CN106094606A - 一种水面无人艇导航与控制遥操作平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水面无人艇导航与控制遥操作平台，包括导航雷达、自动识别系统、航姿参考系统、转速与舵角传感器、车舵控制模块、艇载工控计算机以及岸基/母船控制计算机，岸基/母船控制计算机与艇载工控计算机通过TCP/IP或UDP协议双向连接，导航雷达和自动识别系统通过RS422/485模块与岸基/母船控制计算机连接，自动识别系统、航姿参考系统、转速与舵角传感器分别连接艇载工控计算机，艇载工控计算机通过车舵控制模块连接转速与舵角传感器，岸基/母船控制计算机分别连接基于滑阻的车钟与舵令传感器和转速及舵角表盘显示模块，本发明在引导航行过程中，能够通过雷达跟踪数据及自动识别系统参数实时分析艇周目标与无人艇的碰撞危险并给出试操船避让方案。

Description

一种水面无人艇导航与控制遥操作平台

技术领域

本发明涉及无人艇控制技术领域，具体为一种水面无人艇导航与控制遥操作平台。

背景技术

随着机器人技术、现代通信技术、计算机技术以及航海技术的迅猛发展，无人艇逐渐应用于海面环境监测、海上事故搜寻救助、海上交通疏导、协助维护海上交通秩序、近远程目标识别与追踪等领域。目前，水面无人艇的操作方式主要分为全自动操作和由人工遥控操作两种形式，或者可以手动操控和自主航行双模操控。

在过去20年中，无人装备尤其是无人机的军事应用取得了突飞猛进的发展，各国对无人艇技术的研究也逐年加强。当前的无人艇主要由美国、英国、法国、加拿大、以色列、日本等10余个国家研制，能够完成情报搜集、物理表征、反水雷、海事安全和训练测试等方面任务。单纯无人艇制导研究主要包含：一、路径规划方面研究，已经有了一定的研究成果，主要是基于给定的海洋环境信息（通常基于电子海图）来获取无人艇所经过区域的静态障碍物信息的大范围离线路径规划，主要方法有：栅格法、势场法、路径寻优Dijkstra算法、遗传算法、A*算法以及这几种算法改进的组合方法等；二、智能或在线支持避碰方法研究，主要是基于雷达和AIS获取附近船舶信息的小范围在线路径动态规划。常用的方法有：遗传算法、模糊理论、进化算法、粒子群算法、智能学习机制、基于避碰规则的确定性协同路径规划算法以及组合算法等。三、数据链建立及运动控制方法研究，目前一般基于无线遥控器的低端控制距离较短，不适合超视距遥控，且数据传输带宽也较小，存在着小艇失控而无法回收的风险。对于船艇智能自动舵的控制方法理论研究成果比较丰富，包括模糊控制、专家控制、神经网络控制、仿人智能控制、多种控制方法组合起来的混合智能控制等。但很多技术的产业化还处于早期阶段，用于无人艇运动控制还很少见，大都是仿真实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水面无人艇导航与控制遥操作平台，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种水面无人艇导航与控制遥操作平台, 包括导航雷达、自动识别系统、航姿参考系统、转速与舵角传感器、车舵控制模块、艇载工控计算机以及岸基/母船控制计算机，所述岸基/母船控制计算机与艇载工控计算机通过TCP/IP或UDP协议双向连接，所述导航雷达和自动识别系统通过RS422/485模块与岸基/母船控制计算机连接，所述自动识别系统、所述航姿参考系统、所述转速与舵角传感器分别连接艇载工控计算机，所述艇载工控计算机通过车舵控制模块连接转速与舵角传感器，所述岸基/母船控制计算机还分别连接基于滑阻的车钟与舵令传感器和转速及舵角表盘显示模块。

优选的，所述岸基/母船控制计算机包括电子海图航线设计模块、雷达与自动识别系统目标轨迹融合模块、碰撞危险判断模块、试操船方案及出界判断模块、控制算法及操纵指令模块以及艇载参数采集与显示模块，所述电子海图航线设计模块依次连接雷达与自动识别系统目标轨迹融合模块、碰撞危险判断模块、试操船方案及出界判断模块、控制算法及操纵指令模块，所述控制算法及操纵指令模块与艇载参数采集与显示模块双向连接。

优选的，所述碰撞危险判断模块评判算法如下：已知目标位置Q：，无人艇位置P：，目标真航向、航速，艇向、航速，分步求取目标相对艇的方位、距离；进一步计算目标危险系数，步骤如下：A、计算目标东、北向航速：

，

B、同理：计算无人艇东、北向航速：

C、移动目标对艇的相对航向、航速：

若，，

D、移动目标至最近会遇点的剩余距离和所需时间：

；

E、目标与艇的最近会遇距离：

其中，剩余距离、时间表示紧迫程度，最近会遇距离表示对艇危险程度，若小于安全阈，系统报警并提示或给出参考避让方案，方案算法与碰撞危险判断模块评判算法相同，即：给出假定的艇向与艇速参与上述技术，直至最近会遇距离大于设定阈。

优选的，所述试操船方案及出界判断模块算法如下：设无人艇位置P为：，预设航线包含航路点为：，航线含分段：其中任一分段:，（，，），其中：，若，则无人艇位置P偏离计划航线距离为：,若（XTE为预设允许偏航距离），系统给出警告；同理，设置多变形极限可航范围,构建多边形各边方法与航线构建方法相同，最后一条边为最后一个端点与第一端点的封闭，构建的多边形无论是凸壳还是凹壳多边形，只要边不自交，以艇位置为起点构建向下的射线（），与多边形各边交点数为奇数时，则艇位置在极限可航范围内，否则，出界，给出危险报警，算法为：遍历多边形各边，若，则构建射线与该段无交点；若，代入该边函数，解得映射解，若，判断有交点,并得交点坐标，交点计数变量加1；反之，与该边无交点；累计交点数，除2取余计算后，余数为1判为奇数，得艇位置在界内，反之越界。

优选的，所述基于滑阻的车钟与舵令传感器包括电源模块、单片机、传感器以及串口通信模块，所述单片机分别连接电源模块、传感器以及串口通信模块，所述单片机采用STC12C5A60S单片机，所述传感器采用滑阻式或磁敏式角位移传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在引导航行过程中，系统通过雷达跟踪数据及自动识别系统参数实时分析艇周目标与无人艇的碰撞危险并给出试操船避让方案，本发明能够实现基于4G网络的艇上传感器数据回传并将对艇车舵遥操作指令发送到艇，艇收令后利用PELCO-D指令驱动艇上车舵设备，本发明还可以进一步实现航行及避碰的全程自动化，搭载任务模块亦可完成专项任务，系统研究对抵近搜索侦察、险恶环境仿人作业具有一定意义。

附图说明

图1为本发明的系统原理框图；

图2为本发明的控制流程图；

图3为本发明的基于滑阻的车钟与舵令传感器控制原理框图。

具体实施方式

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一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种水面无人艇导航与控制遥操作平台, 包括导航雷达1、自动识别系统2、航姿参考系统3、转速与舵角传感器4、车舵控制模块5、艇载工控计算机6以及岸基/母船控制计算机7，所述岸基/母船控制计算机7与艇载工控计算机6通过TCP/IP或UDP协议双向连接，所述导航雷达1和自动识别系统2通过RS422/485模块与岸基/母船控制计算机7连接，所述自动识别系统2、所述航姿参考系统3、所述转速与舵角传感器4分别连接艇载工控计算机6，所述艇载工控计算机6通过车舵控制模块5连接转速与舵角传感器4，所述岸基/母船控制计算机7还分别连接基于滑阻的车钟与舵令传感器8和转速及舵角表盘显示模块9，岸基/母船控制计算机7包括电子海图航线设计模块10、雷达与自动识别系统目标轨迹融合模块11、碰撞危险判断模块12、试操船方案及出界判断模块13、控制算法及操纵指令模块14以及艇载参数采集与显示模块15，所述电子海图航线设计模块10依次连接雷达与自动识别系统目标轨迹融合模块11、碰撞危险判断模块12、试操船方案及出界判断模块13、控制算法及操纵指令模块14，所述控制算法及操纵指令模块14与艇载参数采集与显示模块15双向连接，其中，船用导航雷达及自动识别系统功能：通过雷达显控单元内的TRACK CONTROL和自动识别系统接口一站式采集雷达系统数据、雷达目标跟踪数据、自动识别系统目标数据，获取艇及艇周目标的位置及运动参数；雷达与自动识别系统目标轨迹融合模块：利用位置参数与运动参数进行目标数据融合，设定雷达目标与自动识别系统目标的偏离阈，实现雷达目标与自动识别系统目标的时空对准，对同一目标实现数据归一；碰撞危险判断模块：利用监控基站获取的艇周目标及艇的位置与运动数据，计算艇周目标与艇的碰撞危险参数；试操船方案及出界判断模块、控制算法及操纵指令模块：若目标与艇存在碰撞危险，利用假定航向、航速反推法，计算出合理的改向改速避让措施，随后，通过网络实现车舵指令远程传输，艇获令后在正常航行与避让过程中，根据艇上传回的位置与运动数据，监控实际偏航距离，进一步，监控艇位是否越出可航边界，进一步拓展可根据现实位置与航向航速预测是否会越界及越界时机，以此为基础调整导航与避让方案；基于滑阻的车钟与舵令传感器、转速与舵角传感器：基站利用模块仿实船操船装置给出遥控操船指令，同样方式，转速与舵角模块回传艇的操船响应参数；以移动4G网络为基础利用TCP/IP或UDP协议实现聊天室式基站与艇数据互传；艇载工控计算机：在遥指令下实现对艇车舵驱动，采集艇位置、航向、航速、艇姿态等参数回传；转速及舵角表盘显示模块：实现各参数数值、虚拟仪表显示、局面态势可视化的综合显示。

本发明的实现流程为：监控基站系统通过遥指令控制无人艇沿规划路径航行，航行中通过雷达、自动识别系统等手段及数据融合技术追踪到无人艇及艇周目标位置与航向航速等运动参数，判断是否是未知的移动障碍物（默认为在航船舶），根据船舶避碰规则，实时计算艇与移动船舶的最近会遇距离DCPA与最小会遇时间TCPA，若有碰撞危险则推算避碰方案，避让中，结合电子海图预设的无人艇运动全局路径规划、允许的偏航距离、极限可航范围等信息，分析有无严重偏航甚至越界的危险，若有调整避碰方案，尽量以减速直至停船避让，让请移动障碍物后，复航至原规划路线，若有碰撞危险，重复试操船及避让环节，直至航行至终点。

本实施例中，碰撞危险判断模块12评判算法如下：已知目标位置Q：，无人艇位置P：，目标真航向、航速，艇向、航速，分步求取目标相对艇的方位、距离；进一步计算目标危险系数，步骤如下：A、计算目标东、北向航速：

，

B、同理：计算无人艇东、北向航速：

C、移动目标对艇的相对航向、航速：

若，，

D、移动目标至最近会遇点的剩余距离和所需时间：

；

E、目标与艇的最近会遇距离：

其中，剩余距离、时间表示紧迫程度，最近会遇距离表示对艇危险程度，若小于安全阈，系统报警并提示或给出参考避让方案，方案算法与碰撞危险判断模块评判算法相同，即：给出假定的艇向与艇速参与上述技术，直至最近会遇距离大于设定阈。

本实施例中，试操船方案及出界判断模块13算法如下：设无人艇位置P为：，预设航线包含航路点为：航线含分段：其中任一分段:（，，），其中：，若，则无人艇位置P偏离计划航线距离为：,若（XTE为预设允许偏航距离），系统给出警告；同理，设置多变形极限可航范围,构建多边形各边方法与航线构建方法相同，最后一条边为最后一个端点与第一端点的封闭，构建的多边形无论是凸壳还是凹壳多边形，只要边不自交，以艇位置为起点构建向下的射线（），与多边形各边交点数为奇数时，则艇位置在极限可航范围内，否则，出界，给出危险报警，算法为：遍历多边形各边，若，则构建射线与该段无交点；若，代入该边函数，解得映射解，若，判断有交点,并得交点坐标，交点计数变量加1；反之，与该边无交点；累计交点数，除2取余计算后，余数为1判为奇数，得艇位置在界内，反之越界。

本实施例中，基于滑阻的车钟与舵令传感器8包括电源模块16、单片机17、传感器18以及串口通信模块19，所述单片机17分别连接电源模块16、传感器18以及串口通信模块19，所述单片机17采用STC12C5A60S单片机，所述传感器18采用滑阻式或磁敏式角位移传感器，本发明的STC12C5A60S单片机的8路10位A/D转换可实现多路角度（电压DC：0～+5V）信号数字化，本发明的单片机中采用P1.6，P1.7通道保证两路互为备用采集舵令或舵角信号，传感器实现140°～220°测角与+1.945～+3.055VDc 的线性映射，运用Keil uVision编程巡检式输出传感器10位二进制工位数，对应测角（-40°～+40°）由上位机解算。同理，实现车钟令及艇上油门摇柄（电动推进手柄）位置反馈采集。

本发明在引导航行过程中，系统通过雷达跟踪数据及自动识别系统参数实时分析艇周目标与无人艇的碰撞危险并给出试操船避让方案，本发明能够实现基于4G网络的艇上传感器数据回传并将对艇车舵遥操作指令发送到艇，艇收令后利用PELCO-D指令驱动艇上车舵设备，本发明还可以进一步实现航行及避碰的全程自动化，搭载任务模块亦可完成专项任务，系统研究对抵近搜索侦察、险恶环境仿人作业具有一定意义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种水面无人艇导航与控制遥操作平台, 包括导航雷达、自动识别系统、航姿参考系统、转速与舵角传感器、车舵控制模块、艇载工控计算机以及岸基/母船控制计算机，其特征在于：所述岸基/母船控制计算机与艇载工控计算机通过TCP/IP或UDP协议双向连接，所述导航雷达和自动识别系统通过RS422/485模块与岸基/母船控制计算机连接，所述自动识别系统、所述航姿参考系统、所述转速与舵角传感器分别连接艇载工控计算机，所述艇载工控计算机通过车舵控制模块连接转速与舵角传感器，所述岸基/母船控制计算机还分别连接基于滑阻的车钟与舵令传感器和转速及舵角表盘显示模块。

2.根据权利要求1所述的一种水面无人艇导航与控制遥操作平台，其特征在于：所述岸基/母船控制计算机包括电子海图航线设计模块、雷达与自动识别系统目标轨迹融合模块、碰撞危险判断模块、试操船方案及出界判断模块、控制算法及操纵指令模块以及艇载参数采集与显示模块，所述电子海图航线设计模块依次连接雷达与自动识别系统目标轨迹融合模块、碰撞危险判断模块、试操船方案及出界判断模块、控制算法及操纵指令模块，所述控制算法及操纵指令模块与艇载参数采集与显示模块双向连接。

3.根据权利要求2所述的一种水面无人艇导航与控制遥操作平台，其特征在于：所述碰撞危险判断模块评判算法如下：已知目标位置Q：，无人艇位置P：，目标真航向、航速，艇向、航速，分步求取目标相对艇的方位、距离；进一步计算目标危险系数，步骤如下：

计算目标东、北向航速：

，

B、同理：计算无人艇东、北向航速：

C、移动目标对艇的相对航向、航速：

若，，

D、移动目标至最近会遇点的剩余距离和所需时间：

；

E、目标与艇的最近会遇距离：

其中，剩余距离、时间表示紧迫程度，最近会遇距离表示对艇危险程度，若小于安全阈，系统报警并提示或给出参考避让方案，方案算法与碰撞危险判断模块评判算法相同，即：给出假定的艇向与艇速参与上述技术，直至最近会遇距离大于设定阈。

4.根据权利要求2所述的一种水面无人艇导航与控制遥操作平台，其特征在于：所述试操船方案及出界判断模块算法如下：设无人艇位置P为：，预设航线包含航路点为：，航线含分段：其中任一分段:，（，，），其中：，若，则无人艇位置P偏离计划航线距离为：,若（XTE为预设允许偏航距离），系统给出警告；同理，设置多变形极限可航范围,构建多边形各边方法与航线构建方法相同，最后一条边为最后一个端点与第一端点的封闭，构建的多边形无论是凸壳还是凹壳多边形，只要边不自交，以艇位置为起点构建向下的射线（），与多边形各边交点数为奇数时，则艇位置在极限可航范围内，否则，出界，给出危险报警，算法为：遍历多边形各边，若，则构建射线与该段无交点；若，代入该边函数，解得映射解，若，判断有交点,并得交点坐标，交点计数变量加1；反之，与该边无交点；累计交点数，除2取余计算后，余数为1判为奇数，得艇位置在界内，反之越界。

5.根据权利要求1所述的一种水面无人艇导航与控制遥操作平台，其特征在于：所述基于滑阻的车钟与舵令传感器包括电源模块、单片机、传感器以及串口通信模块，所述单片机分别连接电源模块、传感器以及串口通信模块，所述单片机采用STC12C5A60S单片机，所述传感器采用滑阻式或磁敏式角位移传感器。