CN106896815A - 一种无人船自动停泊系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人船自动停泊系统及方法，该系统船体上设有GPS收发装置、无线通信装置、电子罗盘、陀螺仪、灰度摄像头、摄像头、控制器、第一超声波传感器、动力单元；在回收平台的定位牌上设有黑色识别条、灰色识别条，回收平台还设有回收平台基座、后部支撑杆、前部支撑杆、电机、导轨、线缆、气囊、第二至第三超声波传感器、第一至第二红外线收发装置、压力传感器。本发明方法采用灰度摄像头判断无人船与回收平台上方定位牌的相对位置，从而调整无人船航向实现精准停泊；回收平台的碰撞保护模块根据红外线和超声波来判定无人船是否会发生碰撞等危险情况，并以此决定是否打开气囊保护无人船。

Description

一种无人船自动停泊系统及方法

技术领域

本发明涉及一种无人船自动停泊系统及方法，尤其涉及一种可以自动停泊至指定位置的无人船自动停泊系统及方法，属于无人船停泊技术领域。

背景技术

无人船是一种相比传统船只更安全、操作容易的一种船只。随着社会对安全、效率、回报率等的要求越来越高，近年来无人船的市场正逐步扩大。但无人船停泊技术的研究却并没有随着无人船发展的浪潮而兴起，相反的是，现如今无论是低端的遥控无人船，还是高端的搭载诸多实验仪器的无人船都主要通过操作员手动控制无人船至指定位置来回收。而手工回收则难免在回收过程中因意外操作而损毁器材或样品。同时，目前主流的无人船虽然都没有自动停泊系统，但无人船本身就具备一定的拓展空间，具备加装自动停泊系统的能力。

目前现有技术中提出的自动停泊方案分为以下几种：

(1)如公开号为CN106005343A的专利申请中，船控模块控制无人船根据自动记忆返回本次航程出发的码头。这种采用记忆路径返回的方法在GPS、电子罗盘、加速度传感器等精度不高的情况下自动停泊的能力很差。

(2)采用船舶磁力系泊装置，利用磁力代替缆绳进行系泊，使船舶能自动靠离码头(或其他船舶)。这种采用磁力停泊的方法局限性较大，无人船需要有足够的空间才能装下该系统，不利于拓展。

(3)直接通过摄像头循迹模块循迹实现自动停泊，具体是将图像采用最优阈值法灰度处理后，通过中线提取算法计算出偏移量后对路径进行修正，并通过超声波传感器对船身进行微调。这类做法主要从智能车自动停泊系统移植而来，由于水面环境复杂，该方法循迹准确率受环境影响很大，对停泊环境要求很严格。

为实现无人船自动停泊的目标，需要一种无人船自动停泊系统，要求具备自动停泊准确度高的能力，具备不易受复杂环境影响系统工作的能力，具备系统拓展性高、适应大部分船只的能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种无人船自动停泊系统及方法，实现了无人船不受环境因素影响自动精准停靠至指定位置的目的。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种无人船自动停泊系统，包括设置于无人船上的自动定位停泊模块、设置于水岸交界处的回收平台以及设置于岸边的定位牌；其中，自动定位停泊模块包括控制器、GPS收发装置、无线通信装置、电子罗盘、陀螺仪、灰度摄像头、摄像头、第一超声波传感器、动力单元，所述GPS收发装置、电子罗盘、陀螺仪、灰度摄像头、摄像头、第一超声波传感器、动力单元分别与控制器连接，第一超声波传感器设置于无人船船头位置，控制器通过无线通信装置与回收平台通信；定位牌包括一个黑色识别条和两个灰色识别条，两个灰色识别条以黑色识别条为中心相互对称；回收平台包括回收平台基座、四个支撑杆、四个压力传感器、电机、导轨、线缆，压力传感器、电机分别与控制器连接，四个支撑杆平均分布于回收平台基座表面，每个支撑杆顶端设置一个压力传感器，回收平台基座一侧与导轨相连，电机通过线缆带动回收平台基座沿导轨上下运动；回收平台基座与导轨相连的一侧的长度与定位牌的长度相等，且定位牌设置于回收平台正后方。

作为本发明系统的一种进一步方案，该系统还包括碰撞保护模块，所述碰撞保护模块包括气囊、第二至第三超声波传感器、第一至第二红外线收发装置，气囊、第二超声波传感器、第三超声波传感器、第一红外线收发装置、第二红外线收发装置分别与控制器连接；且气囊设置于回收平台基座与导轨相连的一侧的中间，第二超声波传感器、第三超声波传感器分别设置于气囊两侧，以气囊为中心相互对称，与气囊所在侧垂直的两侧分别设置有第一红外线收发装置、第二红外线收发装置，且第一红外线收发装置、第二红外线收发装置与气囊所在侧的距离为2cm。

作为本发明系统的一种优选方案，所述动力单元包括相互对称的左侧推进螺旋桨、右侧推进螺旋桨，且左侧推进螺旋桨、右侧推进螺旋桨分别与控制器连接。

作为本发明系统的一种优选方案，所述控制器采用STM32单片机。

作为本发明系统的一种优选方案，所述定位牌设置于回收平台正后方5cm处。

作为本发明系统的一种优选方案，所述电机采用50KG电机。

一种无人船自动停泊方法，包括如下步骤：

步骤1，利用GPS收发装置确定无人船与回收平台的距离，当无人船与回收平台的距离小于等于2m时，通过灰度摄像头捕捉无人船前方的图像；

步骤2，对图像进行灰度处理，设定图像大小为N*M，各个像素点表示为P_ij(red_ij，green_ij，blue_ij)，将每个像素点做以下变换，得到G_ij(g1_ij，g2_ij，g3_ij)，其中，g1_ij＝0.2950*red_ij，g2_ij＝0.5865*green_ij，g3_ij＝0.1185*blue_ij，1≤i≤N，1≤j≤M；

步骤3，对图像每列像素点进行处理，得到单列像素点的数据值K_j，处理公式为：

L_ij＝[(g1_ij-255)+(g2_ij-255)+(g3_ij-255)+c]²；c＝1，

步骤4，对K_j从大到小排序，并将排好序的数据值的列编号值j赋给A[M]数组，利用第一超声波传感器测量无人船与回收平台的距离L；

若L>50cm，从A[M]数组中提取A[0]，Q＝A[0]-M/2；

若Q>q1，则控制无人船右旋，3≤q1≤5；

若-q1≤Q≤q1，则控制无人船保持现有状态不变；

若Q<-q1，则控制无人船左旋；

若L≤50cm，从A[M]数组中提取A[0]-A[4]，v_i为残差；

若|σ|<0.4，则S＝[A[0]+σ]/(M/2)；

若S>s1，则控制无人船右旋，1≤s1≤3；

若-s1≤S≤s1，则控制无人船保持现有状态不变；

若S<-s1，则控制无人船左旋；

若|σ|≥0.4，则控制无人船保持现有状态不变；

步骤5，当无人船进入回收平台基座时，利用第一超声波传感器测量无人船与回收平台的距离，当距离小于3cm时，控制器控制动力单元停止工作，与此同时，第二超声波传感器、第三超声波传感器、第一红外线收发装置、第二红外线收发装置开始工作，当第二超声波传感器、第三超声波传感器测量无人船与回收平台的距离小于1.5cm且第一红外线收发装置、第二红外线收发装置检测到无人船通过时，打开气囊；

步骤6，无人船进入回收平台基座后，回收平台基座开始上浮，同时，压力传感器检测压力值并传送至控制器，当压力值正确时，回收平台基座平稳上浮，否则，基座停止上浮并通知岸上的操作员，由操作员通过摄像头传输的画面控制无人船调整姿势后重新上浮。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明无人船自动停泊系统及方法，不但可以实现无人船不受环境因素影响自动精准停靠至指定位置，同时该系统具有自动停泊准确度高、拓展性好的优点。

2、本发明无人船自动停泊系统及方法，可以减少诸如损坏器材、样品等灾难的发生，可以广泛的应用于多个领域。

附图说明

图1是本发明一种无人船自动停泊系统中自动定位停泊模块的示意图。

图2是本发明一种无人船自动停泊系统中定位牌的示意图。

图3是本发明一种无人船自动停泊系统中回收平台的示意图。

图4是本发明回收平台中回收平台基座的俯视图。

图5是本发明自动定位停泊模块中动力单元的示意图。

图6是本发明定位牌与回收平台的相对位置图。

图7是本发明一种无人船自动停泊系统的流程图。

其中，1-GPS收发装置，2-无线通信装置，3-电子罗盘，4-陀螺仪，5-灰度摄像头，6-摄像头，7-摄像头支架，8-控制器，9-第一超声波传感器，10-动力单元，11-黑色识别条，12-灰色识别条，13-回收平台基座，14-后部支撑杆，15-前部支撑杆，16-基座在导轨上的连接口，17-电机，18-导轨，19-线缆，20-气囊，21-第二至第三超声波传感器，22-第一至第二红外线收发装置，23-前部压力传感器，24-后部压力传感器，25-左侧推进螺旋桨，26-右侧推进螺旋桨，27-定位牌，28-水岸交界处。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1-图6所示，一种无人船自动停泊系统，包括自动定位停泊模块、定位牌、回收平台、碰撞保护模块。

如图1所示，自动定位停泊模块由GPS收发装置1、无线通信装置2、电子罗盘3、陀螺仪4、灰度摄像头5、摄像头6、摄像头支架7、控制器8、第一超声波传感器9、动力单元10组成。

GPS收发装置1用来接收无人船的实时定位，并把信号发给控制器8。

无线通信装置2与控制器8相连，用来收发数据，地面人员可以通过该装置收发数据并控制无人船。

电子罗盘3和陀螺仪4分别与控制器8相连，用来为无人船指向。陀螺仪亦可以选用电子罗盘与加速度传感器模拟陀螺仪。

灰度摄像头5与控制器8相连，灰度摄像头实时传输无人船正前方的图像并提取图像中的灰度，在捕捉到如图2所示定位牌中的黑色识别条11后根据灰度出现方位与无人船航向作对比，不断调整无人船航线以达到无人船航向与黑色识别条11对准。

摄像头6与控制器8相连，能把无人船前方的图像通过控制器8用无线通信装置2发给地面操作人员。

摄像头支架7用以固定灰度摄像头5及摄像头6。

控制器8采用的是stm32单片机，单片机与GPS收发装置1、无线通信装置2、电子罗盘3、陀螺仪4、灰度摄像头5、摄像头6、第一超声波传感器9、动力单元10通过导线相连，负责接收GPS信号，收发控制信号以及控制各个传感器或摄像头。

第一超声波传感器9与控制器8相连，用以判断无人船与回收平台内壁(回收平台基座与导轨相连的一侧)的距离，并能在距离过近的时候通过控制器8控制动力单元10停止无人船前行。

如图5所示，动力单元10由左侧推进螺旋桨25与右侧推进螺旋桨26组成，且动力单元10与控制器8相连，控制器8能单独控制左侧推进螺旋桨25或右侧推进螺旋桨26以实现转向及停止前进功能。左转弯则左螺旋桨转速小于右螺旋桨，右转弯则右螺旋桨转速小于左螺旋桨，保持前进则左右两侧螺旋桨转速相同。

如图2所示，定位牌27由黑色识别条11和灰色识别条12组成，其中黑色识别条11用来与无人船航向对准，灰色识别条12用来判断无人船航向与黑色识别条11之间的角度。黑色识别条11采用RGB值为0-0-0或相近的颜色，灰色识别条12采用RGB值为65-65-65或相近的颜色。

如图3、图6所示，定位牌27安放在回收平台正后方5cm处，两者间距离可以适当调整以适应不同的无人船及环境，回收平台紧贴岸边，而定位牌27安放在岸上。

如图3所示，回收平台由回收平台基座13、后部支撑杆14、前部支撑杆15、基座在导轨上的连接口16、电机17、导轨18、线缆19组成。

如图4所示，回收平台基座13表面装有后部支撑杆14、前部支撑杆15，其中后部支撑杆14顶部装有后部压力传感器24，前部支撑杆15顶部装有前部压力传感器23，当控制器8发送上浮信号给回收平台基座13时，若压力传感器在规定时间内没检测到相应压力，则回收平台基座13停止上浮。

回收平台基座13由金属材料制作，回收平台基座13上的后部支撑杆14、前部支撑杆15用以支撑无人船，防止其倾倒。电机17采用50KG电机，线缆19采用可沉重100KG的尼龙绳，通过电机17收放线缆19实现回收平台的上下移动，其中线缆19一侧连接电机，另一侧连接基座在导轨上的连接口16，线缆19、电机17、连接口16都在导轨18内。压力传感器23、24能实时发送压力值给控制器8，控制器8能在在回收平台上移3s内没有检测到相应压力值时控制电机停止工作。

电机17通过线缆19拉动在基座在导轨上的连接口16以达到控制回收平台基座13的上浮与下沉。其中，基座在导轨上的连接口16、电机17与线缆19都在导轨18内。

碰撞保护模块由气囊20、第二至第三超声波传感器21、第一至第二红外线收发装置22组成。超声波传感器21探测到船体在不断靠近且红外线收发装置22检测到船体通过时，通过控制器8触发气囊20，防止无人船被撞毁。

灰度识别以及控制无人船自动定位停泊由如下过程实现：

图像大小为N*M(N行，M列)，像素点P_ij(red_ij，green_ij，blue_ij)，其中1≤i≤N，1≤j≤M；

将灰度摄像头传输过来的图像数据流进行灰度处理，具体处理过程如下：

g1_ij＝0.2950*red_ij；

g2_ij＝0.5865*green_ij；

g3_ij＝0.1185*blue_ij；

得G_ij(g1_ij，g2_ij，g3_ij)，1≤i≤N，1≤j≤M；

对每个像素点进行灰度处理后，对单列像素点进行处理，具体过程如下：

L_ij＝[(g1_ij-255)+(g2_ij-255)+(g3_ij-255)+c]²；c＝1，1≤j≤M，其中j为整数；

b＝1，1≤j≤M，其中j为整数；

其中，b、c的值可以根据不同的天气及环境进行调整，不局限于本说明书中限定的1；

对单列像素点处理后得到单列像素点的数据值K_j，对K_j从大到小排序，并将排列好的数据的列编号值j赋给A[M]数组，(例如：K₁＝0、K₂＝2、K₃＝6、K₄＝1、K₅＝100000；则A[M]＝[5,3,2,4,1])；

这时调用第一超声波传感器9测得的距离数据L，若L>50cm，则对数据进行如下处理：

提取最大的单列像素点的数据值的列编号A[0]；

Q＝A[0]-M/2；

若Q>q1，则无人船右旋，(3≤q1≤5)；

若-q1≤Q≤q1，则无人船保持现有状态不变；

若Q<-q1，则无人船左旋；

若L≤50cm，则对数据进行如下处理：

提取五个最大的单列像素点的数据值的列编号A[0]-A[4]；

v_i为残差；

若|σ|<0.4，则S＝[A[0]+σ]/(M/2)；

若S>s1，则无人船右旋，(1≤s1≤3)；

若-s1≤S≤s1，则无人船保持现有状态不变；

若S<-s1，则无人船左旋；

若|σ|≥0.4，则无人船保持现有状态不变；

其中，q1、s1两个值也可以根据实际情况进行适当调整，不局限于本说明书中限定的数值。

如图7所示，本方面通过不断接收船体所在位置的GPS信号并与回收平台处GPS信号作对比，确定无人船与回收平台内壁的距离，并通过电子罗盘、陀螺仪决定无人船行使方向。当无人船行驶至距离回收平台内壁处GPS坐标2m内时，通过灰度摄像头捕捉无人船前方的图像，当寻找到识别牌时，通过用灰度识别及控制算法来判定回收平台上方定位牌相应灰度所在位置与无人船航向之间的角度，并根据计算出的结果通过控制器控制无人船左右两个螺旋桨的速度来控制无人船转向调节，直至调节至控制器判定无人船航向正对回收平台的时候为止。当无人船进入回收平台基座后，控制器打开第一超声波传感器检测无人船与回收平台内壁的距离，当距离低于3cm时，控制器控制螺旋桨停止工作。与此同时，碰撞保护系统打开，第二、第三超声波传感器开始工作，当距离低于1.5cm且第一、第二红外线收发装置检测到无人船通过时，气囊打开以避免无人船发生碰撞。若无人船正确的停在了回收平台内，回收平台开始工作，回收平台的平台基座开始上浮，基座上的压力传感器开始工作，当基座上的四个稳定无人船的基座上的压力传感器检测到正确的压力值时，基座平稳上浮。当压力传感器没有检测到正确的压力值时，基座停止上浮并把实时情况通知岸上的操作员，由操作员通过摄像头传输的画面控制无人船调整姿势后重新上浮，追踪无人船能够平稳的浮出水面。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无人船自动停泊系统，其特征在于，包括设置于无人船上的自动定位停泊模块、设置于水岸交界处的回收平台以及设置于岸边的定位牌；其中，自动定位停泊模块包括控制器、GPS收发装置、无线通信装置、电子罗盘、陀螺仪、灰度摄像头、摄像头、第一超声波传感器、动力单元，所述GPS收发装置、电子罗盘、陀螺仪、灰度摄像头、摄像头、第一超声波传感器、动力单元分别与控制器连接，第一超声波传感器设置于无人船船头位置，控制器通过无线通信装置与回收平台通信；定位牌包括一个黑色识别条和两个灰色识别条，两个灰色识别条以黑色识别条为中心相互对称；回收平台包括回收平台基座、四个支撑杆、四个压力传感器、电机、导轨、线缆，压力传感器、电机分别与控制器连接，四个支撑杆平均分布于回收平台基座表面，每个支撑杆顶端设置一个压力传感器，回收平台基座一侧与导轨相连，电机通过线缆带动回收平台基座沿导轨上下运动；回收平台基座与导轨相连的一侧的长度与定位牌的长度相等，且定位牌设置于回收平台正后方。

2.根据权利要求1所述无人船自动停泊系统，其特征在于，该系统还包括碰撞保护模块，所述碰撞保护模块包括气囊、第二至第三超声波传感器、第一至第二红外线收发装置，气囊、第二超声波传感器、第三超声波传感器、第一红外线收发装置、第二红外线收发装置分别与控制器连接；且气囊设置于回收平台基座与导轨相连的一侧的中间，第二超声波传感器、第三超声波传感器分别设置于气囊两侧，以气囊为中心相互对称，与气囊所在侧垂直的两侧分别设置有第一红外线收发装置、第二红外线收发装置，且第一红外线收发装置、第二红外线收发装置与气囊所在侧的距离为2cm。

3.根据权利要求1所述无人船自动停泊系统，其特征在于，所述动力单元包括相互对称的左侧推进螺旋桨、右侧推进螺旋桨，且左侧推进螺旋桨、右侧推进螺旋桨分别与控制器连接。

4.根据权利要求1所述无人船自动停泊系统，其特征在于，所述控制器采用STM32单片机。

5.根据权利要求1所述无人船自动停泊系统，其特征在于，所述定位牌设置于回收平台正后方5cm处。

6.根据权利要求1所述无人船自动停泊系统，其特征在于，所述电机采用50KG电机。

7.一种无人船自动停泊方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，利用GPS收发装置确定无人船与回收平台的距离，当无人船与回收平台的距离小于等于2m时，通过灰度摄像头捕捉无人船前方的图像；

步骤2，对图像进行灰度处理，设定图像大小为N*M，各个像素点表示为P_ij(red_ij，green_ij，blue_ij)，将每个像素点做以下变换，得到G_ij(g1_ij，g2_ij，g3_ij)，其中，g1_ij＝0.2950*red_ij，g2_ij＝0.5865*green_ij，g3_ij＝0.1185*blue_ij，1≤i≤N，1≤j≤M；

步骤3，对图像每列像素点进行处理，得到单列像素点的数据值K_j，处理公式为：

L_ij＝[(g1_ij-255)+(g2_ij-255)+(g3_ij-255)+c]²；c＝1，

$K_j=b*{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^N\&lsqb;L_{ij}/(g{1}_{ij}+g{2}_{ij}+g{3}_{ij}+1)\&rsqb;;b=1,1<j\&le;M;$

步骤4，对K_j从大到小排序，并将排好序的数据值的列编号值j赋给A[M]数组，利用第一超声波传感器测量无人船与回收平台的距离L；

若L>50cm，从A[M]数组中提取A[0]，Q＝A[0]-M/2；

若Q>q1，则控制无人船右旋，3≤q1≤5；

若-q1≤Q≤q1，则控制无人船保持现有状态不变；

若Q<-q1，则控制无人船左旋；

若L≤50cm，从A[M]数组中提取A[0]-A[4]，v_i为残差；

若|σ|<0.4，则S＝[A[0]+σ]/(M/2)；

若S>s1，则控制无人船右旋，1≤s1≤3；

若-s1≤S≤s1，则控制无人船保持现有状态不变；

若S<-s1，则控制无人船左旋；

若|σ|≥0.4，则控制无人船保持现有状态不变；

步骤5，当无人船进入回收平台基座时，利用第一超声波传感器测量无人船与回收平台的距离，当距离小于3cm时，控制器控制动力单元停止工作，与此同时，第二超声波传感器、第三超声波传感器、第一红外线收发装置、第二红外线收发装置开始工作，当第二超声波传感器、第三超声波传感器测量无人船与回收平台的距离小于1.5cm且第一红外线收发装置、第二红外线收发装置检测到无人船通过时，打开气囊；

步骤6，无人船进入回收平台基座后，回收平台基座开始上浮，同时，压力传感器检测压力值并传送至控制器，当压力值正确时，回收平台基座平稳上浮，否则，基座停止上浮并通知岸上的操作员，由操作员通过摄像头传输的画面控制无人船调整姿势后重新上浮。