CN108919800A - 一种船舶智能列队航行系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶智能列队航行系统，该系统包括设置在船舶上的定位系统和信息传递系统，以及远程控制系统；定位系统用于获取船舶的位置信息，并判断船舶之间的距离，进而改变队列方式；信息传递系统用于实现多艘船舶之间的无线通信，并完成不同船舶与远程控制系统之间的数据交互任务；远程控制系统用于根据船舶的位置信息，将多艘搭载有船舶智能列队航行系统的船舶组成船舶智能队列，船舶智能队列包括首船和多艘次船；远程控制系统向各个船舶的动力系统发出控制指令，以完成船舶智能队列的编队，实现多艘次船和首船的依次跟随航行。本发明为船舶保持高效、稳定的运输工作提供有效的帮助，提高了船队单次航行的运输量，解放人力。

Description

一种船舶智能列队航行系统

技术领域

本发明涉及船舶控制技术领域，尤其涉及一种船舶智能列队航行系统。

背景技术

水上运输的主要特点是运量大，成本低，而内河运输受单艘船吨位上限的约束，无法提高单次运输总量。以南京长江大桥为例，由于南京长江大桥水面到桥身的距离仅为24米,巨型外轮无法通过，丰水期仅能通过3000吨级船舶。目前分布在南京市以上、重庆市以下长江江段的港口多达21个，由于巨轮无法通过南京长江大桥，这些港口基本闲置。于是,南京长江大桥变成了一把锁,从下游就锁住了长江这条横亘东西的水运大动脉。

大型船舶在人员配备、燃料消耗、运输效率等方面优势愈发明显，能够满足船舶运力需求，但是无法通过诸如南京长江大桥之类的桥梁。目前南京至芜湖的水位只有6至7米，就算没有南京长江大桥，最多也只能保证3万吨级的空载海轮到达芜湖，限制了实际通航船舶的运输量。芜湖至武汉之间水深条件可以通行万吨级船队，但单船不行，水深无法适合万吨级以上的海轮航行。

武汉以下的长江落差极小，流速降低，泥沙非常容易淤积，结果就是接近入海口的地方，水深反而迅速下降，导致长江航道上大吨位、深吃水船舶无法通过。而如何提高船舶运送效率，成了船舶优化研究的一个重要方向。

而现如今，国际与国内贸易量的日益增加是对交通运输的效率、安全与节能提出的一个新挑战。航运作为一种重要的贸易运输方式，如何提高其运输载体——船舶的智能化水平是亟待解决的关键问题。智能化无人船队很好的解决了这一问题，能实现以最少的人力实现最大的运输量。近年来，在传感、通信、计算机、信息、自动化、智能控制等技术的引领下，船舶智能化发展较快并取得了一些新的成果。

在船舶智能航行方面，计算机技术、传感器技术、通信技术、信息技术的进步推动了船舶导航设备、自动化设备、环境感知设备的更新与升级，物联网技术、信息物理系统和大数据技术的应用加快了船船、船岸之间信息交互的发展，这为构建新一代综合船桥系统(Integrated Bridge System,IBS)提供了必要的基础。IBS的发展和人工智能的突破也为实现船舶无人驾驶提供了可能。

智能机器人、无人驾驶汽车、无人飞机的应用使无人控制理论与技术急速发展，作为船舶智能化重要的发展方向之一，无人驾驶在船舶上的实现也指日可待。虽然目前的IBS已具备简单的航线规划、自动避碰和航线跟踪功能，但距离真正的无人驾驶还有较大的距离。尤其是在内河水域，由于航道环境复杂多变、交通流密集，无人驾驶过程中对船舶的周围障碍物感知、路径规划和轨迹跟踪能力要求较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种船舶智能列队航行系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种船舶智能列队航行系统，该系统包括设置在船舶上的定位系统和信息传递系统，以及远程控制系统；其中：

定位系统用于获取船舶的位置信息，并判断船舶之间的距离，进而改变队列方式；

信息传递系统用于实现多艘船舶之间的无线通信，并完成不同船舶与远程控制系统之间的数据交互任务；

远程控制系统用于根据船舶的位置信息，将多艘搭载有船舶智能列队航行系统的船舶组成船舶智能队列，船舶智能队列包括首船和多艘次船；远程控制系统向各个船舶的动力系统发出控制指令，以完成船舶智能队列的编队，实现多艘次船和首船的依次跟随航行。

进一步地，本发明的定位系统包括：GPS模块、可视化模块和声波模块；其中：

GPS模块用于获取船舶的GPS位置信息；可视化模块为设置在船首位置的单目视觉摄像机，用于获取前面一艘船舶的图像，并识别其位置和运动方向信息；声波模块设置在船首位置，用于向前一艘船发出超声波信号，根据返回时间计算得到两船间的距离，进而实现辅助定位。

进一步地，本发明的远程控制系统将船舶组成船舶智能队列的方式包括三种：方向跟随、轨迹跟随以及动作跟随；其中：

方向跟随，后一艘船以其前方船舶的定位为前进方向，若遇到障碍物，避开障碍物后继续朝着前方船舶的定位方向航行；

轨迹跟随，后一艘船以其前方船舶的预设航行路径作为本船的轨迹，跟随前方船舶的轨迹航行；

动作跟随，控制后一艘船舶每一时刻的航行动作，使其与前方船舶保持在同一航行状态，完成相同航行动作。

进一步地，本发明的远程控制系统还包括自动模拟三种船舶智能队列的功能：

通过在远程控制系统上自动模拟三种船舶智能队列的跟随方式，即方向跟随、轨迹跟随、动作跟随，然后进行筛选，选择出最佳的跟随方式进行控制工作；船舶开始航行时，该功能自动启用，船舶驾驶员能关闭该功能，改为船舶驾驶员操作。

进一步地，本发明的信息传递系统采用无线路由器搭建WIFI无线通信环境，实现各船及远程控制系统之间的数据通信。

进一步地，本发明的远程控制系统对船舶进行控制的方式为：

远程控制系统通过对船舶动力系统进行控制，实现定量控制船舶的航速和舵角，并以图像显示的形式在显示器上实时反映船舶的航行轨迹及姿态。

本发明产生的有益效果是：本发明的船舶智能列队航行系统，在使用过程中，依据船舶的状态和环境参数，障碍情况，自动调节跟随方式和行进路线。为船舶保持高效、稳定的运输工作提供有效的帮助。该系统操作简单快捷，可有效提高船队单次运输量，极大的解放了船舶的人力，具有良好的经济性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明船舶智能列队航行系统结构示意图；

图2为本发明船舶智能列队航行系统工作流程图；

图3为本发明船舶智能列队航行系统的定位系统工作流程图；

图4-a为本发明船舶智能列队航行系统的三种跟踪方式示意图a；

图4-b为本发明船舶智能列队航行系统的三种跟踪方式示意图b；

图4-c为本发明船舶智能列队航行系统的三种跟踪方式示意图c。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，船舶智能列队航行系统主要由定位系统、信息传递系统、控制系统组成，其中，定位系统由GPS、可视化、声波等多种定位方式和零件构成，信息传递是采用单目视觉摄像机配合船体上两个不同颜色灯来采集船体位置及运动方向信息，并通过用无线路由器创造WIFI环境完成各船及远程控制系统之间的交互任务。控制系统则可是自动控制船舶的运动方向、轨迹、状态，并在CPU上自动模拟3种跟随路线，即方向跟随、轨迹跟随、动作跟随，然后进行筛选，选择出最佳的跟随方式进行控制工作。船舶开始航行时，该装置自动启用，也可人为关闭该系统，改为船舶驾驶员操作。

如图1、2所示，在船舶行驶过程中经由第一艘船对航行情况做出判断并进行航行，后面的运输船依照首船的运动方式，有条不紊的按照一定的航线自动追踪航行。这种航线会随着运输船队首船的运动方式的改变而实时发生变化，以适应变化的航行环境。

如图3所示，1-驱动机构，2-航行控制器(计算机)，3-驱动电路板，4-电源系统，5-WIFI模块，6-光电编码器，7-超声波，8-摄像机定位标志物。定位系统采用单目视觉摄像机配合船体上两个不同颜色灯来采集船体位置及运动方向信息，并利用GPS进行精准定位，声波辅助定位。确定船舶位置及编队方式后，采用无线路由器创造WIFI环境完成各船及远程控制系统之间的交互任务，包括各船舶的驱动机构和航向控制器，以协调各船舶之间的位置及航速。

如图4-a方向跟行是指后船始终以前船的定位为前进方向，而遇到障碍物时可以智能避开，计算出形成与前船不完全相同前行轨迹。类似于现有的车载导航，设定目标点后自行规划合理路径。其优点在于，在海洋等宽阔的海域航行时，后船路径有自主性，只要做到控制好两船间距离，即可省去前船路径中的不必要的弯路。而且后船自主性强必然能加大后船位置的浮动区间，即可提高船队系统的应急能力；如图4-b，轨迹跟行是指后船通过追随前船预留的轨迹来跟船行驶。其优点在于：船队行驶轨迹统一，前后船距离设定较为容易，在脱离船队后的自动回归上具有优势。如图4-c，动作跟随是指控制后船每一时刻的动作，使其与前船保持在同一状态下完成相同动作，从而达到理想中与前船走相同轨迹的目的。其优点在于：动作跟随可以简化后船的操控环节，且能使船队中各船的动作基本一致，便于管理。实现过程较之前两种方式都更为简单。基于上述三种方案，针对实际现场情况采取最优方案。

方向跟随的具体实现方式为：首先岸基摄像机将前船位置信息(即前船两灯连线中点)通过图像信息发送至前船的信息计算处理模块，此模块通过计算处理将位置信息坐标化，并将此坐标信息通过WIFI组件发送至后船信息计算处理模块，此模块以此坐标为目标点生成控制指令，通过串口收发器发送指令，经由串口转PWM模块转为PWM波信号作用在舵机上，改变舵角使其朝向前船坐标前进。两船坐标点连线应设有障碍点，此障碍物可由紧急避碰模块中的超声仪器及摄像头探得，距离值达到设定值时立即触发紧急避碰模块使模型船规划路线绕行。以上方法以1S为频率重复执行，不断调整方向与路线即可达到跟行目的。

轨迹跟随的具体实现方式为：前船坐标的采集方式同方向跟随，从而得到前船的实际航线，后船信息计算处理模块将后船跟踪航线与前船的实际航线做出对比，得到航线偏差，从而计算出船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令，通过串口收发器发送指令，经由串口转PWM模块转为PWM波信号作用在舵机上，改变舵角使其朝向规定航线前进。若紧急避碰模块监测到航线上有障碍物，则规划路线绕行，并在避开障碍物后重新回到规定航线上。

动作跟随的具体实现方式为：动作跟随是指控制后船每一时刻的动作，使其与前船保持在同一状态下完成相同动作，从而达到理想中与前船走相同轨迹的目的。其通过摄像头进行实时的图像识别后，将结果发送到处理单元，进行实时的轨迹跟踪。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种船舶智能列队航行系统，其特征在于，该系统包括设置在船舶上的定位系统和信息传递系统，以及远程控制系统；其中：

定位系统用于获取船舶的位置信息，并判断船舶之间的距离，进而改变队列方式；

信息传递系统用于实现多艘船舶之间的无线通信，并完成不同船舶与远程控制系统之间的数据交互任务；

远程控制系统用于根据船舶的位置信息，将多艘搭载有船舶智能列队航行系统的船舶组成船舶智能队列，船舶智能队列包括首船和多艘次船；远程控制系统向各个船舶的动力系统发出控制指令，以完成船舶智能队列的编队，实现多艘次船和首船的依次跟随航行。

2.根据权利要求1所述的船舶智能列队航行系统，其特征在于，定位系统包括：GPS模块、可视化模块和声波模块；其中：

GPS模块用于获取船舶的GPS位置信息；可视化模块为设置在船首位置的单目视觉摄像机，用于获取前面一艘船舶的图像，并识别其位置和运动方向信息；声波模块设置在船首位置，用于向前一艘船发出超声波信号，根据返回时间计算得到两船间的距离，进而实现辅助定位。

3.根据权利要求1所述的船舶智能列队航行系统，其特征在于，远程控制系统将船舶组成船舶智能队列的方式包括三种：方向跟随、轨迹跟随以及动作跟随；其中：

方向跟随，后一艘船以其前方船舶的定位为前进方向，若遇到障碍物，避开障碍物后继续朝着前方船舶的定位方向航行；

轨迹跟随，后一艘船以其前方船舶的预设航行路径作为本船的轨迹，跟随前方船舶的轨迹航行；

动作跟随，控制后一艘船舶每一时刻的航行动作，使其与前方船舶保持在同一航行状态，完成相同航行动作。

4.根据权利要求3所述的船舶智能列队航行系统，其特征在于，远程控制系统还包括自动模拟三种船舶智能队列的功能：

通过在远程控制系统上自动模拟三种船舶智能队列的跟随方式，即方向跟随、轨迹跟随、动作跟随，然后进行筛选，选择出最佳的跟随方式进行控制工作；船舶开始航行时，该功能自动启用，船舶驾驶员能关闭该功能，改为船舶驾驶员操作。

5.根据权利要求1所述的船舶智能列队航行系统，其特征在于，信息传递系统采用无线路由器搭建WIFI无线通信环境，实现各船及远程控制系统之间的数据通信。

6.根据权利要求1所述的船舶智能列队航行系统，其特征在于，远程控制系统对船舶进行控制的方式为：

远程控制系统通过对船舶动力系统进行控制，实现定量控制船舶的航速和舵角，并以图像显示的形式在显示器上实时反映船舶的航行轨迹及姿态。