CN109541547A - 基于水声定位的无人船入港引导系统及引导方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于水声定位的无人船入港引导系统及引导方法，系统包括：水下应答器、岸上基站、水面无人船，所述的岸上基站包括引导控制系统；所述的通信系统包含基站‑无人船通信系统与基站‑水下应答器通信系统，所述的水面无人船上设有换能器、无人船运动控制器以及陀螺仪，在入港引导区域的岸边设立多个码头，在入港引导区域的水下设置所述的水下应答器阵列。本发明使进入入港引导区域的水面无人船可以自主地实现在特定的码头位置靠泊，对无人船的智能要求低，定位精度高，无人船需操作的步骤简单可靠，适用于未来无人船、无人艇港口，具有很高的应用价值。

Description

基于水声定位的无人船入港引导系统及引导方法
技术领域
本发明涉及无人船，特别是一种基于水声定位的无人船入港引导系统及引导方法。
背景技术
随着海洋科学技术的发展，诸多探测装置灵敏度的提高，通信技术的发展，无人船的应用越来越广泛。无人船在航行中的自主导航、轨迹跟踪等技术已颇为成熟，但其离港、靠泊研究较少，且问题更为复杂。在近港环境，无人船的航行较为集中，需要防止其间发生碰撞，通常需要人为干预进行引导和航线管理，不能做到完全自主；另一方面基于GPS的导航精度有限，并且可能出现信号丢失的情况，对于无人船密集的入港控制，其精度和可靠性尚不能保证无人船精准的航线管理。因此，设计一套精确可靠的无人船自动入港引导系统，对于实现无人船的大规模应用，具有重要的意义。
发明内容
本发明针对无人船离港和靠泊的应用场景，提供一种基于水声定位的无人船入港引导系统及引导方法，该引导系统，使进入入港引导区域的水面无人船可以自主地实现在特定的码头位置靠泊，对无人船的智能要求低，定位精度高，无人船需操作的步骤简单可靠，适用于未来无人船、无人艇港口，具有很高的应用价值。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种基于水声定位的无人船入港引导系统，其特点在于，包含岸上基站、通信系统、水下应答器阵列与水面无人船；
所述的岸上基站包括引导控制系统；
所述的通信系统包含基站-无人船通信系统与基站-水下应答器通信系统，所述的水面无人船上设有换能器、无人船运动控制器以及陀螺仪；
在入港引导区域的岸边设立码头，在入港引导区域的水下设置所述的水下应答器阵列，与岸平行的为行，与岸垂直的为列，离岸由近及远依次为应答器阵列的第1，2，3......m行，面向岸由左至右依次为应答器阵列的第1，2，3......n列，位于某阵列点上的水下应答器的水声发射器能发出的标记信号为Pi，j，i∈1，2，3......m,j∈1，2，3......n，相邻两列水下应答器的距离为di(Pi，j与Pi+1，j)，相邻两行水声应答器的距离为dj(Pi，j与Pi，j+1)。
利用上述基于水声定位的无人船入港引导系统的无人船入港的引导方法，其特点在于，包括下列步骤：
1)当水面无人船航行至入港引导区域，水面无人船接受水下应答器阵列发出的声音号Pi，j，并通过换能器和无人船运动控制器对其进行解码，得到无人船初始状态信息；
2)所述的水面无人船通过通信系统把初始状态信息传递给岸上基站，该岸上基站把信息传递给引导控制系统；
3)所述的引导控制系统通过水面无人船的初始状态信息及其需要进入的船坞的特定地点，规划出一条路径，并把此条路径的控制信息传递给水下应答器阵列和无人船；
4)位于所述的路径上的所有的水下应答器被所述的引导控制系统特殊标记，相应的水下应答器发出带有标记的声信号Pi，j，传递给水面无人船的引导信息为一系列应答器的标记Pi，j，水面无人船需要一次穿过应答器规划出的“门”，无人船根据被标记的声信号依次完成“穿门”任务；
5)所述的无人船根据控制信号判断“穿门”后的下一步动作，转弯或继续航向穿下一个“门”；
6)任意时刻，所述的无人船在水下的垂直投影被四个应答器包围，分别为Pi，j,Pi+1，j,Pi，j+1,Pi+1，j+1，所测得的四个距离分别为li，j,li+1，j,li，j+1,li+1，j+1，无人船此时的位置由(i，j)表示，可以求得无人船沿其预定轨道方向的横向偏差为：
7)水面无人船根据横向偏差调整航向，使其沿预定航线航行；
8)水面无人船根据控制信号执行直行、转弯动作，并根据误差信息进行修正；
9)水面无人船抵达船坞的特定地点，引导过程结束。
与现有技术相比，本发明的技术特点和有益效果在于：
本发明使进入入港引导区域的水面无人船可以自主地实现在特定的码头位置靠泊，对无人船的智能要求低，定位精度高，无人船需操作的步骤简单可靠，适用于未来无人船、无人艇港口，具有很高的应用价值。对无人船的智能要求低，定位精度高，无人船需操作的步骤简单可靠，适用于未来无人船、无人艇港口，具有很高的应用价值。
附图说明
图1为本发明基于水声定位的无人船入港引导系统平面图
图2为利用水声定位示意图
图3为水面无人船自动入港流程图
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。
先请参阅图1，图1为本发明基于水声定位的无人船入港引导系统平面图，由图可见，本发明基于水声定位的无人船入港引导系统，包含岸上基站1、通信系统、水下应答器阵列2与水面无人船3；
所述的岸上基站1包括引导控制系统；
所述的通信系统包含基站-无人船通信系统与基站-水下应答器通信系统，所述的水面无人船3设有换能器、无人船运动控制器以及陀螺仪；
在入港引导区域的岸边设立码头4，在入港引导区域的水下设置所述的水下应答器阵列2，与岸平行的为行，与岸垂直的为列，离岸由近及远依次为应答器阵列的第1，2，3......m行，面向岸由左至右依次为应答器阵列的第1，2，3......n列，位于某阵列点上的水下应答器的水声发射器能发出的标记信号为Pi，j，i∈1，2，3......m,j∈1，2，3......n，相邻两列水下应答器的距离为di(Pi，j与Pi+1，j)，相邻两行水声应答器的距离为dj(Pi，j与Pi，j+1)。
所述的水面无人船上设有换能器、无人船运动控制器以及陀螺仪，换能器接受声纳阵列发射的声信号并解算得出距离信息，陀螺仪输出水面无人船任意时刻航向角，无人船运动控制器通过解算的距离信息和航向角得出无人船的状态信息，并结合设定路径信息解算出无人船运动控制信息，输出控制命令控制无人船安全入港；所述的引导控制系统通过无人船初始位置信息规划出一条路径并转化为控制信号反馈给基站，基站通过通信系统把控制信号发布给应答器阵列和无人船；所述的岸上基站发布的引导信息包括对无人船的引导信息和对水下应答器的引导信息，水下应答器接受此信息使得部分水下应答器被标记，无人船引导信息包括这些被标记的水下应答器；所述的无人船的状态信息包括无人船所处的位置、航向、速度信息；所述的无人船运动控制信息包括控制无人船转向、直行、调整航向、停泊和减速；所述的水下应答器阵列呈棋盘式布置，与岸平行为行，与岸垂直为列，由近岸至远岸依次为第1，2，3......m行，面向岸由左至右依次为第1，2，3......n列，则任意水下应答器可被标记为Pi，j，i∈1，2，3......m,j∈1，2，3......n，任意列相邻水下应答器的距离为di(Pi，j与Pi+1，j)，任意排相邻水声应答器的距离为dj(Pi，j与Pi，j+1)；所述的声信号包含对应应答器的标记，即Pi，j，使得无人船可以获取发出声信号的水下应答器位置信息。
图3展示了无人船在水下港内引导系统下自主入坞的步骤，其步骤包括：
利用上述基于水声定位的无人船入港引导系统的无人船入港的引导方法，包括下列步骤：
1)当水面无人船3航行至入港引导区域，水面无人船3接受水下应答器阵列2发出的声音号Pi，j，并通过换能器和无人船运动控制器对其进行解码，得到无人船初始状态信息；
2)所述的水面无人船3通过通信系统把初始状态信息传递给岸上基站1，该岸上基站把信息传递给引导控制系统；
3)所述的引导控制系统通过水面无人船3的初始状态信息及其需要进入的船坞4的特定地点，规划出一条路径5，并把此条路径5的控制信息传递给水下应答器阵列2和无人船3；
4)位于所述的路径5上的所有的水下应答器被所述的引导控制系统特殊标记，相应的水下应答器发出带有标记的声信号Pi，j，传递给水面无人船(3)的引导信息为一系列应答器的标记Pi，j，水面无人船3需要一次穿过应答器规划出的“门”，无人船根据被标记的声信号依次完成“穿门”任务；
5)所述的无人船3根据控制信号判断“穿门”后的下一步动作，转弯或继续航向穿下一个“门”；
6)任意时刻，所述的无人船3在水下的垂直投影被四个应答器包围，分别为Pi，j,Pi+1，j,Pi，j+1,Pi+1，j+1，所测得的四个距离分别为li，j,li+1，j,li，j+1,li+1，j+1，无人船此时的位置由(i，j)表示，可以求得无人船沿其预定轨道方向的横向偏差为：
7)水面无人船3根据横向偏差调整航向，使其沿预定航线航行；
8)水面无人船3根据控制信号执行直行、转弯动作，并根据误差信息进行修正；
9)水面无人船抵达船坞4特定地点，引导过程结束。
实验表明，本发明使进入入港引导区域的水面无人船可以自主地实现在特定的码头位置靠泊，对无人船的智能要求低，定位精度高，无人船需操作的步骤简单可靠，适用于未来无人船、无人艇港口，具有很高的应用价值。

Claims (2)

1.一种基于水声定位的无人船入港引导系统，其特征在于，包含岸上基站(1)、通信系统、水下应答器阵列(2)与水面无人船(3)；
所述的岸上基站(1)包括引导控制系统；
所述的通信系统包含基站-无人船通信系统与基站-水下应答器通信系统，所述的水面无人船(3)上设有换能器、无人船运动控制器以及陀螺仪；
在入港引导区域的岸边设立多个码头(4)，在入港引导区域的水下设置所述的水下应答器阵列(2)，与岸平行的为行，与岸垂直的为列，离岸由近及远依次为应答器阵列的第1，2，3......m行，面向岸由左至右依次为应答器阵列的第1，2，3......n列，位于某阵列点上的水下应答器的水声发射器能发出的标记信号为Pi，j，i∈1，2，3......m,j∈1，2，3......n，相邻两列水下应答器的距离为di(Pi，j与Pi+1，j)，相邻两行水声应答器的距离为dj(Pi，j与Pi，j+1)。
2.利用权利要求1所述的基于水声定位的无人船入港引导系统的无人船入港的引导方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)当水面无人船(3)航行至入港引导区域，水面无人船(3)接受水下应答器阵列(2)发出的声音号Pi，j，并通过换能器和无人船运动控制器对其进行解码，得到无人船初始状态信息；
2)所述的水面无人船(3)通过通信系统把初始状态信息传递给岸上基站(1)，该岸上基站把信息传递给引导控制系统；
3)所述的引导控制系统通过水面无人船(3)的初始状态信息及其需要进入的船坞(4)，规划出一条路径(5)，并把此条路径(5)的控制信息传递给水下应答器阵列(2)和无人船(3)；
4)位于所述的路径(5)上的所有的水下应答器被所述的引导控制系统特殊标记，相应的水下应答器发出带有标记的声信号Pi，j，传递给水面无人船(3)的引导信息为一系列应答器的标记Pi，j，水面无人船(3)需要一次穿过应答器规划出的“门”，无人船根据被标记的声信号依次完成“穿门”任务；
5)所述的无人船(3)根据控制信号判断“穿门”后的下一步动作，转弯或继续航向穿下一个“门”；
6)任意时刻，所述的无人船(3)在水下的垂直投影被四个应答器包围，分别为Pi，j,Pi+1，j,Pi，j+1,Pi+1，j+1，所测得的四个距离分别为li，j,li+1，j,li，j+1,li+1，j+1，无人船此时的位置由(i，j)表示，可以求得无人船沿其预定轨道方向的横向偏差为：
7)水面无人船(3)根据横向偏差调整航向，使其沿预定航线航行；
8)水面无人船(3)根据控制信号执行直行、转弯动作，并根据误差信息进行修正；
9)水面无人船抵达船坞(4)，引导过程结束。
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