CN106197411A - 一种用于水下无人航行器安全航行的引导显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于水下无人航行器安全航行的引导显示系统，该系统不仅包含了水下无人航行器的航行状态信息，而且包括了安全航道和悬停点位置信息，这样能够全方位的辅助水上地面控制站或舰船的操作人员感知航行器所处态势，进而完成安全的航行与悬停操作。此外，此方法采用符号化的表达方式，使得地面站的显示界面更加清晰、简洁，显示内容更加直观、形象，人机界面友好。通过简单变形，本发明可用于水下无人航行器安全航行应用。

Description

一种用于水下无人航行器安全航行的引导显示系统

技术领域

本发明涉及一种水下无人航行器安全航行的方法，具体是一种用于水下无人航行器安全航行的引导显示系统。

背景技术

随着载人潜艇和遥控潜艇的发展，水下无人航行器继承和采用了许多载人潜艇和遥控潜艇相关的技术而得到了很好的发展。近年来，水下无人航行器在水雷侦察，水下攻击，反潜作战，海上石油开发，水下勘测，水下目标探查等方面已得到了广泛的应用。

然而，水下无人航行器的安全航行，准确定点悬停海底是当前面临的一项重大问题，即水下无人航行器如何安全航行到达预设定的海底定点并进行悬停。特别是：当预设定的悬停点周围海底环境复杂，如海底覆盖大量沉积物或泥沙，出现海沟，海底山脊等退化环境，以及海底洋流的影响。显然，仅仅依靠传统地面控制站所显示的海底图像与数字式航行参数进行航行指导，无法进行准确，安全的航行与悬停海底操作，甚至会造成任务延误乃至航行器损毁，失联等严重事故。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于水下无人航行器安全航行的引导显示系统，以便直观、清晰地为水上操作人员提供航行器的航行状态信息、航道信息及悬停点的位置信息，辅助水上操作人员进行安全航行操作，保证航行器高效完成任务和航行器水下作业安全。

本发明的目的是这样实现的，一种用于水下无人航行器安全航行的引导显示系统，其特征是：至少包括，

导航单元，用于为航行器运动解算单元提供航行器航行状态信息；用于为航行器安全航道计算单元提供航道规划信息；用于为悬停位置检测单元提供着悬停点位置信息；

处理单元，用于获取来自航行器运动解算单元的航行状态信息；用于获取来自于航行器安全航道计算单元的预设航道，实际航道和二者之间的偏差信息；用于获取来自于悬停位置检测单元的悬停点位置信息；并将上述信息进行融合，生成引导显示符号集；

悬停位置检测单元和航行器运动解算单元，用于利用可见光和声纳图像信息，通过算法处理获得航行器运动状态信息和悬停点位置信息；

航行器安全航道计算单元，用于利用导航传感器获取当前航行器的位姿信息以及悬停位置信息，通过算法计算航行器在安全航道内的实际航行轨迹参数；

显示单元是地面或舰船控制站上的一个或多个显示器，为操作人员提供可视化的显示。

所述的导航单元包括：惯导单元、声呐计程仪、声学相关计程仪、GPS、卡尔曼滤波、前视声呐、罗经、压力计和测深仪，惯导单元、声呐计程仪、声学相关计程仪、GPS、卡尔曼滤波、前视声呐、罗经、压力计和测深仪分别与处理单元通过接口电连接。

所述的产生引导显示符号集至少包括如下步骤：

步骤201：水下无人航行器通过导航单元获取传感器数据和传感器图像；

步骤202：航行器运动解算单元根据机载传感器提供的图像信息解算航行器的运动状态信息；

步骤203：航行器安全航道计算单元根据导航单元提供的声纳传感器提供的数据进行解算，规划出到达悬停点的航线；

步骤203：航行器航行悬停位置检测单元根据导航单元提供的激光传感器提供的数据解算出悬停点位置信息；

步骤205：处理单元将水下无人航行器的航行状态信息、航行器运动状态参数和规划的安全航线信息和悬停点的位置信息进行融合，生成相应的符号，构成安全航行引导显示符号集。

所述的航行器航行状态信息包括航行器当前时刻的航向，航行速度，深度，俯仰角，横滚角，洋流速度和方向信息。

所述的悬停点位置信息包括悬停点在海床上的位置和悬停点的大小范围。

所述的生成引导显示符号集包括水下无人航行器航行状态指示符号和安全航道指示符号。

所述的航行状态指示符号包括：航行深度符号, 航行器的俯仰角指示符号，航行器的横滚角指示符号，航行器方位指示符号，航行器的航行速度符号，航行器距离悬停点的距离符号。

所述的航行器航行深度符号，包括：深度刻度，当前深度指示及数值，深度名称标志符，在航行过程中，当前深度指示符的位置不变，始终指向航行器视图窗口矩形框的左边框内侧中点，数值随着航行器航行深度变化在视图窗口矩形框的左边框内侧滚动，精度为0.1m，视图窗口矩形框的左边框的“深度”为深度名称标识。

航行器航行横滚角符号，包括：横滚角度刻度，当前横滚角度指示及数值，横滚角度名称标志符，在航行过程中，当前横滚角度指示符的位置不变，始终指向航行器视图窗口矩形框的下边框内侧中点，数值随着航行器航行状态变化在视图窗口矩形框的下边框内侧滚动，精度为0.1°，视图窗口矩形框的下边框的“横滚角”为横滚角名称标识符。

航行器航行俯仰符号，包括：俯仰角度刻度，当前俯仰角度指示及数值，俯仰角度名称标志符，在航行过程中，当前俯仰角度指示符的位置不变，始终指向航行器视图窗口矩形框的右边框内侧中点，数值随着航行器航行状态变化在视图窗口矩形框的右边框内侧滚动，精度为0.1°，视图窗口矩形框的右边框的“俯仰角”为俯仰角名称标识符。

航行器航行方位符号，包括：方位刻度，当前方位指示及数值，方位名称标志符，在航行过程中，当前方位指示符的位置不变，始终指向航行器视图窗口内部六分之一圆弧内侧中点，数值随着航行器航行位置变化在视图窗口内部圆弧内侧滚动，精度为0.1°， 方位指示符下面的“方位”为方位名称标识符。

航行器航行速度符号，包括：速度刻度，当前速度指示及数值，速度名称标志符，在航行过程中，当前速度指示符的位置不变，始终指向速度刻度条中点，数值随着航行器航行速度变化在刻度条上滚动，精度为0.1kn，速度指示符下面的“速度”为速度名称标识符。

所述的航行器距离悬停点的距离符号，包括：距离刻度，当前距离指示及数值，距离名称标志符“距离”，在航行过程中，当前距离方位指示符的位置不变，始终指向距离刻度条中点，数值随着航行器航行位置变化在刻度条上滚动，精度为0.1m，距离指示符下面的“距离”为距离名称标识符。

所述的航行器安全航道符号，包括：实际航线偏离规划航线的偏航范围，实际航线方向指示，规划航线方向指示，安全航向指示灯，偏航距离，偏航角度，安全航道名称标识符“安全航道”；在航行过程中，当实际航线偏离规划航线时，四个同心圆中圆环指示出偏航范围，由圆心给出的短箭头直线指示规划航线方向，由圆心给出的长箭头直线指示实际的航线方向，两箭头直线的夹角表示偏航角度，当前偏航距离和角度偏航角度在矩形框中显示，偏航距离与偏航角度的数值间用“/”分隔，随着偏航距离增大实际航线长箭头直线长度变大，逐渐由内圆环指向外圆环，同时从左至右颜色为绿，蓝，黄的安全航向指示灯依次点亮，当箭头直线指向最外层圆环时，最右侧的红色指示灯闪烁并发出告警信息。

所述的航行器航行过程中的洋流符号，包括洋流标志符号，矩形框中洋流大小，洋流方向，洋流方向指示符以及洋流名称标识符“洋流”，矩形框中洋流大小与洋流方向之间用“/”分隔，洋流方向指示位于矩形框中下面，在航行过程中当前时刻洋流大小与洋流方向数值在矩形框中显示，洋流的方向用直线箭头指示。

所述的航程符号由一个数值框和一个名称标志符表示，其中数值框中的数值代表航行器水下累计航行距离，其单位为海里，数值框内数值最小变化单位为0.5 nm。

本发明的优点在于：提出了一种用于水下无人航行器安全航行的引导显示系统，它区别于传统的水下无人航行器安全航行方法，在于：不仅包含了水下无人航行器的航行状态信息，而且包括了安全航道和悬停点位置信息，这样能够全方位的辅助水上地面控制站或舰船的操作人员感知航行器所处态势，进而完成安全的航行与悬停操作。此外，此方法采用符号化的表达方式，使得地面站的显示界面更加清晰、简洁，显示内容更加直观、形象，人机界面友好。通过简单变形，本发明可用于水下无人航行器安全航行应用。

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是一种用于无人水下航行器安全航行的引导显示系统的结构框图；

图2是生成引导显示符号集的流程示意图；

图3是表示用于指示安全航行整体符号的显示图；

图4示出了本发明的显示单元中航行状态符号的显示图；

图5示出了本发明的显示单元中安全航道指示符号的显示图。

图中，101、导航单元；102、航行器运动解算单元；103、航行器安全航道计算单元；104、悬停点检测单元；105、处理单元；106、显示单元。

具体实施方式

本实施例给出了图1所示的一种用于水下无人航行器安全航行的引导显示系统，至少包括：导航单元101，处理单元105，航行器运动解算单元102，航行器安全航道计算单元103，悬停点检测单元104和显示单元106。

导航单元101，用于为航行器运动解算单元102提供航行器航行状态信息；用于为航行器安全航道计算单元103提供航道规划信息；用于为悬停位置检测单元104提供着悬停点位置信息；

处理单元105，用于获取来自航行器运动解算单元102的航行状态信息；用于获取来自于航行器安全航道计算单元103的预设航道，实际航道和二者之间的偏差信息；用于获取来自于悬停位置检测单元104的悬停点位置信息；用于产生引导显示符号集；

导航单元101是一个传感器设备集，主要的导航设备一般包括：惯导单元、声呐计程仪、声学相关计程仪、GPS、卡尔曼滤波、前视声呐、罗经、压力计和测深仪，惯导单元、声呐计程仪、声学相关计程仪、GPS、卡尔曼滤波、前视声呐、罗经、压力计和测深仪分别与处理单元105通过接口电连接。用于为水下无人航行器提供航向，航程，航行速度，深度，俯仰角，横滚角，洋流速度与方向，方位，可见光和声纳图像；

悬停位置检测单元104和航行器运动解算102单元，用于利用可见光和声纳图像信息，通过算法处理获得航行器运动状态信息和悬停点位置信息；

航行器安全航道计算单元103，用于利用导航传感器获取当前航行器的位姿信息以及悬停位置信息，通过算法计算航行器在安全航道内的实际航行轨迹参数；

显示单元106是地面或舰船控制站上的一个或多个显示器，为操作人员提供可视化的显示。

图2是生成引导显示符号集的流程示意图；

步骤201：水下无人航行器通过导航设备101获取传感器数据和传感器图像；

步骤202：航行器运动解算单元102根据机载传感器提供的图像信息解算航行器的运动状态信息；

步骤203：航行器航线规划单元103根据导航单元提供的声纳传感器提供的数据进行解算，规划出到达悬停点的航线。

步骤203：航行器航行悬停位置检测单元104根据导航单元提供的激光传感器提供的数据解算出悬停点的位置信息。，

步骤205：处理单元106将水下无人航行器的航行状态信息、航行器运动状态参数和规划的安全航线信息和悬停点的位置信息进行融合，生成相应的符号，构成安全航行引导显示符号集。

所述的生成引导显示符号集包括水下无人航行器航行状态指示符号和安全航道指示符号。

航行器航行状态信息包括航行器当前时刻的航向，航行速度，深度，俯仰角，横滚角，洋流速度和方向信息。悬停点位置信息包括悬停点在海床上的位置和悬停点的大小范围。

图3是表示用于指示安全航行的整体符号的显示实例。其内容是显示单元106输出到显示界面的信息，包括了航行器航行状态符号，安全航道符号。

符号301表示航行器视图窗口符号，是一个绿色矩形框，主要用来显示与航行器运动状态相关的航向，深度，横滚角，俯仰角，在整个航行过程中矩形框的大小不发生改变，上述运动状态参数刻度值在矩形框边框内侧或内部滚动。

符号311~313表示了有关航行器航行深度符号，包括：深度刻度311，当前深度指示及数值（单位：米）312，深度名称标志符313，在航行过程中，当前深度指示符312的位置不变，始终指向航行器视图窗口矩形框的左边框内侧中点，数值随着航行器航行深度变化在视图窗口矩形框的左边框内侧滚动，精度为0.1m，视图窗口矩形框的左边框的“深度”为深度名称标识符313。

符号321~323表示了有关航行器航行横滚角符号，包括：横滚角度刻度321，当前横滚角度指示及数值（单位：度）322，横滚角度名称标志符323，在航行过程中，当前横滚角度指示符322的位置不变，始终指向航行器视图窗口矩形框的下边框内侧中点，数值随着航行器航行状态变化在视图窗口矩形框的下边框内侧滚动，精度为0.1°，视图窗口矩形框的下边框的“横滚角”为横滚角名称标识符323。

符号331~333表示了有关航行器航行俯仰角符号，包括：俯仰角度刻度331，当前俯仰角度指示及数值（单位：度）332，俯仰角度名称标志符333，在航行过程中，当前俯仰角度指示符332的位置不变，始终指向航行器视图窗口矩形框的右边框内侧中点，数值随着航行器航行状态变化在视图窗口矩形框的右边框内侧滚动，精度为0.1°，视图窗口矩形框的右边框的“俯仰角”为俯仰角名称标识符333。

符号341~343表示了有关航行器航行方位的符号，包括：方位刻度341，当前方位指示及数值（单位：度）312，方位名称标志符343，在航行过程中，当前方位指示符342的位置不变，始终指向航行器视图窗口内部六分之一圆弧内侧中点，数值随着航行器航行位置变化在视图窗口内部圆弧内侧滚动，精度为0.1°， 方位指示符下面的“方位”为方位名称标识符343。

符号361~363表示了航行器航行速度符号，包括：速度刻度361，当前速度指示及数值（单位：节）362，速度名称标志符363，在航行过程中，当前速度指示符362的位置不变，始终指向速度刻度条中点，数值随着航行器航行速度变化在刻度条上滚动，精度为0.1kn，速度指示符下面的“速度”为速度名称标识符363。

符号371~373表示了航行器距离悬停点的距离符号，包括：距离刻度371，当前距离指示及数值（单位：米）372，距离名称标志符“距离”373，在航行过程中，当前距离方位指示符372的位置不变，始终指向距离刻度条中点，数值随着航行器航行位置变化在刻度条上滚动，精度为0.1m，距离指示符下面的“距离”为距离名称标识符373。

符号381和392表示航行器安全航道指示符号集，包括安全航行符号和洋流表示符号，这两种符号的具体实施将会在图5A，5B中详细说明，这里不再赘述。

图4示出了本发明的显示单元中航行状态符号的单独显示。航行器航行状态符号包括：航行深度符号401, 航行器的横滚角指示符号402，航行器的俯仰角指示符号403，航行器方位指示符号404，航行器的航行速度符号405，航行器与悬停点间的距离符号406，上述参数的显示变化能够具体，准确，形象地指示出航行器的航行状态与位置，便于地面或舰船控制站人员操控。

图5示出了本发明的显示单元中安全航道指示符号的显示。

安全航道指示符号包括安全航道符号，洋流符号和航行器航程符号。

符号501~507表示了航行器安全航道符号，包括：实际航线偏离规划航线的偏航范围501，实际航线方向指示502，规划航线方向指示503，安全航向指示灯504，偏航距离505，偏航角度506，安全航道名称标识符“安全航道”507。在航行过程中，当实际航线偏离规划航线时，四个同心圆中圆环指示出偏航范围501，由圆心给出的短箭头直线指示规划航线方向，由圆心给出的长箭头直线指示实际的航线方向，两箭头直线的夹角表示偏航角度，当前偏航距离505和角度偏航角度506在矩形框中显示，偏航距离与偏航角度的数值间用“/”分隔，随着偏航距离增大实际航线长箭头直线长度变大，逐渐由内圆环指向外圆环，同时从左至右颜色为绿，蓝，黄的安全航向指示灯依次点亮，当箭头直线指向最外层圆环时，最右侧的红色指示灯闪烁并发出告警信息。

符号511~515表示航行器航行过程中的洋流符号，包括洋流标志符号511，矩形框中洋流大小512，洋流方向513，洋流方向指示符514以及洋流名称标识符“洋流”515，矩形框中洋流大小与洋流方向之间用“/”分隔，洋流方向指示位于矩形框中下面，在航行过程中当前时刻洋流大小与洋流方向数值在矩形框中显示，洋流的方向用直线箭头指示。

符号351~352表示了航行器航程符号，包括：当前航程指示及数值（单位：米）351，航程名称标志符352，在航行过程中，数值随着航行器累计航程的变化在数据框内变化，精度为0.1m，航程指示符下面的“航程”为航程名称标识符353。

Claims (8)

1.一种用于水下无人航行器安全航行的引导显示系统，其特征是：至少包括，

导航单元（101），用于为航行器运动解算单元（102）提供航行器航行状态信息；用于为航行器安全航道计算单元（103）提供航道规划信息；用于为悬停位置检测单元（104）提供着悬停点位置信息；

处理单元（105），用于获取来自航行器运动解算单元（102）的航行状态信息；用于获取来自于航行器安全航道计算单元（103）的预设航道，实际航道和二者之间的偏差信息；用于获取来自于悬停位置检测单元（104）的悬停点位置信息；并将上述信息进行融合，生成引导显示符号集；

悬停位置检测单元（104）和航行器运动解算（102）单元，用于利用可见光和声纳图像信息，通过算法处理获得航行器运动状态信息和悬停点位置信息；

航行器安全航道计算单元（103），用于利用导航传感器获取当前航行器的位姿信息以及悬停位置信息，通过算法计算航行器在安全航道内的实际航行轨迹参数；

显示单元（106）是地面或舰船控制站上的一个或多个显示器，为操作人员提供可视化的显示。

2.根据权利要求1所述的一种用于水下无人航行器安全航行的引导显示系统，其特征是：所述的导航单元（101）包括：惯导单元、声呐计程仪、声学相关计程仪、GPS、卡尔曼滤波、前视声呐、罗经、压力计和测深仪，惯导单元、声呐计程仪、声学相关计程仪、GPS、卡尔曼滤波、前视声呐、罗经、压力计和测深仪分别与处理单元（105）通过接口电连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于水下无人航行器安全航行的引导显示系统，其特征是：所述的产生引导显示符号集至少包括如下步骤：

步骤201：水下无人航行器通过导航单元（101）获取传感器数据和传感器图像；

步骤202：航行器运动解算单元（102）根据机载传感器提供的图像信息解算航行器的运动状态信息；

步骤203：航行器安全航道计算单元（103）根据导航单元提供的声纳传感器提供的数据进行解算，规划出到达悬停点的航线；

步骤203：航行器航行悬停位置检测单元（104）根据导航单元提供的激光传感器提供的数据解算出悬停点的位置信息；

步骤205：处理单元（106）将水下无人航行器的航行状态信息、航行器运动状态参数和规划的安全航线信息和悬停点的位置信息进行融合，生成相应的符号，构成安全航行引导显示符号集。

4.根据权利要求1所述的一种用于水下无人航行器安全航行的引导显示系统，其特征是：所述的航行器航行状态信息包括航行器当前时刻的航向，航行速度，深度，俯仰角，横滚角，洋流速度和方向信息。

5.根据权利要求1所述的一种用于水下无人航行器安全航行的引导显示系统，其特征是：所述的悬停点位置信息包括悬停点在海床上的位置和悬停点的大小范围。

6.根据权利要求1所述的一种用于水下无人航行器安全航行的引导显示系统，其特征是：所述的生成引导显示符号集包括：航行器航行状态指示符号和安全航道指示符号。

7.根据权利要求6所述的一种用于水下无人航行器安全航行的引导显示系统，其特征是：所述的航行状态指示符号包括：航行深度符号, 航行器的横滚角指示符号，航行器的俯仰角指示符号，航行器方位指示符号，航行器的航行速度符号，航行器距离悬停点的距离符号；

所述的航行器航行深度符号，包括：深度刻度，当前深度指示及数值，深度名称标志符，在航行过程中，当前深度指示符的位置不变，始终指向航行器视图窗口矩形框的左边框内侧中点，数值随着航行器航行深度变化在视图窗口矩形框的左边框内侧滚动，精度为0.1m，视图窗口矩形框的左边框的“深度”为深度名称标识；

所述的航行器航行横滚角符号，包括：横滚角度刻度，当前横滚角度指示及数值，横滚角度名称标志符，在航行过程中，当前横滚角度指示符的位置不变，始终指向航行器视图窗口矩形框的下边框内侧中点，数值随着航行器航行状态变化在视图窗口矩形框的下边框内侧滚动，精度为0.1°，视图窗口矩形框的下边框的“横滚角”为横滚角名称标识符；

所述的航行器航行俯仰符号，包括：俯仰角度刻度，当前俯仰角度指示及数值（单位：度），俯仰角度名称标志符，在航行过程中，当前俯仰角度指示符的位置不变，始终指向航行器视图窗口矩形框的右边框内侧中点，数值随着航行器航行状态变化在视图窗口矩形框的右边框内侧滚动，精度为0.1°，视图窗口矩形框的右边框的“俯仰角”为俯仰角名称标识符；

所述的航行器航行方位符号，包括：方位刻度，当前方位指示及数值，方位名称标志符，在航行过程中，当前方位指示符的位置不变，始终指向航行器视图窗口内部六分之一圆弧内侧中点，数值随着航行器航行位置变化在视图窗口内部圆弧内侧滚动，精度为0.1°， 方位指示符下面的“方位”为方位名称标识符；

所述的航行器航行速度符号，包括：速度刻度，当前速度指示及数值，速度名称标志符，在航行过程中，当前速度指示符的位置不变，始终指向速度刻度条中点，数值随着航行器航行速度变化在刻度条上滚动，精度为0.1kn，速度指示符下面的“速度”为速度名称标识符；

所述的航行器距离悬停点的距离符号，包括：距离刻度，当前距离指示及数值，距离名称标志符“距离”，在航行过程中，当前距离方位指示符的位置不变，始终指向距离刻度条中点，数值随着航行器航行位置变化在刻度条上滚动，精度为0.1m，距离指示符下面的“距离”为距离名称标识符。

8.根据权利要求6所述的一种用于水下无人航行器安全航行的引导显示系统，其特征是：所述的水下无人航行器安全航道指示符号包括安全航道符号，洋流符号和航行器航程符号；

所述的航行器安全航道符号，包括：实际航线偏离规划航线的偏航范围，实际航线方向指示，规划航线方向指示，安全航向指示灯，偏航距离，偏航角度，安全航道名称标识符“安全航道”；在航行过程中，当实际航线偏离规划航线时，四个同心圆中圆环指示出偏航范围，由圆心给出的短箭头直线指示规划航线方向，由圆心给出的长箭头直线指示实际的航线方向，两箭头直线的夹角表示偏航角度，当前偏航距离和角度偏航角度在矩形框中显示，偏航距离与偏航角度的数值间用“/”分隔，随着偏航距离增大实际航线长箭头直线长度变大，逐渐由内圆环指向外圆环，同时从左至右颜色为绿，蓝，黄的安全航向指示灯依次点亮，当箭头直线指向最外层圆环时，最右侧的红色指示灯闪烁并发出告警信息；

所述的航行器航行过程中的洋流符号，包括洋流标志符号，矩形框中洋流大小，洋流方向，洋流方向指示符以及洋流名称标识符“洋流”，矩形框中洋流大小与洋流方向之间用“/”分隔，洋流方向指示位于矩形框中下面，在航行过程中当前时刻洋流大小与洋流方向数值在矩形框中显示，洋流的方向用直线箭头指示；

所述的航行器航程符号，包括：当前航程指示及数值，航程名称标志符，在航行过程中，数值随着航行器累计航程的变化在数据框内变化，精度为0.1m，航程指示符下面的“航程”为航程名称标识符。