CN105898698B - 一种基于uwb的船舶靠泊辅助方法和系统 - Google Patents

一种基于uwb的船舶靠泊辅助方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于UWB的船舶靠泊辅助方法和系统，所述系统包括数据采集平台、数据处理平台和数据显示平台；方法包括：1、数据采集模块实时采集UWB节点信息，并将信息发送到数据处理模块；2、数据处理模块实时对步骤1传输的信息进行处理，获得码头和船舶的轮廓、船舶到码头的距离、角度和相对速度以及预警信息；数据存储模块实时保存上述得到的信息，同时通过数据传输模块将信息发送给数据显示平台，外界客户端利用这些信息辅助船舶在码头靠泊；重复步骤1到步骤3，进行数据实时更新，实现码头靠泊辅助功能。本发明通过UWB定位技术、网络技术辅助船舶靠泊，具有价格低廉、覆盖范围广、定位精度高、受环境因素影响小优点。

Description

一种基于UWB的船舶靠泊辅助方法和系统
技术领域
本发明涉及船舶靠泊定位技术领域，具体地，涉及一种基于UWB的船舶靠泊辅助方法和系统。
背景技术
船舶靠泊的时候，若不能很好地控制船舶的角度、速度，极易造成船体误触码头等事故发生。早期的船舶靠泊主要依靠人工经验，可靠性比较差。随着全球部分发达港口安设各种测速仪，辅助各类大型船舶安全靠泊。但是这些测速装置采用的基本上都是岸基式测量原理，并不适用于小型船舶和小型码头。
目前使用的一些船舶靠泊辅助系统均存在一定的不足。例如采用声波、激光等原理的装置受雨雪风雾等环境影响较大，DGPS的方法受GPS信号质量影响较大，传统视觉方法视距较短、预警距离不足，激光雷达的装置造假昂贵。
经检索，2014年7月2日公布的公开号为CN103901806A的发明专利“一种智能船舶靠泊辅助系统及方法”，虽然其采用激光扫描仪作为主传感器，但是此系统固定安装于码头某位置，无法小型化安装于船舶上，因此无法适用于所有的船舶停靠，特别是当船舶靠泊于没有安装此系统的码头时，无法保证船舶安全靠泊。2011年11月9日公开号为CN102236327A的发明专利“一种船舶激光靠泊监测系统”，是基于两个固定的激光测距仪实现的距离和角度的检测，获取的环境信息很少。三维激光测距传感器能够获取到较为丰富的环境信息，但是成本过高。
近年来，基于UWB(Ultra Wide Band)超宽带的定位技术越来越成熟，UWB设备具有价格低廉、覆盖范围广、定位精度高、受环境因素影响小等优点，将其应用于船舶辅助靠泊领域将有广阔前景。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于UWB的船舶靠泊辅助方法和系统，解决当前船舶靠泊辅助系统及方法中获取环境信息有限、环境适应能力和抗干扰能力不佳，以及成本过高的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种基于UWB的船舶靠泊辅助方法，包括如下步骤：
步骤1、在岸基和船基均设置UWB模块，每个UWB模块均为一个独立UWB节点，UWB节点之间能自组网；每个独立UWB模块均预设有编号信息，数据采集模块实时采集UWB节点信息，并将包含有UWB节点编号及坐标的信息通过有线或无线的传输方式发送到数据处理模块；
步骤2、数据处理模块实时地对步骤1传输的信息进行处理，获得实时码头和船舶的轮廓、船舶到码头的距离、角度和相对速度，以及预警信息；
步骤3、数据存储模块实时地保存步骤1、2得到的UWB节点信息、码头和船舶的轮廓、船舶到码头的距离、角度和相对速度，以及预警信息，同时通过数据传输模块实时地将以上信息通过有线或无线的方式发送给数据显示平台，客户端利用这些信息辅助船舶在码头靠泊；
步骤4、重复步骤1到步骤3，进行数据的实时更新，从而实现船舶靠泊辅助功能。
优选地，所述数据处理模块对UWB节点坐标信息进行处理，是指：将UWB节点坐标投射到以码头为坐标系的全局地图，以提取码头和船舶的轮廓，并推导计算出船舶到码头的距离、角度和相对速度。
根据本发明的另一个方面，提供一种基于UWB的船舶靠泊辅助系统，包括：数据采集平台、数据处理平台和数据显示平台，其中：
所述数据采集平台，包括设置于岸基部分和船基部分的UWB模块，每个UWB模块均为一个独立UWB节点，UWB节点之间能自组网；每个独立UWB模块均预设有编号信息，所述数据采集平台实时采集UWB节点信息，并将包含有UWB节点编号及坐标的信息通过有线或无线的传输方式发送到数据处理模块；
所述数据处理平台，融合所述数据采集平台多个节点的采集数据，确定码头与船舶之间的相对位姿信息；
所述数据显示平台，将当前船舶与码头之间的相对位姿关系显示给用户。
优选地，所述数据采集平台包括：岸基部分和船基部分，其中：
岸基部分不共线地安装3个以上UWB模块，且相邻UWB模块间距不超过100m；
船基部分：数据采集平台不共线地安设4个以上UWB模块，按照船艏、船艉、船体左侧边缘、船体右侧边缘安装。
所述数据处理平台包括：数据处理模块、数据存储模块和数据传输模块，其中：
数据处理模块，实时地对船载数据采集平台输出的UWB节点坐标信息进行处理，以获得实时的码头轮廓信息、船舶轮廓信息及船舶与码头之间的相对位姿、速度以及预警信息，并将获得的信息传输给数据存储模块以保存，同时传输给数据传输模块；
数据存储模块，用于存储UWB模块间隙发送的节点坐标信息，以及数据处理模块发送的码头轮廓信息、船舶轮廓信息、船舶与码头之间的相对位姿、速度以及预警信息；
数据传输模块，将码头轮廓信息、船舶轮廓信息、船舶到码头的距离、角度以及预警信息，采用有线或无线连接的方式实时传输给数据显示平台，以辅助船舶操作员在码头安全靠泊。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过UWB定位技术、网络技术等综合运用来辅助船舶在码头靠泊，与激光雷达、声波等传统方式相比，具有价格低廉、覆盖范围广、定位精度高、受环境因素影响小等优点。
2、通过本发明可以获取到码头的轮廓、船舶到码头的距离和角度信息，以及预警信息。本发明能够存储上述信息，并将信息通过有线或无线的方式传输给外界用户。可以将信息传输给外界客户端如无人船舶系统，来辅助无人船舶码头停靠；也可以输出到显示终端辅助舰载操作员安全作业。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的数据采集平台示意图；
图2为本发明一实施例的整体示意图；
图3为本发明一实施例的方法流程框图；
图中：数据采集平台1，数据处理平台2，数据显示平台3。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1-图3所示，一种基于UWB的船舶靠泊辅助系统，所述系统包括数据采集平台1、数据处理平台2、数据显示平台3，其中：所述数据采集平台1与所述数据处理平台2、所述数据处理平台2与所述数据显示平台3之间均采用有线或无线的连接方式，其中：
所述数据采集平台1，包括设置于岸基部分和船基部分的UWB模块，每个UWB模块均为一个独立UWB节点，UWB节点之间能自组网；每个独立UWB模块均预设有编号信息，所述数据采集平台实时采集UWB节点信息，并将包含有UWB节点编号及坐标的信息通过有线或无线的传输方式发送到数据处理模块；
所述数据处理平台2，融合所述数据采集平台多个节点的采集数据，确定码头与船舶之间的相对位姿信息；
所述数据显示平台3，将当前船舶与码头之间的相对位姿关系显示给用户。
在一优选实施例中：所述数据采集平台1包括：岸基部分和船基部分，其中：
岸基部分不共线地安装3个UWB模块，相邻UWB模块间距不超过100m(在其他实施例里UWB模块还可以是3个以上)；
数据采集平台不共线地安设4个UWB模块，按照船艏A、船艉B、船体左侧边缘C、船体右侧边缘D安装(在其他实施例里UWB模块还可以是4个以上，具体安设位置根据实际情况和需要设置)；
岸基部分和船基部分的UWB模块分别组网，每个独立UWB模块均预设有编号信息，UWB模块用于实时间歇发送本UWB模块编号及坐标信息，接收其他UWB模块的UWB信号，UWB模块解算出该信号的发射源UWB节点编号以及相对距离，并传输给数据处理平台。
所述数据处理平台，融合所述数据采集平台多个节点的采集数据，确定码头与船舶之间的相对位姿信息。
如图2所示，在一优选实施方式中，所述数据处理平台包括：数据处理模块、数据存储模块和数据传输模块，其中：
数据处理模块，实时地对船载数据采集平台输出的UWB节点坐标信息进行处理，以获得实时的码头轮廓信息、船舶轮廓信息及船舶与码头之间的相对位姿、速度以及预警信息，并将获得的信息传输给数据存储模块以保存，同时传输给数据传输模块；
数据存储模块，用于存储UWB模块间隙发送的节点坐标信息，以及数据处理模块发送的码头轮廓信息、船舶轮廓信息、船舶与码头之间的相对位姿、速度以及预警信息；
数据传输模块，将码头轮廓信息、船舶轮廓信息、船舶到码头的距离、角度以及预警信息，采用有线或无线连接的方式实时传输给数据显示平台，以辅助船舶操作员在码头安全靠泊。
所述数据处理平台在以码头中心为原点的坐标系中，通过多点校正的空间三点定位方法对船载各UWB节点进行定位，分别得到4个船载UWB节点在以码头中心为原点的坐标系的坐标。
所述数据处理模块对码头轮廓和船舶到码头的距离和角度信息进行分析，推导出船舶在码头靠泊的预警信息。
如图3所示，根据上述系统，一种基于UWB的船舶靠泊辅助系统的辅助靠泊方法，包括如下步骤：
步骤1、在岸基和船基均设置UWB模块，每个UWB模块均为一个独立UWB节点，UWB节点之间能自组网；每个独立UWB模块均预设有编号信息，数据采集模块实时采集UWB节点信息，并将包含有UWB节点编号及坐标的信息通过有线或无线的传输方式发送到数据处理模块；
步骤2、数据处理模块实时地对步骤1传输的信息进行处理，获得实时码头和船舶的轮廓、船舶到码头的距离、角度和相对速度，以及预警信息；
步骤3、数据存储模块实时地保存步骤1、2得到的UWB节点信息、码头和船舶的轮廓、船舶到码头的距离、角度和相对速度，以及预警信息，同时通过数据传输模块实时地将以上信息通过有线或无线的方式发送给数据显示平台，客户端利用这些信息辅助船舶在码头靠泊；
步骤4、重复步骤1到步骤3，进行数据的实时更新，从而实现船舶靠泊辅助功能。
所述数据处理模块对UWB节点坐标信息进行处理，是指：将UWB节点坐标投射到以码头为坐标系的全局地图，以提取码头和船舶的轮廓，并推导计算出船舶到码头的距离、角度和相对速度。
所述数据处理模块对码头轮廓和船舶到码头的距离和角度信息进行分析，推导出船舶在码头靠泊的预警信息。
在一优选实施方式中，所述预警信息多级推导规则如下：
当船舶与码头的距离小于L3时发出三级预警；
当船舶与码头的距离小于L2时发出二级预警；
当船舶与码头的距离小于L1时发出一级预警；
其中：L1<L2<L3。
本发明通过UWB定位技术、网络技术辅助船舶靠泊，具有价格低廉、覆盖范围广、定位精度高、受环境因素影响小优点。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种基于UWB的船舶靠泊辅助方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、在岸基和船基均设置UWB模块，每个UWB模块均为一个独立UWB节点，UWB节点之间能自组网；每个独立UWB模块均预设有编号信息，数据采集模块实时采集UWB节点信息，并将包含有UWB节点编号及坐标的信息通过有线或无线的传输方式发送到数据处理模块；
步骤2、数据处理模块实时地对步骤1传输的信息进行处理，获得实时码头和船舶的轮廓、船舶到码头的距离、角度和相对速度，以及预警信息；
步骤3、数据存储模块实时地保存步骤1、2得到的UWB节点信息、码头和船舶的轮廓、船舶到码头的距离、角度和相对速度，以及预警信息，同时通过数据传输模块实时地将以上信息通过有线或无线的方式发送给数据显示平台，客户端利用这些信息辅助船舶在码头靠泊；
步骤4、重复步骤1到步骤3，进行数据的实时更新，从而实现船舶靠泊辅助功能；
所述数据处理模块对UWB节点坐标信息进行处理，是指：将UWB节点坐标投射到以码头为坐标系的全局地图，以提取码头和船舶的轮廓，并推导计算出船舶到码头的距离、角度和相对速度；
所述数据处理模块对码头轮廓和船舶到码头的距离和角度信息进行分析，推导出船舶在码头靠泊的预警信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的船舶靠泊辅助方法，其特征在于，所述预警信息多级推导规则如下：
当船舶与码头的距离小于L3时发出三级预警；
当船舶与码头的距离小于L2时发出二级预警；
当船舶与码头的距离小于L1时发出一级预警；
其中：L1<L2<L3。
3.一种基于UWB的船舶靠泊辅助系统，其特征在于，包括：数据采集平台、数据处理平台和数据显示平台，其中：
所述数据采集平台，包括设置于岸基部分和船基部分的UWB模块，每个UWB模块均为一个独立UWB节点，UWB节点之间能自组网；每个独立UWB模块均预设有编号信息，所述数据采集平台实时采集UWB节点信息，并将包含有UWB节点编号及坐标的信息通过有线或无线的传输方式发送到数据处理模块；
所述数据处理平台，融合所述数据采集平台多个节点的采集数据，确定码头与船舶之间的相对位姿信息；
所述数据显示平台，将当前船舶与码头之间的相对位姿关系显示给用户；
所述数据采集平台包括：岸基部分和船基部分，其中：
岸基部分不共线地安装3个以上UWB模块，且相邻UWB模块间距不超过100m；
船基部分：数据采集平台不共线地安设4个以上UWB模块，按照船艏、船艉、船体左侧边缘、船体右侧边缘安装；
所述数据处理平台包括：数据处理模块、数据存储模块和数据传输模块，其中：
数据处理模块，实时地对船载数据采集平台输出的UWB节点坐标信息进行处理，以获得实时的码头轮廓信息、船舶轮廓信息及船舶与码头之间的相对位姿、速度以及预警信息，并将获得的信息传输给数据存储模块以保存，同时传输给数据传输模块；
数据存储模块，用于存储UWB模块间隙发送的节点坐标信息，以及数据处理模块发送的码头轮廓信息、船舶轮廓信息、船舶与码头之间的相对位姿、速度以及预警信息；
数据传输模块，将码头轮廓信息、船舶轮廓信息、船舶到码头的距离、角度以及预警信息，采用有线或无线连接的方式实时传输给数据显示平台，以辅助船舶操作员在码头安全靠泊；
所述数据处理平台在以码头中心为原点的坐标系中，通过多点校正的空间三点定位方法对船载各UWB节点进行定位，分别得到4个船载UWB节点在以码头中心为原点的坐标系的坐标。
4.根据权利要求3所述的一种基于UWB的船舶靠泊辅助系统，其特征在于，所述数据处理模块对码头轮廓和船舶到码头的距离和角度信息进行分析，推导出船舶在码头靠泊的预警信息。
5.根据权利要求4所述的一种基于UWB的船舶靠泊辅助系统，其特征在于，所述预警信息多级推导规则如下：
当船舶与码头的距离小于L3时发出三级预警；
当船舶与码头的距离小于L2时发出二级预警；
当船舶与码头的距离小于L1时发出一级预警；
其中：L1<L2<L3。
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