CN105882900B - 一种无人驾驶水上航行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人驾驶水上航行器，其包括：壳体，其包括动力舱部分、任务舱部分和控制舱部分；动力单元，其包含动力发生机构和执行机构，动力发生机构安装在动力舱内，执行机构安装在壳体外部，用于驱动航行器按照预定方向运动；控制单元，其设在控制舱中，用以根据远程指令来设定并分派任务操作，并根据远程指令或自动向动力系统发送航行控制信号进行安全的无人驾驶，其中航行控制信号中包括速度指标、方向指标、距离指标；若干任务设备，其设在任务舱内，以执行控制系统指配的任务操作。根据本发明的无人驾驶航行器可以降低人工成本、节能降耗、减少事故；替代人工完成不方便完成的任务，例如可以对危险水域进行探测，了解资源分布等。

Description

一种无人驾驶水上航行器

技术领域

本发明涉及航海领域，具体说涉及一种无人驾驶水上航行器。

背景技术

相较于其他交通方式，水上航行更容易受到环境、风向、水流、波浪的影响。因此，在航海领域，对于体积较小的船只而言，它们常常无法顺利完成航行任务，甚至有时会出现人员伤亡问题。此外，当船只遇到障碍时，目前的技术还不能完全做到智能避障。在这种情况下，船只容易受到障碍影响，或者侧翻或者被撞毁。另一方面，采用人来控制船只的航行，通常会有判断失误或者反应不够灵敏的情况出现，这样也会影响例如航行任务的执行。

目前，虽然无人驾驶技术已经被成功运用于飞机和汽车，而由于一些原因无人驾驶技术在船舶上的应用并不广泛，甚至还不存在商业应用。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种基于卫星与惯性导航器件而进行水面全自动自主驾驶与定位的智能无人船设计方案。无人船上留出任务系统舱，可搭载执行特定任务所需的不同设备。具体说，根据本发明的无人驾驶水上航行器包括：

壳体，其包括动力舱部分、任务舱部分和控制舱部分；

动力单元，其包含动力发生机构和执行机构，所述动力发生机构安装在所述动力舱内，所述执行机构安装在所述壳体外部，用于驱动所述航行器按照预定方向运动；

控制单元，其设在所述控制舱中，用以根据远程指令来设定并分派任务操作，并根据所述远程指令或自动向所述动力系统发送航行控制信号进行安全的无人驾驶，其中所述航行控制信号中包括速度指标、方向指标、距离指标；

若干任务设备，其设在所述任务舱内，以执行所述控制系统指配的的任务操作。

在根据本发明一个实施例的无人驾驶水上航行器中，所述控制单元进一步包括：

通信模块，其配置为用以接收与操控中心进行通信，以接收远程指令或向所述操控中心返回所述航行器的当前航行状态和航行条件；

航行控制模块，其配置为根据所述远程指令制定路线计划，并在该计划下实时产生航行控制信号以使得所述航行器到达目的地；

姿态调整模块，其配置为用以在所述航行器到达目的地时，根据要执行的任务类别对航行器姿态自动进行调整；以及

任务设备控制模块，其用于在姿态调整结束后控制任务设备执行当前的任务操作。

在根据本发明一个实施例的无人驾驶水上航行器中，所述航行控制模块包括：

定位子模块，其用于采用双卫星定位系统获取自身的位置信息；

导航子模块，其用于根据获取的所述位置信息和远程指令中包含的目的地信息进行动态路线计划，以便在短期偏离原计划行驶后仍会驶向目的地；

安全模块，其用于实时检测航行器的航行姿态是否正常，如果所述航行器处于非正常航行姿态下，及时进行调整扭转所述航行器的壳体方位。

在根据本发明一个实施例的无人驾驶水上航行器中，所述通信模块与地面基站通过下行链路进行通信以接收所述地面站发送的远程控制指令和通过上行链路通信向所述地面站上传视频或图像采集信息，其中所述下行链路为170MHz短波通信信道，所述上行链路为700M专用通信信道。

在根据本发明一个实施例的无人驾驶水上航行器中，所述通信模块还包括ZigBee子模块，以便进行多点自主组网、协同完成所指派的任务。

在根据本发明一个实施例的无人驾驶水上航行器中，所述任务设备包括图像采集设备、海上救生设备、水下测绘仪器。

在根据本发明一个实施例的无人驾驶水上航行器中，所述图像采集设备为防水摄像头，其设在所述航行器的壳体外表面。

在根据本发明一个实施例的无人驾驶水上航行器中，所述航行器的水下测绘仪器通过所述航行器壳体上设置的释放机构而深入到目标水域以下，其中：

所述释放机构一端固定连接所述航行器的壳体，另一端固定连接所述测绘仪器。

在根据本发明一个实施例的无人驾驶水上航行器中，所述海上救生设备包括定位装置、缆绳以及救生扶环，其中：

所述救生扶环固定安装在所述船体甲板外沿；

所述定位设备装置实时探测生命信号以搜寻并定位待搜救目标。

在根据本发明一个实施例的无人驾驶水上航行器中，所述动力舱分布在所述壳体的下半部分接近所述航行器底部的位置；

所述任务舱和所述控制舱分布在所述壳体的上半部分，其中，所述任务舱接近所述壳体的下半尾部位置，所述控制仓位于所述壳体的下半中部位置。

本发明具有如下优点：

(1)无人驾驶船舶可以降低人工成本、节能降耗、减少事故；

(2)替代人工完成人类不方便完成的任务，例如可以对未知水域进行探测，了解资源分布等。

本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的无人驾驶水上航行器的外部结构示意图；

图2是显示了根据本发明的一个实施例的无人驾驶水上航行器的功能结构示意图；

图3是根据本发明的一个实施例进行任务规划的流程图；以及

图4显示了根据本发明的一个实施例的用以安全航行的控制单元的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

在一些已经进行的研究中可以知道，无人驾驶船舶技术中的重点和难点是智能技术与控制技术。对于无人驾驶船舶来说，智能是最基本的特点。该型船舶必须能够自主进行环境探测、目标识别、自主避障、路径自主规划等。而控制技术也是核心技术之一，对指令的反应是否灵敏等是决定无人驾驶船舶能否成功航行的关键。

本发明提出了一种可商业应用的无人驾驶水上航行器，其可替代普通船只和船员执行一些任务，例如：水上救援、水下探测、安防巡逻、环保监测等。

如图1所示，其中显示了根据本发明一个实施例设计的无人驾驶水上航行器的外观结构图。在该图中，可以看出，水上航行器具有类似船舶形状的壳体。针对壳体所容纳的功能设备来将其分为三大部分：任务舱部分101、控制舱部分102和动力舱部分104。

如图所示，任务舱和控制舱分布在所述壳体的上半部分，其中，任务舱接近壳体的下半尾部位置，控制仓位于壳体的下半中部位置。

任务舱部分101位于航行器的靠尾部分，用以安置各种任务设备。在根据本发明一个实施例的无人驾驶水上航行器中，所述任务设备包括图像采集设备、海上救生设备、水下测绘仪器。在根据本发明一个实施例的无人驾驶水上航行器中，图像采集设备为防水摄像头，其设在航行器的壳体外表面。在根据本发明一个实施例的无人驾驶水上航行器中，所述航行器的水下测绘仪器通过所述航行器壳体上设置的释放机构而深入到目标水域以下，其中：所述释放机构一端固定连接所述航行器的壳体，另一端固定连接所述测绘仪器。

海上救生设备包括定位装置、缆绳以及救生扶环，其中：救生扶环固定安装在船体甲板外沿；定位设备装置实时探测生命信号以搜寻并定位待搜救目标。

控制舱部分102位于航行器的中部，用以安置控制航行器进行任务操作、与外界通信、安全航行的控制系统。由于控制系统由电子器件构成，并且对于无人驾驶技术而言控制舱内的部件是整个航行器的核心，因此，在控制舱部分需要进行特别的防水设计。在根据本发明的例子中，控制舱顶部额外设置外罩，外罩与控制舱周边采用密封胶圈等进行密封。当然，针对控制舱进行密封的技术可以采用现有技术中公开的任何一种，这并不对本发明进行任何限制。对于控制舱中的设备的细节，本文稍后会进行详细描述。

根据本发明的无人驾驶水上航行器的壳体上还设置有动力舱。如图1所示，动力舱104分布于航行器壳体的下半部分接近航行器底部的位置。在动力舱部分104中主要用于安装航行器的动力发生机构。在根据本发明的一个实施例中，动力舱系统选用喷水推进系统，提供无人船的航行动力。相比传统的螺旋桨式动力系统设计而言，喷水推进设计是一种特殊的船舶推进方式。与螺旋桨不同的是，它不是利用推进器直接产生推力，而是利用推进泵喷出水流的反作用力推动船舶前进。与螺旋桨这一传统的推进方式的理论和应用发展相比，喷水推进具有推进效率高、抗空泡性强、附体阻力小、操纵性好、传动轴系简单、保护性能好、运行噪声低、利于环保，且加上入水口安全防护罩，其安全性和灵活性等特点将大大超越传统螺旋桨式动力系统。

为便于水上快速行驶以及实现无人船在恶劣水文环境中的翻船时的自动翻转功能，本发明所设计的无人船系统的物理尺寸设计符合以下关系：

航行器总长为a米，总宽为a*k₁米，总高为a*k₂米。其中a＝3，k₁＝0.3，k₂＝0.2。其中，任务舱长为a₂米，总宽为a₂*k₃米，总高为a₂*k₄米。其中a₂＝1.3，k₁＝0.6，k₂＝0.22。

图1中的航行器上还设置有救生扶环103，其通常设计为圆形，半径为0.2米。

根据本发明的实施例的无人驾驶水上航行器的基本性能参数设计如下：

净重：约90公斤

承载能力：约100公斤

油箱大小：6升

最大油耗：6升/约3小时

最大航速：40-50公里/小时

连续工作时间：8小时

说明：上述设计参数指标均针对无风无浪情况设计。

为完成无人船系统的自主驾驶与预定任务功能，整体方案以三级系统的核心思想来设计。其中，该无人船系统共分为以下三个一级子系统：其一为动力舱系统，为无人船航行提供动力；其二为控制舱系统，主要实现无人船的安全驾驶、任务操作以及对地通讯功能，因此控制舱又分为安全驾驶、任务仓操作与通信三个二级子系统；其三为任务舱系统，主要依据不同的任务性质，装载不同的任务设备、仪器等。其中安全驾驶二级子系统又分为定位系统、导航系统、安全系统三个三级子系统，通讯系统又分为地面站系统与数据链系统。

具体地如图2所示，其中显示了按照上述核心思想设计的无人驾驶航行器的功能结构框图。在图2中，动力舱104包括动力发生机构和执行机构。在本发明中，这两个机构采用的是喷水推进动力系统，从而为无人船提供航行动力。一般地，动力发生机构安装在动力舱内，执行机构安装在所述壳体外部，用于驱动所述航行器按照预定方向运动；

控制单元设在控制舱102中，用以根据远程指令来设定并分派任务操作，并根据所述远程指令或自动向所述动力系统发送航行控制信号进行安全的无人驾驶，其中所述航行控制信号中包括速度指标、方向指标、距离指标。因此，如图所示，控制单元具体进一步需要完成通信控制功能、航行控制功能和任务控制功能。在航行控制功能中需要涉及到安全驾驶(防止侧翻并能自动反转)、路线规划、定位和导航功能。在定位功能中，为了保证位置信号的及时准确获取，采用GPS定位和北斗定位双模式定位技术进行实现。因此，根据本发明的无人船无论在何种条件下均能准确地返回给操控中心其具体的位置，从而便于控制人员制定准确的控制策略。

在图2中，显示出控制舱中的控制单元完成的通信控制功能需要通过两条通信链路与操控中心进行通信，即第一通信链路(下行，即从操控中心到航行器)和第二通信链路(上行，即从航行器到操控中心)。这是因为，通常而言，通过操控中心发来的数据中，指令占据主要类型，其要求是要能够被快速且准确地接收。因此，设计时可以考虑采用短波频段的信道作为优选的通信链路。而由航行器返回到操控中心的数据中，测绘信息、视频数据占主要，因此数据量很大，为了不造成对控制指令的接收的影响，采用额外频段的信道。该信道的频率可以比第一通信链路的频段低。

在本发明的一个实施例中，通信模块与地面基站(操控中心)通过下行链路进行通信以接收地面基站发送的远程控制指令和通过上行链路通信向述地面站上传视频或图像采集信息，其中下行链路为170MHz短波通信信道，上行链路为700M专用海上专用通信信道。

任务舱系统中按照任务需求，搭载所需的仪器设备。如图2所示，其中示例性地显示了包含救生设备、生命探测设备、数据采集设备、图像采集设备以及配合图像采集设备的姿态调整设备。如海上监视，则搭载高清防水的摄像头。海上救生，则搭载缆索系统，在离目标较近的抛出。

图3示出了根据本发明设计的无人船的任务执行流程图。需要特别说明的是，本发明的方法描述的是在计算机系统中实现的。该计算机系统例如可以设置在机器人的控制核心处理器中。例如，本文所述的方法可以实现为能以控制逻辑来执行的软件，其由机器人控制系统中的CPU来执行。本文所述的功能可以实现为存储在非暂时性有形计算机可读介质中的程序指令集合。当以这种方式实现时，该计算机程序包括一组指令，当该组指令由计算机运行时其促使计算机执行能实施上述功能的方法。可编程逻辑可以暂时或永久地安装在非暂时性有形计算机可读介质中，例如只读存储器芯片、计算机存储器、磁盘或其他存储介质。除了以软件来实现之外，本文所述的逻辑可利用分立部件、集成电路、与可编程逻辑设备(诸如，现场可编程门阵列(FPGA)或微处理器)结合使用的可编程逻辑，或者包括它们任意组合的任何其他设备来体现。所有此类实施例旨在落入本发明的范围之内。

在图3中，首先根据当前自身定位点信息与目标距离以及障碍物信息，首先进行是否需要进行避障判断，如果需要，则转入智能避障模块，避障完成后返回任务入口，重新进行避障判断，直至不需要避障为止；

如果不需要避障，则进行是否翻船判断，如果翻船，则转入自动翻转船体模块，执行完毕后重新进入任务入口，进行避障判断与翻船判断；如果未翻船，则进行正常任务模块。

在正常任务模块，首先判断是否有来自地面站的新任务或返回指令，有则执行新任务或执行返回任务而终止当前任务，否则执行当前任务。

在执行当前任务则首先根据当前自身定位点信息与目标位置信息，计算距离目标距离，如果距离目标距离小于任务区距离，则调整无人船姿态，进行任务区的任务舱操作，使得无人船能更高质量完成任务，完成后进入任务入口，进行避障、翻船判断，继续执行任务舱操作或等待返回指令。如果距离目标距离大于任务区距离，则进行路线规划。

在进行路线规划阶段，主要是根据当前自身位置点，目标信息、障碍信息，自动规划前路线，并解算出航向信息，发送给动力舱系统，使得无人船能按照解算航向自动行驶至目标区。

图4显示了根据本发明的，在根据本发明一个实施例的无人驾驶水上航行器中，所述控制单元进一步包括：

通信模块401，其配置为用以接收与操控中心进行通信，以接收远程指令或向所述操控中心返回所述航行器的当前航行状态和航行条件；

航行控制模块402，其配置为根据所述远程指令制定路线计划，并在该计划下实时产生航行控制信号以使得所述航行器到达目的地；

姿态调整模块403，其配置为用以在所述航行器到达目的地时，根据要执行的任务类别对航行器姿态自动进行调整；以及

任务设备控制模块404，其用于在姿态调整结束后控制任务设备执行当前的任务操作。

在根据本发明一个实施例的无人驾驶水上航行器中，所述航行控制模块包括：

定位子模块，其用于采用双卫星定位系统获取自身的位置信息。定位子模块(三级子系统)采用GPS、北斗导航卫星双接收系统实现无人船自身的定位，系统设计采用双模可转换方式，相互弥补。

导航子模块，其用于根据获取的所述位置信息和远程指令中包含的目的地信息进行动态路线计划，以便在短期偏离原计划行驶后仍会驶向目的地。导航子模块(三级子系统)采用自主研发的自动控制设备，根据自身的定位信息与目标信息，进行路线规划，实现自主导航。同时具有水面智能避障功能，实现对无人船四周的阻碍物自行判断并避开障碍物行驶，同时在避开障碍物后依然可以准确驶向目标位置。导航系统必须具有任务规划功能，能够进行任务分解，进行避障判断、翻船判断、到达任务区判断等。

安全模块，其用于实时检测航行器的航行姿态是否正常，如果所述航行器处于非正常航行姿态下，及时进行调整扭转所述航行器的壳体方位。根据本发明案安全模块(三级子系统)使得即使在恶劣水文情况下，如果无人船被风浪打翻，它也能够自动识别是正常行驶状态或翻船状态，自动扭转船体，使无人船重新进入正常行驶模态。

在根据本发明一个实施例的无人驾驶水上航行器中，所述通信模块还包括ZigBee子模块，以便进行多点自主组网、协同完成所指派的任务。

也就是说，本发明的安全驾驶系统主要通过定位系统、导航系统与安全系统三大三级子系统实现无人船的自主定位、路线规划、智能避障、自动翻转等功能。

任务舱操作系统主要是在接近目标位置时，为了完成任务的需求，调整无人船的航向姿态，使得任务舱系统能够更高质量地完成任务。如在进行拍照时，任务舱操作系统的主要任务是调整无人船系统的姿态使得摄像头能够始终对准静止或运动目标，以获得满意的目标照片。而在完成救生任务时，在需要在靠近落水人员时，调整缆绳出口正对落水人员再抛出缆绳。

通讯系统主要通过地面站系统与数据链系统两大三级子系统实现无人船的对地通讯、数据图像传输、指令传递等功能。

地面站系统：实现远程对无人船各类功能控制命令的编译与解析工作，将人为命令转换成无人船可接受的指令，以及回传数据、图像信息的显示功能等。地面站系统分为地面基站系统和便携式地面站两种。地面基站系统位于固定办公地点，可以详细显示任务设备、无人船信息等，同时可以控制多艘无人船。便携式地面站供工作人员单人使用，可以实现现场调试、无人船关键信息监测等等。

数据链系统：无人船与地面基站通信所使用频段，采用170M短波通信系统，提高有效通信距离，建立稳定连接。在传播实时视频传输与图像采集信息时采用700M海洋通信系统，搭载船载通信系统。实现船体状态，任务位置，监测数据、高清图像，实时画面，随时掌握；同时可搭载ZigBee模块，实现多艘无人船自动组网，协同完成特定任务。

综上所述，根据本发明的无人船融合了船舶、通信、自动化、机器人控制、远程监控、网络化系统等技术，可以实现自主导航、智能避障、远距离通信、视频实时传输和网络化监控等功能。它的应用前景也非常广泛，可以应用于以下六大领域：

1)海洋、河流、湖泊环保监测；2)科研勘探；3)水下测绘；4)搜索救援与救生；5)安防巡逻，海监，海警；6)军事应用领域的探测与情报收集等。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种无人驾驶水上航行器，其特征在于，所述航行器包括：

壳体，其包括动力舱部分、任务舱部分和控制舱部分；

动力单元，其包含动力发生机构和执行机构，所述动力发生机构安装在所述动力舱内，所述执行机构安装在所述壳体外部，用于驱动所述无人驾驶水上航行器按照预定方向运动；

控制单元，其设在所述控制舱中，用以根据远程指令来设定并分派任务操作，并根据所述远程指令或自动向所述动力单元发送航行控制信号进行安全的无人驾驶，其中所述航行控制信号中包括速度指标、方向指标、距离指标；

若干任务设备，其设在所述任务舱内，以执行所述控制单元指配的的任务操作；

其中，所述控制单元进一步包括：

通信模块，其配置为用以接收与操控中心进行通信，以接收远程指令或向所述操控中心返回所述无人驾驶水上航行器的当前航行状态和航行条件；

航行控制模块，其配置为根据所述远程指令制定路线计划，并在该计划下实时产生航行控制信号以使得所述无人驾驶水上航行器到达目的地；

姿态调整模块，其配置为用以在所述无人驾驶水上航行器到达目的地时，根据要执行的任务类别对无人驾驶水上航行器姿态自动进行调整；以及

任务设备控制模块，其用于在姿态调整结束后控制任务设备执行当前的任务操作，在执行当前任务时，所述任务设备控制模块还根据当前自身定位点信息与目标位置信息来计算距离目标距离，如果距离目标距离小于任务区距离，则调整无人船姿态，进行任务区的任务舱操作，如果距离目标距离大于任务区距离，则进行路线规划；其中，

所述航行控制模块包括：

定位子模块，其用于采用双卫星定位系统获取自身的位置信息；

导航子模块，其用于根据获取的所述位置信息和远程指令中包含的目的地信息进行动态路线计划，以便在短期偏离原计划行驶后仍会驶向目的地；

安全模块，其用于实时检测无人驾驶水上航行器的航行姿态是否正常，如果所述无人驾驶水上航行器处于非正常航行姿态下，及时进行调整扭转所述无人驾驶水上航行器的壳体方位。

2.根据权利要求1所述的无人驾驶水上航行器，其特征在于，所述通信模块与地面基站通过下行链路进行通信以接收所述地面基站发送的远程控制指令和通过上行链路通信向所述地面基站上传视频或图像采集信息，其中所述下行链路为170MHz短波通信信道，所述上行链路为700M专用通信信道。

3.根据权利要求2所述的无人驾驶水上航行器，其特征在于，所述通信模块还包括ZigBee子模块，以便进行多点自主组网、协同完成所指派的任务。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的无人驾驶水上航行器，其特征在于，所述任务设备包括图像采集设备、海上救生设备、水下测绘仪器。

5.根据权利要求4所述的无人驾驶水上航行器，其特征在于，所述图像采集设备为防水摄像头，其设在所述无人驾驶水上航行器的壳体外表面。

6.根据权利要求5所述的无人驾驶水上航行器，其特征在于，所述无人驾驶水上航行器的水下测绘仪器通过所述无人驾驶水上航行器壳体上设置的释放机构而深入到目标水域以下，其中：

所述释放机构一端固定连接所述无人驾驶水上航行器的壳体，另一端固定连接所述测绘仪器。

7.根据权利要求6所述的无人驾驶水上航行器，其特征在于，所述海上救生设备包括定位装置、缆绳以及救生扶环，其中：

所述救生扶环固定安装在所述无人驾驶水上航行器甲板外沿；

所述定位装置实时探测生命信号以搜寻并定位待搜救目标。

8.根据权利要求7所述的无人驾驶水上航行器，其特征在于：

所述动力舱分布在所述壳体的下半部分接近所述无人驾驶水上航行器底部的位置；

所述任务舱和所述控制舱分布在所述壳体的上半部分，其中，所述任务舱接近所述壳体的下半尾部位置，所述控制舱位于所述壳体的下半中部位置。