CN108536140A - 一种无人船自主导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人船自主导航系统及方法，包括：A、规划无人船自主行驶和扫描测绘的航段路径；B、获取规划的航段路径，控制无人船沿规划的航段路径自主行驶和扫描测绘；C、实时监测无人船当前行驶状态是否偏离规划的航段路径，若发生偏离，则发送指令调整无人船行驶到规划的航段路径，否则保持当前行驶状态不变；D、判断无人船行驶的当前直线航段与下一目标直线航段是否存在大角度弯道，若不存在，则返回步骤C；若存在，则开启转向策略，控制船体以一定转向半径进行转向，以平滑度过弯道，重复执行步骤C,直至无人船完成所有直线航段的扫描测绘。本发明通过如上方法，实现了无人船的自主航行，提高了无人船测绘工作的效率和准确度。

Description

一种无人船自主导航系统及方法

技术领域

本发明属于无人船控制技术领域，特别是涉及一种无人船自主导航系统及方法。

背景技术

海底地形地貌是一切海洋开发和利用活动的基础，其信息获取是海洋测绘中最基础的工作。近年来，随着卫星导航定位、声学探测、数据通讯、计算机数据处理与可视化、图像学和图形学以及现代测量数据处理理论和方法等相关领域的发展，我国的海底地形地貌信息获取技术正在向高精度、高分辨率、自主集成、综合化和标准化方向发展。

无人船是一种新型的水上监测平台，其中以河川、湖泊、水库、海岸及港湾等水域为对象，以小型船舶为载体，集成定位导航、通讯与控制设备，可搭载多种监测传感器，以遥控/自主的工作方式完成特定的水文和水环境要素监测。由于无人船具有布置灵活、成本经济、自动测量等特点，在水文要素观测、水环境监测、水库及河道泥沙淤积量评估、水利工程选址和水下考古等方面具有广阔的应用前景。随着科学技术的发展，对无人船的应用研究越来越广泛，路径规划技术和自主导航技术是有关无人船研究的关键问题，也是无人船人工智能研究的重要内容，在一定程度上标志着无人船智能水平的高低。无人船需要在复杂的海洋环境中自主航行和作业，因此无人船对操纵性、控制性能和可靠性均提出了更为苛刻的要求。为了保证无人船安全、可靠、自主地完成各种复杂任务，这就需要研究更加先进的路径规划、自主导航控制等技术。

发明内容

为了实现无人船能够根据规划好的航段路径进行自主导航，完全实现自主航行，进一步提高无人船测绘工作的效率和工作准确度，本发明提出了一种无人船自主导航系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种无人船自主导航方法，所述方法包括如下步骤：

A、规划无人船进行自主行驶和扫描测绘的航段路径；

B、获取规划的航段路径，控制无人船沿所述规划的航段路径自主行驶和扫描测绘；

C、实时监测无人船当前行驶状态是否偏离规划的航段路径，若发生偏离，则发送指令调整无人船行驶到规划的航段路径，否则保持当前行驶状态不变；

D、判断无人船行驶的当前直线航段与下一目标直线航段是否存在大角度弯道，若不存在，则返回步骤C；若存在，则开启转向策略，控制船体以一定转向半径进行转向，以平滑度过弯道，重复执行步骤C,直至无人船完成所有直线航段的扫描测绘。

进一步的，所述步骤A包括：

A1、获取APP地图，并获取用户在APP地图上根据待测区域任意选择的多个点，以多个点为顶点自动生成任意形状的闭合多边形扫描区域；

A2、求取多边形扫描区域的最小外接矩形；

A3、获取用户根据无人船的最大扫描范围设定的扫描线间隔，以及获取用户根据多边形扫描区域的形状设定的扫描线角度，根据获取的扫描线间隔和角度在矩形边上等间隔取点生成扫描线，并以一定距离沿扫描线取航迹点，获得若干航迹点，将相邻两航迹点分别相连生成各直线航段，得到最终规划的航段路径。

进一步的，所述判断无人船行驶的当前直线航段与下一目标直线航段是否存在大角度弯道的具体方法为：根据设定的斜率相差参考值，检测当前直线航段与下一目标直线航段的斜率相差是否达到该设定值，若达到该设定值，则判断为存在大角度弯道。

进一步的，所述开启转向策略的具体方法为：根据当前直线航段与下一目标直线航段，计算船体的转弯点和转向半径，当船体行驶到计算的转弯点时，控制船体以计算的转向半径进行转向，以平滑度过弯道。

进一步的，所述步骤A1中，生成的多边形扫描区域为凸边形或凹边形，所述凹边形包括至少一个凹点。

进一步的，在执行步骤A2前，还执行如下步骤：

A11、判断所述多边形扫描区域为凸边形还是凹边形，若为凸边形，或者为凹边形，且所述凹边形具有一个或两个凹点时，则执行步骤A2；若为凹边形，且所述凹边形具有三个或三个以上凹点时，则执行如下步骤A111；

A111、通过多边形扫描区域顶点间构成的直线斜率差判断凹点，并通过遍历算法选择连接凹点，将该多边形扫描区域转化为若干个子多边形扫描区域，然后判断每个子多边形扫描区域所剩的凹点数，直到每个子多边形扫描区域最多具有一个或两个凹点，然后分别对每个子多边形扫描区域执行步骤A2。

进一步的，在所述步骤A3中，当所述多边形扫描区域为凹边形时，对所述设定的扫描线角度不作具体限定，只需扫描线与所述多边形扫描区域的多个边不存在交点即可。

本发明还提供了一种无人船自主导航系统，所述系统包括：

路径规划模块：用于规划无人船进行自主行驶和扫描测绘的航段路径，并将规划好的航段路径上传给自主导航模块；

自主导航模块：用于获取规划的航段路径，控制无人船沿所述规划的航段路径自主行驶和扫描测绘；

偏航监测模块：用于实时监测无人船当前行驶状态是否偏离规划的航段路径，若发生偏离，则发送指令调整无人船行驶到规划的航段路径，否则保持当前行驶状态不变；

转向控制模块：判断无人船行驶的当前直线航段与下一目标直线航段是否存在大角度弯道，若存在，则开启转向策略，控制船体以一定转向半径进行转向，以平滑度过弯道。

进一步的，所述偏航监测模块包括：

状态检测单元，用于实时检测无人船当前位置坐标和航向；

偏航判断单元，用于根据检测到的无人船当前位置坐标和航向，判断其是否偏离规划的航段路径，若发生偏离，则发送指令调整无人船行驶到规划的航段路径，否则保持当前行驶状态不变。

进一步的，所述转向控制模块包括：

弯道判断单元：用于为判断无人船行驶的当前直线航段与下一目标直线航段是否存在大角度弯道设定一斜率相差参考值，以及根据设定的斜率相差参考值，检测当前直线航段与下一目标直线航段的斜率相差是否达到该设定值，若达到该设定值，则判断为存在大角度弯道；

转向控制单元：用于根据当前直线航段与下一目标直线航段，计算船体的转弯点和转向半径，当船体行驶到计算的转弯点时，控制船体以计算的转向半径进行转向，以平滑度过弯道。

本发明采用如上技术方案带来的有益技术效果是：根据本发明技术方案，实现了一种全自动的无人船路径规划方法，同时，本发明还根据规划好的航段路径，精确的进行自主导航，完全实现了无人船的自主航行，并进一步提高了无人船测绘工作的效率和工作准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明所述实施例，下面将对实施例所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的无人船自主导航的方法流程示意图；

图2是本发明一个实施例提供的规划无人船航段路径的方法流程示意图；

图3是本发明一个实施例提供的判断是否存在大角度弯道方法流程示意图；

图4是本发明一个实施例提供的开启转向策略的方法流程示意图；

图5是本发明一个实施例提供的对凹边形扫描区域进行处理的方法流程示意图；

图6是本发明一个实施例提供的生成多边形扫描区域示意图；

图7是本发明一个实施例提供的求取多边形扫描区域最小外接矩形示意图；

图8是本发明一个实施例提供的无人船对点航行示意图；

图9是本发明一个实施例提供的无人船转向策略示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述，本文通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，即所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1所示，本发明提供的一种无人船自主导航方法，所述方法包括如下步骤：

A、规划无人船进行自主行驶和扫描测绘的航段路径；

B、获取规划的航段路径，控制无人船沿所述规划的航段路径自主行驶和扫描测绘；

C、实时监测无人船当前行驶状态是否偏离规划的航段路径，若发生偏离，则发送指令调整无人船行驶到规划的航段路径，否则保持当前行驶状态不变；

D、判断无人船行驶的当前直线航段与下一目标直线航段是否存在大角度弯道，若不存在，则返回步骤C；若存在，则开启转向策略，控制船体以一定转向半径进行转向，以平滑度过弯道，重复执行步骤C,直至无人船完成所有直线航段的扫描测绘。

在一个优选实施例中，如图2所示，所述步骤A包括：

A1、获取APP地图，并获取用户在APP地图上根据待测区域任意选择的多个点，以多个点为顶点自动生成任意形状的闭合多边形扫描区域，所述多个点至少为3个点；

A2、求取多边形扫描区域的最小外接矩形；

A3、获取用户根据无人船的最大扫描范围设定的扫描线间隔，以及获取用户根据多边形扫描区域的形状设定的扫描线角度，根据获取的扫描线间隔和角度在矩形边上等间隔取点生成扫描线，并以一定距离沿扫描线取航迹点，获得若干航迹点，将相邻两航迹点分别相连生成各直线航段，得到最终规划的航段路径。

在一个优选实施例中，判断无人船当前行驶状态是否偏离规划的航段路径的具体方法为：

实时检测无人船当前位置坐标和航向，通过磁力计检测或计算得出；

根据检测到的无人船当前位置坐标和航向，判断其是否偏离规划的航段路径，若发生偏离，则发送指令调整无人船行驶到规划的航段路径，否则保持当前行驶状态不变。

在一个优选实施例中，如图3所示，所述判断无人船行驶的当前直线航段与下一目标直线航段是否存在大角度弯道的具体方法为：根据设定的斜率相差参考值，检测当前直线航段与下一目标直线航段的斜率相差是否达到该设定值，若达到该设定值，则判断为存在大角度弯道。

在一个优选实施例中，如图4所示，所述开启转向策略的具体方法为：根据当前直线航段与下一目标直线航段，计算船体的转弯点和转向半径，当船体行驶到计算的转弯点时，控制船体以计算的转向半径进行转向，以平滑度过弯道。

在一个优选实施例中，所述步骤A1中，生成的多边形扫描区域为凸边形或凹边形，所述凹边形包括至少一个凹点。

在一个优选实施例中，如图5所示，在执行步骤A2前，还执行如下步骤：

A11、判断所述多边形扫描区域为凸边形还是凹边形，若为凸边形，或者为凹边形，且所述凹边形具有一个或两个凹点时，则执行步骤A2；若为凹边形，且所述凹边形具有三个或三个以上凹点时，则执行如下步骤A111；

A111、通过多边形扫描区域顶点间构成的直线斜率差判断凹点，并通过遍历算法选择连接凹点，将该多边形扫描区域转化为若干个子多边形扫描区域，然后判断每个子多边形扫描区域所剩的凹点数，直到每个子多边形扫描区域最多具有一个或两个凹点，然后分别对每个子多边形扫描区域执行步骤A2。

在一个优选实施例中，在所述步骤A3中，当所述多边形扫描区域为凹边形时，对所述设定的扫描线角度不作具体限定，只需扫描线与所述多边形扫描区域的多个边不存在交点即可。

示例性的，为了更清楚的描述本发明中规划无人船航段路径的具体方法，详见图6～图7所示，采用如下步骤：

步骤A1、绘制扫描区域:用户在APP地图上根据待测区域任意选择点A～E点，系统以A～E为顶点生成闭合的多边形扫描区域ABCDE，如图6所示，生成的闭合多边形扫描区域为凸边形(根据待测区域的不同，有时会生成包括一个或多个凹点的凹边形)。

A11、判断所述多边形扫描区域为凸边形还是凹边形，若为凸边形，或者为凹边形，且所述凹边形具有一个或两个凹点时，则执行步骤A2；若为凹边形，且所述凹边形具有三个或三个以上凹点时，则执行如下步骤A111；

A111、通过多边形扫描区域顶点间构成的直线斜率差判断凹点，并通过遍历算法选择连接凹点，将该多边形扫描区域转化为若干个子多边形扫描区域，然后判断每个子多边形扫描区域所剩的凹点数，直到每个子多边形扫描区域最多具有一个或两个凹点，然后分别对每个子多边形扫描区域执行步骤A2。

步骤A2、求最小外接矩形：系统软件自动求取多边形ABCDE的最小外接矩形，如图7所示。

步骤A3、用户设定扫描线间隔(根据船的最大扫描范围)和角度，系统程序根据扫描线间隔和角度在矩形边上等间隔取点生成扫描线，然后以一定距离沿扫描线取航迹点，从而获得若干航迹点，将相邻两航迹点分别相连生成各直线航段，得到最终规划的航段路径，所述无人船沿规划的航段路径自主行驶和扫描测绘。

在执行上述步骤A3中，当所述多边形扫描区域为凹边形时，对所述设定的扫描线角度不作具体限定，只需扫描线与所述多边形扫描区域的多个边不存在交点即可。对于有一个或两个凹点的凹边形，可以通过调整扫描路径的角度获得合适的扫描路径，避免出现一条扫描线与多个边有交点的情况。

示例性的，为了更清楚的描述本发明设计的无人船自主导航方法，详见图8、图9所示，

首先，获取规划的航段路径，规划的航段路径将航迹划分为若干个航迹点，无人船的任务即分解为从当前位置到达目标航点，沿所述规划的航段路径自主行驶和扫描测绘。如图8所示，其中船体当前航向为α，通过磁力计检测计算得出，而船当前位置与目标航点连线角度为β。要调整船体当前的航向与目标航向一致，然后控制船运动到目标航点设定半径范围内。即实时监测无人船当前行驶状态是否偏离了规划的航段路径，若发生偏离，则系统发送指令调整无人船行驶到规划的航段路径，否则保持当前行驶状态不变，实现无人船对点航行。

进一步，为实现船体追踪大角度变化航迹时平滑转向行驶，本发明制定了如下转向策略，如图9所示，A为船体当前位置，B和C为连续两个目标航点，当检测到直线AB和直线BC斜率相差达到设定值时，判断为大角度弯道，开启转向策略，当船体行驶到距B点一定距离的P₁位置时，根据C的位置以一定转向半径进行转向，以平滑度过弯道。即本发明系统设定一斜率相差参考值，通过计算当前直线航段AB与下一目标直线航段BC的斜率相差，并判断当前直线航段AB与下一目标直线航段BC的斜率相差是否达到该设定值，若达到该设定值，则判断为存在大角度弯道，开启转向策略，系统根据当前直线航段AB与下一目标直线航段BC，计算船体的转弯点和转向半径，控制船体行驶到计算的转弯点P₁位置时，再控制船体以计算的转向半径进行转向，以使无人船平滑度过弯道。

实施例2

本发明提供的一种无人船自主导航系统，主要包括：

路径规划模块：用于规划无人船进行自主行驶和扫描测绘的航段路径，并将规划好的航段路径上传给自主导航模块。

自主导航模块：用于获取规划的航段路径，控制无人船沿所述规划的航段路径自主行驶和扫描测绘。

偏航监测模块：用于实时监测无人船当前行驶状态是否偏离规划的航段路径，若发生偏离，则发送指令调整无人船行驶到规划的航段路径，否则保持当前行驶状态不变。

转向控制模块：判断无人船行驶的当前直线航段与下一目标直线航段是否存在大角度弯道，若存在，则开启转向策略，控制船体以一定转向半径进行转向，以平滑度过弯道。

在一个优选实施例中，所述偏航监测模块包括：

状态检测单元，用于实时检测无人船当前位置坐标和航向。

偏航判断单元，用于根据检测到的无人船当前位置坐标和航向，判断其是否偏离规划的航段路径，若发生偏离，则发送指令调整无人船行驶到规划的航段路径，否则保持当前行驶状态不变。

在一个优选实施例中，所述转向控制模块包括：

弯道判断单元：用于为判断无人船行驶的当前直线航段与下一目标直线航段是否存在大角度弯道设定一斜率相差参考值，以及根据设定的斜率相差参考值，检测当前直线航段与下一目标直线航段的斜率相差是否达到该设定值，若达到该设定值，则判断为存在大角度弯道。

转向控制单元：用于根据当前直线航段与下一目标直线航段，计算船体的转弯点和转向半径，当船体行驶到计算的转弯点时，控制船体以计算的转向半径进行转向，以平滑度过弯道。

通过以上的实施方式的描述，本发明中使用的“模块”、“系统”等术语旨在包括与计算机相关的实体，例如但不限于硬件、固件、软硬件组合、软件或者执行中的软件，即本领域的普通技术人员可以清楚地了解到部分实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分是以硬件加计算机软件产品的形式体现出来的，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。最后需要说明的是，以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而并非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当能够理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种无人船自主导航方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

A、规划无人船进行自主行驶和扫描测绘的航段路径；

B、获取规划的航段路径，控制无人船沿所述规划的航段路径自主行驶和扫描测绘；

C、实时监测无人船当前行驶状态是否偏离规划的航段路径，若发生偏离，则发送指令调整无人船行驶到规划的航段路径，否则保持当前行驶状态不变；

D、判断无人船行驶的当前直线航段与下一目标直线航段是否存在大角度弯道，若不存在，则返回步骤C；若存在，则开启转向策略，控制船体以一定转向半径进行转向，以平滑度过弯道，重复执行步骤C,直至无人船完成所有直线航段的扫描测绘。

2.根据权利要求1所述的无人船自主导航方法，其特征在于：所述步骤A包括：

A1、获取电子地图，并获取用户在电子地图上根据待测区域选择的多个点，以多个点为顶点自动生成任意形状的闭合多边形扫描区域；

A2、求取多边形扫描区域的最小外接矩形；

A3、获取用户根据无人船的最大扫描范围设定的扫描线间隔，以及获取用户根据多边形扫描区域的形状设定的扫描线角度，根据获取的扫描线间隔和角度在矩形边上等间隔取点生成扫描线，并以一定距离沿扫描线取航迹点，获得若干航迹点，将相邻两航迹点分别相连生成各直线航段，得到最终规划的航段路径。

3.根据权利要求1所述的无人船自主导航方法，其特征在于：所述判断无人船行驶的当前直线航段与下一目标直线航段是否存在大角度弯道的具体方法为：根据设定的斜率相差参考值，检测当前直线航段与下一目标直线航段的斜率相差是否达到该设定值，若达到该设定值，则判断为存在大角度弯道。

4.根据权利要求1所述的无人船自主导航方法，其特征在于：所述开启转向策略的具体方法为：根据当前直线航段与下一目标直线航段，计算船体的转弯点和转向半径，当船体行驶到计算的转弯点时，控制船体以计算的转向半径进行转向，以平滑度过弯道。

5.根据权利要求2所述的无人船自主导航方法，其特征在于：所述步骤A1中，生成的多边形扫描区域为凸边形或凹边形，所述凹边形包括至少一个凹点。

6.根据权利要求5所述的无人船自主导航方法，其特征在于：在执行步骤A2前，还执行如下步骤：

A11、判断所述多边形扫描区域为凸边形还是凹边形，若为凸边形，或者为凹边形，且所述凹边形具有一个或两个凹点时，则执行步骤A2；若为凹边形，且所述凹边形具有三个或三个以上凹点时，则执行如下步骤A111；

A111、通过多边形扫描区域顶点间构成的直线斜率差判断凹点，并通过遍历算法选择连接凹点，将该多边形扫描区域转化为若干个子多边形扫描区域，然后判断每个子多边形扫描区域所剩的凹点数，直到每个子多边形扫描区域最多具有一个或两个凹点，然后分别对每个子多边形扫描区域执行步骤A2。

7.根据权利要求6所述的无人船自主导航方法，其特征在于：在所述步骤A3中，当所述多边形扫描区域为凹边形时，对所述设定的扫描线角度不作具体限定，只需扫描线与所述多边形扫描区域的多个边不存在交点即可。

8.一种无人船自主导航系统，其特征在于：所述系统包括：

路径规划模块：用于规划无人船进行自主行驶和扫描测绘的航段路径，并将规划好的航段路径上传给自主导航模块；

自主导航模块：用于获取规划的航段路径，控制无人船沿所述规划的航段路径自主行驶和扫描测绘；

偏航监测模块：用于实时监测无人船当前行驶状态是否偏离规划的航段路径，若发生偏离，则发送指令调整无人船行驶到规划的航段路径，否则保持当前行驶状态不变；

转向控制模块：判断无人船行驶的当前直线航段与下一目标直线航段是否存在大角度弯道，若存在，则开启转向策略，控制船体以一定转向半径进行转向，以平滑度过弯道。

9.根据权利要求8所述的无人船自主导航系统，其特征在于，所述偏航监测模块包括：

状态检测单元，用于实时检测无人船当前位置坐标和航向；

偏航判断单元，用于根据检测到的无人船当前位置坐标和航向，判断其是否偏离规划的航段路径，若发生偏离，则发送指令调整无人船行驶到规划的航段路径，否则保持当前行驶状态不变。

10.根据权利要求8所述的无人船自主导航系统，其特征在于，所述转向控制模块包括：

弯道判断单元：用于为判断无人船行驶的当前直线航段与下一目标直线航段是否存在大角度弯道设定一斜率相差参考值，以及根据设定的斜率相差参考值，检测当前直线航段与下一目标直线航段的斜率相差是否达到该设定值，若达到该设定值，则判断为存在大角度弯道；

转向控制单元：用于根据当前直线航段与下一目标直线航段，计算船体的转弯点和转向半径，当船体行驶到计算的转弯点时，控制船体以计算的转向半径进行转向，以平滑度过弯道。