CN104101360B - 一种海底无人航行器导航信息显示处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海底无人航行器导航信息显示领域，具体涉及一种海底无人航行器导航信息显示处理方法。包括一个处理单元获取相应航行状态传感器数据生成航器航行状态符号，并根据规划路径信息、地形数据、声呐障碍物回波信号以及多种航行状态信息计算生成辅助航行指示符号，一个显示单元分布显示航器航行状态符号以及三维显示辅助航行指示符号。

Description

一种海底无人航行器导航信息显示处理方法

技术领域

本发明属于导航信息显示领域，具体涉及一种海底无人航行器导航信息显示处理方法。

背景技术

现如今，海底无人航行器（下称航器）无论是在军事还是科学研究上都有着重要的作用，未知而恶劣的海底环境使得人类的活动范围大大受到了限制，因此，在这些地方使用无人航行器无疑是最好的选择。

然而，使用无人航行器，地面操控人员仅能依靠各种简单的仪表或数字指示获取航行信息，对航器周围环境的判断也只能依靠声呐图像以及电子海图数据库，显然，这些不具有易读性、分散的信息不能给予操作人员对航器当前状态及周围环境整体的感知。

对于航行路径及潜在威胁的判断，需要操作人员个人对当前航器的航行状态分析，由于操作人员过多的将注意力关注于操控航器航行，所以操作人员可能不会选择最优航行路径以及判断存在潜在碰撞危险的障碍。

发明内容

本发明的目的是提供一种海底无人航行器导航信息显示处理方法，以便实时直观地为航器操作人员提供航器当前航行状态信息以及辅助航行指示信息，并对潜在障碍危险提供告警指示，提高操作人员对地形障碍的反应能力，增加海底无人航行器的环境与态势综合感知能力，保证航器航行效率与航行安全。

为此，本发明提供了一种海底无人航行器导航信息显示处理方法，其特征在于：包括一个处理单元获取相应航行状态传感器数据生成航器航行状态符号，并根据规划路径信息、地形数据、声呐障碍物回波信号以及多种航行状态信息计算生成辅助航行指示符号，一个显示单元分布显示航器航行状态符号以及三维显示辅助航行指示符号。

所述航器航行状态符号包括航姿指示符号、航向指示符号、速度、深度符号。

所述辅助航行指示符号信息包括三维海底地形信息、规划路径指示、安全通道指示、碰撞告警指示符号以及前方障碍标识符号。

所述航姿指示符号包括航器标识、垂直偏航姿态、水平偏航姿态符号，其中原点是航姿指示符号的一部分，位于中央位置，水平偏航姿态刻度线在原点的左方和右方分别以15^o间隔显示到60^o，垂直偏航姿态刻度线在原点的上方和下方同样分别以15^o间隔显示到60^o，以原点为起点的橙色三角形符号表示航器当前的水平姿态偏移量与垂直姿态偏移量，航器标识符号指示航器当前朝向。

所述的上航向指示符号包括磁航向；磁航向外层为一个旋转罗盘，旋转罗盘上有表示四个方向的字母，旋转罗盘箭头所指为当前航器磁航向并以数字显示在圆心位置处，内层为可旋转的航向趋势指示器，航向趋势指示器包括三个圆形符号标示，分别以颜色绿、黄、棕表示，绿色符号表示航器当前磁航向，黄色航向趋势符号表示当前航器的航向趋势矢量，指示航器在未来3秒内的航向变化量，棕色的航向游标符号表示航器以当前航向趋势矢量转向结束后的磁航向。

所述速度包括加速度，度符号用于指示航器当前的速度、加速度以及水平方向航行状态，处理单元获取速度传感器的信息，生成相应的符号表示航器当前的水平方向航行前进、后退、停止状态，并在状态符号上方以数字显示当前航速，状态符号中的浅绿色加速度指示符号表示当前航器水平方向的加速度。

所述深度包括加速度，深度符号用于指示航器当前的深度、加速度以及垂直方向航行状态，处理单元获取深度传感器的信息，生成相应的符号表示航器当前的垂直方向航行上浮、下潜、保持状态，并在状态符号上方以数字显示当前深度，状态符号中的浅绿色加速度指示符号表示当前航器垂直方向的加速度。

所述规划路径指示根据输入路径的经纬度坐标信息在显示单元上三维显示航器规划路径符号。

所述多种航行信息包括航器当前的速度、速度加速度，深度、深度加速度，航器水平与垂直方向的姿态以及航向的信息。

所述安全通道指示由两条平行曲线及灰色与浅绿色相间的“斑马线”状条纹组成，指示航器未来一段时间内可选择的安全通道；所述前方障碍标识符号由一个透明度为75%的红色矩形框及透明度为50%的红色“叹号”标志组成，框内上方的白色数字指示前方障碍物距航器的直线距离，对于运动障碍，白色箭头表示其左右运动趋势，矩形框为障碍物轮廓投影到显示单元的最小外接矩形；所述碰撞告警指示符号包括三组符号，分别位于显示单元的左侧、右侧以及下侧，每组符号分别指示航器相对应一侧是否存在碰撞危险，并以红色填充标识表示存在潜在碰撞危险，填充标识个数指示潜在碰撞危险的可能性；所述红色标识数由处理单元获取航器相应一侧避碰声呐回波信号计算航器一侧距障碍物距离并与碰撞危险距离阈值比较后产生；所述三维海底地形信息，是根据电子海图地形数据库生成的三维数字地形，通过硬件渲染输出在显示端。

本发明的有益效果：本发明提出的一种海底无人航行器导航信息显示处理方法，处理单元获取相应航行状态传感器数据生成航器航行状态符号，并根据规划路径信息、地形数据以及多种航行信息计算生成辅助航行指示符号。显示单元分布显示航器航行状态符号以及三维显示辅助航行指示符号信息。其中航器航行状态符号描述了航器当前所有航行状态参数，辅助航行指示信息则包括对航器当前位置地形的三维呈现，以及预先规划路径和预测未来一段时间安全通道的三维显示，此外还包括对航器左侧，右侧和下方潜在碰撞危险的告警指示等，对于航器航行过程中，存在于航器前方威胁航行安全的障碍物，显示单元也给与了符号标识，地面操作人员通过这些信息可以方便快速地了解航器航行状态，并且通过辅助航行指示信息也能更安全有效地操作航器航行。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是一种海底无人航行器导航信息显示处理方法的结构框图。

图2是一种生成辅助航行指示信息的流程示意图。

图3是一种生成碰撞告警指示及前方障碍标识信息的流程示意图。

图4示出了根据本发明的一种显示单元的显示模式。

图5示出了根据本发明的显示单元中航向指示符号的显示。

图6示出了根据本发明的显示单元中水平与垂直方向不同航行状态的符号显示。

具体实施方式

图1给出了一种海底无人航行器导航信息显示处理方法的结构框图，包括一个处理单元106获取相应航行状态传感器101数据生成航器航行状态符号；此外，处理单元106根据规划路径103、地形数据105以及多种航行信息计算生成辅助航行指示符号。一个显示单元107分布显示航器航行状态符号以及三维显示辅助航行指示符号信息。

航行状态传感器101检测航器当前航行的多种状态信息，包括速度、速度加速度，深度、深度加速度，航器水平与垂直方向的姿态以及航向等信息并送至处理单元106，处理单元106获取到这些信息并生成相应符号送至显示单元107并在相应位置分布显示。显示单元107可以是地面或海面操作平台上的一个或多个显示器，方便操作人员远程获取并了解航器所有的状态信息并操作航器航行。

规划路径103是操作人员根据航器任务及电子海图数据库104海底地形信息给出以经纬度坐标信息标识的航器航行路线，显示单元107三维显示规划路径，以便操作人员方便的了解航器下一步的航行走向。处理单元106通过航器状态信息以及规划路径103并结合海底地形数据105以及前方障碍物信息计算生成航器未来一段时间的安全通道，它表示了航器当前状态下的一种最优航行路线，安全通道给与了操作人员操作航器安全航行的一种指引。

声呐系统102由位于航器左侧、右侧、下方的避碰声呐以及前方主动声呐构成，其中左侧、右侧及下方的避碰声呐负责与处理单元106协同完成碰撞告警指示。航器在航行过程中，若左侧、右侧或下方存在潜在碰撞危险时显示单元107会在相应一侧给出碰撞告警指示，处理单元106通过计算相应避碰声呐回波信号生成相应告警指示符号信息并送至显示单元107显示。声呐系统102中位于航器前方的主动声呐则负责航器前方的静态或动态障碍物检测，对于前方检测到的威胁到航行安全的障碍物显示单元以相应符号进行标识。

图2说明了一种生成辅助航行指示信息方法的流程图。

步骤201，获取操作人员预先设定的航线信息；处理单元获取操作人员预先设定航线信息以决定航器的大致走向，该路线信息可以是操作人员根据航器任务及电子海图数据库海底地形信息，给出的以多组经纬度坐标信息标识的航器航行路线；

步骤202，获取航器当前的航行状态信息；处理单元通过安装在航器上的航行状态传感器检测航器当前航行的多种状态信息，包括速度、速度加速度，深度，深度加速度，磁航向，航向趋势矢量，垂直姿态偏移量，水平姿态偏移量信息；

步骤203，根据当前航器位置信息获取电子海图数据库中相应位置的地形；处理单元通过步骤202获取的航行状态信息，如速度、航向等，并根据入水时初始位置计算出航器当前所处位置的经纬度信息，并依据该经纬度信息获取电子海图数据库中相应位置的地形信息；

步骤204，获取威胁航行安全的障碍信息；处理单元通过位于航器左侧、右侧、下方的避碰声呐回波信号，计算出航器相应一侧威胁航行安全的障碍信息，并通过前方主动声呐回波信号计算得到前方静止或运动障碍物的信息；

步骤205，计算航器未来一段时间内的最优安全通道；处理单元根据步骤201获取到的规划路径信息，步骤202获取的多种航行状态信息，步骤203获取的当前位置的地形数据，以及步骤204获取的障碍信息综合计算生成最优安全通道；

步骤206，生成图形化显示界面，显示单元接收处理单元生成的辅助航行指示信息并以相应符号显示，包括步骤201所述规划路径的三维显示以及生成航器一段时间内的最优安全通道三维显示，并将两者与航器当前位置的海底地形数据结合生成海底场景的整体三维显示。

图3说明了一种生成碰撞告警指示及前方障碍标识方法的流程图。

步骤301处理单元获取声呐系统回波信号，其中声呐系统由安装在航器左侧，右侧、下方的避碰声呐及前方主动声呐组成，声呐系统接收经障碍物反射的回波信号并进行处理。

302~304为生成碰撞告警指示的步骤：

其中步骤302处理单元根据步骤301所述回波信号计算航器某一侧距地形障碍距离；

步骤303处理单元通过将步骤302计算的距离与设定的告警指示距离阈值进行比较，根据比较结果确定潜在碰撞危险的可能性，以决定告警指示显示符号的显示方式；

步骤304显示单元接收处理单元生成的碰撞告警指示符号并以相应符号显示。

305~307为生成前方障碍标识的步骤：

其中步骤305处理单元根据航器前方主动声呐回波信号计算得到前方障碍物的信息，并确定障碍物的类型，对于静止障碍物，处理单元得到其轮廓特征与距离信息等，对于运动障碍物，还包括其运动方位等信息；

步骤306处理单元根据步骤305所述障碍物信息生成障碍物标识；

步骤307显示单元接收处理单元生成的障碍物标识并以相应符号显示；

操作人员根据显示单元中的符号指示即可快速了解航器存在的潜在危险并做出相应操作。

图4给出了图1所示的海底无人航行器导航信息显示处理方法的显示示例。包括显示各种图形化符号402~417以及三维显示海底地形431。

其中海底地形431的三维显示信息是航器当前所在位置电子海图数据库104中的海底地形信息，构建了航器航行的场景。

图形化符号402~417包括多种航器状态信息符号，比如垂直姿态偏移量404，水平姿态偏移量405，航器标识符号406，航向指示符号416，当前航速数字指示（单位：节）410，速度加速度指示412，水平航行状态指示411，当前深度数字指示（单位：米）413以及深度加速度指示415，垂直航行状态指示413等，其中航向指示符号416在图5中会作进一步的说明。

需要特别说明的是：水平航行状态指示411根据航器当前的水平方向航行状态（前进，后退或停止）选择相应符号显示，本图中所示符号表示前进状态。同样垂直航行状态指示413根据航器当前的垂直方向航行状态（上浮，下潜或保持）选择相应符号显示，本图中所示符号表示上浮状态，水平与垂直方向航行状态的其它状态符号在图6中进行了详细的标识。

图形化符号402~417还包括辅助航行指示符号，比如三维显示规划路径指示409以及未来一段时间内的安全通道指示408，碰撞告警指示407和前方障碍标识417等。

图形化符号直观地显示了航器航行状态信息以及确保航器航行安全与效率的辅助航行信息，地面操作人员通过这些信息可以方便快速地了解航器航行状态，并且通过辅助航行指示信息安全有效地操作航器航行。

图5示出了根据本发明的显示单元中航向指示符号的显示。其中航向指示符号外层为一个旋转罗盘501，箭头502指示当前航器磁航向并以数字显示503在圆心位置处，内层为航向趋势指示器504，也可旋转，在航向趋势指示器504同心圆间标示的三个以不同颜色填充的圆形符号，分别为当前航向符号505，它与罗盘箭头符号502一样，指示航器当前磁航向；航向趋势符号506，指示当前航器的航向趋势矢量，即3秒后的航向变化量；以及航向游标符号507，指示航器以当前航向趋势矢量转向结束后的磁航向。

图6说明了本发明的显示单元中水平与垂直方向不同航行状态的符号显示。601~603给出了标识航器水平航器状态的不同符号，其中601标识航器处于前进状态，602标识航器处于后退状态，603标识航器处于停止状态；604~606给出了标识航器垂直航器状态的不同符号，其中604标识航器处于保持状态，605标识航器处于上浮状态，606标识航器处于下潜状态。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种海底无人航行器导航信息显示处理方法，其特征在于：包括一个处理单元获取相应航行状态传感器数据生成航器航行状态符号，并根据规划路径信息、地形数据、声呐障碍物回波信号以及多种航行状态信息计算生成辅助航行指示符号，一个显示单元分布显示航器航行状态符号以及三维显示辅助航行指示符号；所述航器航行状态符号包括航姿指示符号、航向指示符号、速度、深度符号；所述辅助航行指示符号信息包括三维海底地形信息、规划路径指示、安全通道指示、碰撞告警指示符号以及前方障碍标识符号；所述航姿指示符号包括航器标识、垂直偏航姿态、水平偏航姿态符号，其中原点是航姿指示符号的一部分，位于中央位置，水平偏航姿态刻度线在原点的左方和右方分别以15^o间隔显示到60^o，垂直偏航姿态刻度线在原点的上方和下方同样分别以15^o间隔显示到60^o，以原点为起点的橙色三角形符号表示航器当前的水平姿态偏移量与垂直姿态偏移量，航器标识符号指示航器当前朝向；所述的航向指示符号包括磁航向；磁航向外层为一个旋转罗盘，旋转罗盘上有表示四个方向的字母，旋转罗盘箭头所指为当前航器磁航向并以数字显示在圆心位置处，内层为可旋转的航向趋势指示器，航向趋势指示器包括三个圆形符号标示，分别以颜色绿、黄、棕表示，绿色符号表示航器当前磁航向，黄色航向趋势符号表示当前航器的航向趋势矢量，指示航器在未来3秒内的航向变化量，棕色的航向游标符号表示航器以当前航向趋势矢量转向结束后的磁航向；所述速度包括加速度，度符号用于指示航器当前的速度、加速度以及水平方向航行状态，处理单元获取速度传感器的信息，生成相应的符号表示航器当前的水平方向航行前进、后退、停止状态，并在状态符号上方以数字显示当前航速，状态符号中的浅绿色加速度指示符号表示当前航器水平方向的加速度；所述深度包括加速度，深度符号用于指示航器当前的深度、加速度以及垂直方向航行状态，处理单元获取深度传感器的信息，生成相应的符号表示航器当前的垂直方向航行上浮、下潜、保持状态，并在状态符号上方以数字显示当前深度，状态符号中的浅绿色加速度指示符号表示当前航器垂直方向的加速度；所述规划路径指示根据输入路径的经纬度坐标信息在显示单元上三维显示航器规划路径符号；所述多种航行状态信息包括航器当前的速度、速度加速度，深度、深度加速度，航器水平与垂直方向的姿态以及航向的信息；所述安全通道指示由两条平行曲线及灰色与浅绿色相间的“斑马线”状条纹组成，指示航器未来一段时间内可选择的安全通道；所述前方障碍标识符号由一个透明度为75% 的红色矩形框及透明度为50% 的红色“叹号”标志组成，框内上方的白色数字指示前方障碍物距航器的直线距离，对于运动障碍，白色箭头表示其左右运动趋势，矩形框为障碍物轮廓投影到显示单元的最小外接矩形；所述碰撞告警指示符号包括三组符号，分别位于显示单元的左侧、右侧以及下侧，每组符号分别指示航器相对应一侧是否存在碰撞危险，并以红色填充标识表示存在潜在碰撞危险，填充标识个数指示潜在碰撞危险的可能性；所述红色标识数由处理单元获取航器相应一侧避碰声呐回波信号计算航器一侧距障碍物距离并与碰撞危险距离阈值比较后产生；所述三维海底地形信息，是根据电子海图地形数据库生成的三维数字地形，通过硬件渲染输出在显示端；

生成辅助航行指示符号信息的方法：

步骤201，获取操作人员预先设定的航线信息；处理单元获取操作人员预先设定航线信息以决定航器的大致走向，该航线信息是操作人员根据航器任务及电子海图数据库海底地形信息，给出的以多组经纬度坐标信息标识的航器航行路线；

步骤202，获取航器当前的航行状态信息；处理单元通过安装在航器上的航行状态传感器检测航器当前航行的多种状态信息，包括速度、速度加速度，深度，深度加速度，磁航向，航向趋势矢量，垂直姿态偏移量，水平姿态偏移量信息；

步骤203，根据当前航器位置信息获取电子海图数据库中相应位置的地形；处理单元通过步骤202 获取的航行状态信息，并根据入水时初始位置计算出航器当前所处位置的经纬度信息，并依据该经纬度信息获取电子海图数据库中相应位置的地形信息；

步骤204，获取威胁航行安全的障碍信息；处理单元通过位于航器左侧、右侧、下方的避碰声呐回波信号，计算出航器相应一侧威胁航行安全的障碍信息，并通过前方主动声呐回波信号计算得到前方静止或运动障碍物的信息；

步骤205，计算航器未来一段时间内的最优安全通道；处理单元根据步骤201 获取到的规划路径信息，步骤202 获取的多种航行状态信息，步骤203 获取的当前位置的地形数据，以及步骤204 获取的障碍信息综合计算生成最优安全通道；

步骤206，生成图形化显示界面，显示单元接收处理单元生成的辅助航行指示信息并以相应符号显示，包括步骤201 所述规划路径的三维显示以及生成航器一段时间内的最优安全通道三维显示，并将两者与航器当前位置的海底地形数据结合生成海底场景的整体三维显示。