桥面和门桥单元模块B(或G)的桥面并联，其它类似依次并联，直到中间闭塞门桥单元模块B的两侧桥面和左右两侧的舟桥单元模块D、H的桥面并联完成，即完成整个舟桥装置搭建作业。

如果拆除舟桥装置，可按搭建舟桥装置的逆向顺序操作即可。

实施例2

本实施例提供了一种从江、河的一侧开始向另一侧搭建舟桥装置的模式，其搭建过程与实施例1中双侧同时搭建过程相似，如图10所示。根据控制系统规划的最优路径在河道中心处建立了笛卡尔坐标系O-X-Y-Z,设定以平行于水流的方向为X轴，以垂直于水流方向为Y轴，与水面垂直的方向为Z轴。设定水流方向为X轴的正方向，坐标原点在水面共面且为所搭建舟桥装置的中心位置。如图11是系统给舟桥单元模块规划的其中一种路径效果图，在此方案中使用7个门桥单元模块和2个栈桥单元模块。首先根据最优路径确定舟桥单元模块A、B、C、D、E、F、G、H、K的初始位置P

在此方案的舟桥搭建过程中，栈桥单元模块E最先完成搭建作业，舟桥单元模块F为闭塞门桥单元模块。栈桥单元模块E上部的桥板自动伸缩打开，栈桥单元模块E的岸板和地面平缓接触，另一侧和下一个舟桥单元模块K并联，其它类似依次并联，直到闭塞门桥单元模块F完成搭建，即完成了整个舟桥装置的搭建作业。拆除舟桥装置时可根据搭建舟桥装置的逆向顺序进行，或是在转换到对岸另一个场地时，可从江、河两侧同时进行拆除。

采用实施例1或者实施例2中的方式搭建完成后的舟桥单元模块呈对称分布，这样分布有利于舟桥在恶劣环境中保持位置和姿态的稳定，如图13所示。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。