CN108809406A - 一种无人船的智能认知信息远程交互系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人船控制技术领域，公开了一种无人船的智能认知信息远程交互系统，解决了目前无人船与操作人员之间进行远程通信存在的数据通信量大、时效性差、运行范围受限、需频繁干预的问题，包括船载智能认知与通信系统,远程交互控制中心，通信卫星，第一卫星数据通信链路，第二卫星数据通信链路和微波或超短波数据通信链路；第一卫星数据通信链路连接通信卫星与船载智能认知与通信系统，第二卫星数据通信链路连接通信卫星与远程交互控制中心，微波或超短波数据通信链路连接船载智能认知与通信系统与远程交互控制中心。本发明保证无人船的监测和干预控制具有时效性，实现全球覆盖，具有较高的智能化水平，降低了操作人员对无人船干预的频率。

Description

一种无人船的智能认知信息远程交互系统

技术领域

本发明属于无人船控制技术领域，尤其涉及一种无人船的智能认知信息远程交互系统。

背景技术

无人船是一种可以无需遥控，借助精确卫星定位和自身传感即可按照预设任务在水面航行的全自动水面机器人，英文缩写为USV。现今，不少国家已开始研制无人船。一些船业巨头甚至乐观预测：也许只需几十年，发展成熟的“幽灵船”技术将改写全球远洋运输的面貌。另有业界人士预计，全球无人船市场规模2019年可能达到大约100亿美元。

近年来，随着无人船技术的出现和日趋发展完善，未来的海上交通方式和海洋观测手段面临着重大的变革，将对我国海洋科学研究、国民经济发展和社会进步产生重要而深远的影响。针对实际海洋环境中的应用需求，无人船可配置航海雷达8、激光雷达10、光电成像系统、声呐等各种传感器，获取周围局部环境的信息数据并自主分析理解，具备一定程度的智能水平，能够执行海上货物运输、事故人员搜救、水文气象监测、海洋生态研究等各类任务。

无人船运行的海洋环境，是一种特殊的非结构化的动态自然环境。与其它无人系统所处的空中、地面环境显著不同，海洋环境中的波浪、岛礁、船只、海岸、天气等因素更加复杂多变，各种因素的综合作用使得无人船的运动控制、环境认知、导航规划、通信等技术面临较大的困难与挑战。以通信技术为例，海面波浪对电磁波反射形成的杂波是通信系统的主要干扰来源，而波浪的形状、周期等变化规律几乎是无法预测的，因此电磁波信号中杂波干扰的形态和分布规律也无法准确描述，难以有效滤除，海洋环境中的通信往往面临着误码率高、信噪比低、传输速率小、延时高等问题，通常需要在现有技术水平条件下有针对性地设计专用的通信系统。

无人船在海面航行和执行任务时，位于控制中心的操作人员需要及时掌握无人船的运行状态和周围海面情况，从而有效地做出决策或进行干预。在目前的技术水平条件下，存在三种主要通信方式：(1)卫星通信方式。卫星数据通信成本高昂且带宽有限，因此通常只能间隔一定时间采集一次周围环境数据并传输至控制中心，导致该方式的时效性较差，在出现紧急情况时，操作人员往往无法及时、有效地制定应对策略。(2)移动通信网络方式。随着移动通信网络的传输能力和经济性逐渐提升，无人船可以采用该方式以较高带宽实时传输视频流或数据流，使操作人员能够实时监测无人船运行状态和周围环境，并及时做出决策，但该方式受到移动通信网络覆盖范围限制，并不适用于离岸较远或无信号覆盖的海域。(3)超短波或微波通信方式。该方式以超短波或微波频段电磁波为载体建立点对点的高速通信连接，操作人员可以实时地监测无人船及周围环境并进行控制决策，而控制中心可以灵活地设置在陆地或移动平台上，但该方式受超短波或微波通信距离限制，无人船只能在控制中心周围一定距离范围内航行。

综合分析可以得到，现有各种通信方式均存在显著的不足之处，需要设计组合通信系统，能够根据无人船在航行和执行任务时的实际情况，自适应地选择最优通信方式，且需具有自主切换通信方式的能力。

发明内容

本发明的目的在于公开认知智能化，时效性好的一种无人船的智能认知信息远程交互系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种无人船的智能认知信息远程交互系统,包括船载智能认知与通信系统1,远程交互控制中心2，通信卫星3，第一卫星数据通信链路4，第二卫星数据通信链路6和微波或超短波数据通信链路5；第一卫星数据通信链路4连接通信卫星3与船载智能认知与通信系统1，第二卫星数据通信链路6连接通信卫星3与远程交互控制中心2，微波或超短波数据通信链路5连接船载智能认知与通信系统1与远程交互控制中心2。

进一步地，船载智能认知与通信系统1，包括传感器子系统7，高性能计算机子系统11和第一远程通信子系统17。

进一步地，传感器子系统7，包括航海雷达8、激光雷达10和光电吊舱9。

进一步地，高性能计算机子系统11，包括第一智能认知计算机12，第二智能认知计算机13，第三智能认知计算机14，数据交换机15和信息融合与可视化计算机16。

航海雷达8与第一智能认知计算机12连接，激光雷达10和第二智能认知计算机13连接，光电吊舱9和第三智能认知计算机14连接。

进一步地，第一智能认知计算机12，第二智能认知计算机13和第三智能认知计算机14分别与数据交换机15连接；数据交换机15与信息融合与可视化计算机16连接。

进一步地，第一远程通信子系统17，包括第一卫星通信系统18、第一微波通信系统19、第一超短波通信系统20。

进一步地，远程交互控制中心2，包括第二远程通信子系统23，人机交互系统22和移动智能终端21；移动智能终端21与人机交互系统22连接，人机交互系统22与第二远程通信子系统23连接。

进一步地，第二远程通信子系统23，包括第二卫星通信系统24、第二微波通信系统25、第二超短波通信系统26。

本发明的有益效果为：

本发明中采用的组合通信方式，能够根据实际情况自适应地切换至最优通信方式，保证操作人员对无人船的监测和干预控制具有良好的时效性，实现监控范围的全球覆盖，使无人船获得非常好的推广和应用前景；本发明利用高性能计算机和机器视觉技术对传感器数据进行加工处理，实现对周围局部环境的自主认知，具有较高的智能化水平，保证了航行安全性和执行任务的效率，降低了操作人员对无人船干预的频率，有效节省了数据通信的带宽和成本；本发明使得操作人员不仅可通过人机交互系统22对无人船进行监测和干预控制，还可利用移动智能终端21实现相同的功能，从而允许操作人员采用更加灵活、便捷的操作方式；本发明采用的系统结构设计更加开放，使得本发明便于升级维护。

附图说明

图1是一种无人船的智能认知信息远程交互系统示意图；

图2是船载智能认知与通信系统示意图；

图3是远程交互控制中心示意图；

图4是船载智能认知与通信系统工作流程图；

图5是远程交互控制中心工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：

如图1，一种无人船的智能认知信息远程交互系统,包括船载智能认知与通信系统1,远程交互控制中心2，通信卫星3，第一卫星数据通信链路4，第二卫星数据通信链路6和微波或超短波数据通信链路5；第一卫星数据通信链路4连接通信卫星3与船载智能认知与通信系统1，第二卫星数据通信链路6连接通信卫星3与远程交互控制中心2，微波或超短波数据通信链路5连接船载智能认知与通信系统1与远程交互控制中心2。

如图2，船载智能认知与通信系统1，包括传感器子系统7，高性能计算机子系统11和第一远程通信子系统17；船载智能认知与通信系统1安装在无人船上，主要负责对周围局部环境的传感器数据进行分析和处理，建立数字环境模型，并可传输数据和快速响应指令。

传感器子系统7，包括航海雷达8、激光雷达10和光电吊舱9。传感器子系统7用于获取周围环境信息，将其转换为模拟信号或数字信号输出，同时可接收指令而调整工作参数或工作模式；传感器子系统7可挂载各种传感器，包括但不限于航海雷达8、激光雷达10、光电吊舱9。

高性能计算机子系统11，包括第一智能认知计算机12，第二智能认知计算机13，第三智能认知计算机14，数据交换机15和信息融合与可视化计算机16。高性能计算机子系统11用于对传感器数据加工处理以得到周围局部环境的认知结果，进行信息融合并建立可视化的数字环境模型，配备了信号采集、数据/指令通信等必要的软硬件接口，具有计算能力强、功耗低、可靠性高、实时性好等特点。数据交换机负责各计算机和数据处理装置之间的数据交换，发送远程交互控制中心需要的数据，以及分发接收到的操作人员指令；

航海雷达8与第一智能认知计算机12连接，激光雷达10和第二智能认知计算机13连接，光电吊舱9和第三智能认知计算机14连接。第一智能认知计算机12，第二智能认知计算机13和第三智能认知计算机14分别与数据交换机15连接；数据交换机15与信息融合与可视化计算机16连接。

第一远程通信子系统17，包括第一卫星通信系统18、第一微波通信系统19、第一超短波通信系统20。第一远程通信子系统17用于传输数据和接收指令，可根据航行位置、信号质量等实际情况自适应选择卫星、微波或超短波通信链路，确保无人船周围环境和运行状态数据的时效性，并能够对指令信息实现快速响应。在具有较高带宽的微波通信方式下，还可以实时传输视频流，使操作人员能够直接观察无人船周围环境。

如图4，在工作过程中，船载智能认知与通信系统1的工作流程包括如下步骤：

步骤(1)：系统进行初始化，各传感器加载默认参数并进入就绪状态，智能认知计算机、信息融合与可视化计算机16和其它数据处理装置启动运行必要的程序，使用默认参数，选择并建立最优的数据通信链路；

步骤(2)：判断是否接收到有效的指令，若是则根据指令内容设置各传感器参数或设置高性能计算机子系统11的数据处理方式，若否转至步骤(3)；

步骤(3)：各传感器采集周围局部环境的信息，将其转换为计算机可存储和处理的传感器数据，通过数据线缆发送至相应的智能认知计算机或其它数据处理装置；

步骤(4)：各智能认知计算机和其它数据处理装置通过配备的信号采集、数据通信等软硬件接口采集一帧各传感器的数据，完成处理和分析，获得对周围局部环境的认知结果；

步骤(5)：信息融合与可视化计算机16实时地将环境认知结果进行有效融合，并建立可视化的数字环境模型，包含了周围环境中的可通行区域、障碍物、感兴趣目标等完善信息；

步骤(6)：对当前数据通信链路的信号质量进行评价，若信号质量较差则切换为最优通信方式，若否转至步骤(7)；

步骤(7)：将数字环境模型和无人船状态信息通过数据通信链路发送至远程交互控制中心2，在带宽较高的微波或超短波通信方式下，还可以选择传输视频流等传感器数据；

步骤(8)：根据任务情况和无人船状态判断系统是否终止运行，若否转至步骤(2)，若是则系统退出运行。

如图3，远程交互控制中心2，包括第二远程通信子系统23，人机交互系统22和移动智能终端21；移动智能终端21与人机交互系统22连接，人机交互系统22与第二远程通信子系统23连接。远程交互控制中心2既可固定在地面上，又可设置在车辆、船舶、飞机等移动平台上，负责实时显示无人船运行状态、周围环境等信息，可以传输数据和发送操作人员的指令。远程交互控制中心2利用人机交互系统实时、直观显示无人船运行状态、周围环境等信息，具备完善的人机界面以接受操作人员的指令，同时也是向若干移动智能终端提供无线接入功能的服务器。

人机交互系统22，用于实时、直观显示无人船的运行状态、周围环境等信息，具有完善的人机界面以接受操作人员的指令，同时可作为无线基站提供移动智能终端21的接入服务。

移动智能终端21，为操作人员提供移动端的交互功能，人机交互系统22作为信息分发和指令接收的服务器，便于操作人员随时随地对无人船进行监测和干预控制，而无需在人机交互系统22处长期值守。

第二远程通信子系统23，包括第二卫星通信系统24、第二微波通信系统25、第二超短波通信系统26。第二远程通信子系统23用于传输数据和发送指令，可根据无人船位置、信号质量等实际情况自适应选择卫星、微波或超短波通信链路，确保操作人员对无人船的实时监测和及时干预控制。

如图5，远程交互控制中心2的工作流程包含如下步骤：

步骤(1)：系统进行初始化，远程通信子系统选择并建立最优的数据通信链路，人机交互系统22启动并进入就绪状态，向移动智能终端21提供无线接入服务；

步骤(2)：对当前数据通信链路的信号质量进行评价，若信号质量较差则切换为最优通信方式，若否转至步骤(3)；

步骤(3)：接收船载智能认知与通信系统1发出的数据，进行数据解析；

步骤(4)：将解析得到的数字环境模型和无人船状态以直观方式在显示屏幕上输出，在接收到视频流等传感器数据时也可有效显示；

步骤(5)：判断操作人员是否输入了指令信息，若是则通过数据通信链路向船载智能认知与通信系统1发出指令，若否转至步骤(6)；

步骤(6)：根据任务情况和无人船状态判断系统是否终止运行，若否转至步骤(2)，若是则系统退出运行。

本发明采用的组合通信方式，能够根据实际情况自适应地切换至最优通信方式，保证操作人员对无人船的监测和干预控制具有良好的时效性，实现监控范围的全球覆盖，使无人船获得非常好的推广和应用前景；本发明利用高性能计算机和机器视觉技术对传感器数据进行加工处理，实现对周围局部环境的自主认知，具有较高的智能化水平，保证了航行安全性和执行任务的效率，降低了操作人员对无人船干预的频率，有效节省了数据通信的带宽和成本；本发明使得操作人员不仅可通过人机交互系统22对无人船进行监测和干预控制，还可利用移动智能终端21实现相同的功能，从而允许操作人员采用更加灵活、便捷的操作方式；本发明采用的系统结构设计更加开放，使得本发明便于升级维护。

以上所述并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无人船的智能认知信息远程交互系统,其特征在于：包括船载智能认知与通信系统,远程交互控制中心，通信卫星，第一卫星数据通信链路，第二卫星数据通信链路和微波或超短波数据通信链路；第一卫星数据通信链路连接通信卫星与船载智能认知与通信系统，第二卫星数据通信链路连接通信卫星与远程交互控制中心，微波或超短波数据通信链路连接船载智能认知与通信系统与远程交互控制中心。

2.根据权利要求1所述的一种无人船的智能认知信息远程交互系统，其特征在于：所述的船载智能认知与通信系统，包括传感器子系统，高性能计算机子系统和第一远程通信子系统。

3.根据权利要求2所述的一种无人船的智能认知信息远程交互系统，其特征在于：所述的传感器子系统，包括航海雷达、激光雷达和光电吊舱。

4.根据权利要求2所述的一种无人船的智能认知信息远程交互系统，其特征在于：所述的高性能计算机子系统，包括第一智能认知计算机，第二智能认知计算机，第三智能认知计算机，数据交换机和信息融合与可视化计算机。

5.根据权利要求3所述的一种无人船的智能认知信息远程交互系统，其特征在于：所述的航海雷达与第一智能认知计算机连接，激光雷达和第二智能认知计算机连接，光电吊舱和第三智能认知计算机连接。

6.根据权利要求4所述的一种无人船的智能认知信息远程交互系统，其特征在于：所述的第一智能认知计算机，第二智能认知计算机和第三智能认知计算机分别与数据交换机连接；数据交换机与信息融合与可视化计算机连接。

7.根据权利要求2所述的一种无人船的智能认知信息远程交互系统，其特征在于：所述的第一远程通信子系统，包括第一卫星通信系统、第一微波通信系统、第一超短波通信系统。

8.根据权利要求1所述的一种无人船的智能认知信息远程交互系统，其特征在于：所述的远程交互控制中心，包括第二远程通信子系统，人机交互系统和移动智能终端；移动智能终端与人机交互系统连接，人机交互系统与第二远程通信子系统连接。

9.根据权利要求8所述的一种无人船的智能认知信息远程交互系统，其特征在于：所述的第二远程通信子系统，包括第二卫星通信系统、第二微波通信系统、第二超短波通信系统。