CN109634289A - 一种无人船自主航行系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人船自主航行系统及其工作方法，所述的系统包括无人船自主航行控制单元和地面控制中心，所述的无人船自主航行控制单元包括导航系统模块、制导系统模块、数据采集系统模块、推进系统故障报警监测系统模块、航行控制系统模块和无线通信系统模块。本发明考虑风浪流海洋环境扰动和航行海域内障碍物对无人船自主航行系统的影响，并在航迹规划中考虑《国际海上避碰规则公约》中的规则和无人船的特征参数、操纵性能、且具有故障报警和容错控制功能，还包括地面控制中心，可远程监控无人船，以提高无人船自主航行系统的合理性和实用性。本发明可实时监控无人船和航行海域海洋环境信息，从而提高无人船自主航行的安全性和可靠性。

Description

一种无人船自主航行系统及其工作方法

技术领域

本发明属于无人船技术领域，特别是一种无人船自主航行系统及其工作方法。

背景技术

随着现代科学技术的飞速发展，无人船的实现有了技术支撑，无人船自主航行的实现也有了可能性。船舶海上事故75％～96％源于人为因素，而且船舶海上作业的人事成本高，高级船员需求缺口较大，船员生活工作空间占船舶空间比例大，降低了海上运输效率。无人船有效地解决了上述存在的问题，是我国海上智能交通战略的重要组成部分，其自主航行技术是无人船的关键技术之一。

中国专利CN 108489492 A公开了一种考虑海况因素的无人艇路径规划系统，通过无人艇路径规划系统所包括的各模块实现无人艇的路径规划，并且考虑因海浪因素对路径规划的影响，一定程度上提高了该无人艇路径规划系统的实用性。该专利仅仅实现了无人艇的路径规划，但没有考虑无人艇的特征参数和操纵性能对路径规划的影响，导致无人艇路径规划系统合理性低和实用性差。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能提高无人艇路径规划系统合理性和实用性的无人船自主航行系统及其工作方法，可实现无人船整个过程的自主航行。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种无人船自主航行系统，包括无人船自主航行控制单元和地面控制中心，所述的无人船自主航行控制单元包括导航系统模块、制导系统模块、数据采集系统模块、推进系统故障报警监测系统模块、航行控制系统模块和无线通信系统模块。

所述的导航系统模块包括船舶气象仪、全球定位系统、罗经、惯性测量单元、风向仪、计程仪、雷达、视觉传感器、船舶自动识别系统和电子海图；所述的船舶气象仪用于预测航行海域的气象信息，并通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；所述的全球定位系统、罗经和惯性测量单元用于获得精确的无人船的位置和航向信息，并发送给航行控制系统模块，航行控制系统模块通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；所述的风向仪用于测量无人船航行海域的风速、风向信息，并发送给航行控制系统模块并通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；所述的计程仪用于测量航行海域的水深信息，并通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；所述的雷达和视觉传感器用于获取航行海域的环境信息和过往其它船舶相对位置信息；所述的船舶自动识别系统提供过往其它船舶的运动状态信息和船舶种类、尺度、吃水信息；所述电子海图提供海域地理环境信息；所述的导航系统模块用神经网络算法将雷达和视觉传感器所获取的信息进行融合，并将全球定位系统获得的位置信息与船舶自动识别系统和电子海图提供的信息进行数据匹配，发送给制导系统模块，制导系统模块通过无线通信系统模块发送给地面控制中心。

所述的制导系统模块根据导航系统模块发送的海域环境信息和过往其它船舶信息，以及《国际海上避碰规则公约》中的13、14和15条规则和无人船的特征参数、操纵性能，实时规划出平滑、合理、最优的无人船航行轨迹，并发送给航行控制系统模块，且通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；所述的《国际海上避碰规则公约》的13、14和15条规则分别对无人船在航行过程中出现的追越、正面相遇和交叉相遇，制定相应的避碰规则。所述的无人船特征参数包括无人船的船舶尺度、吃水和主推进器的功率；所述的无人船操纵性能包括回转初径、进距、横距、回转直径和反偏移量。

所述的数据采集系统模块采集无人船推进系统中的淡水、海水、燃油、润滑油、空气的压力和温度的监测参数信息，及推进器的转速、舵角的工作状态信息，发送给推进系统故障报警监测系统模块，推进系统故障报警监测系统模块通过无线通信系统模块将这些信息发送给地面控制中心。

所述的推进系统故障报警监测系统模块根据来自推进系统的监测参数和工作状态信息诊断出无人船推进系统存在的故障，并发送给航行控制系统模块，航行控制系统模块通过无线通信系统模块将故障信息发送给地面控制中心。

所述的航行控制系统模块包括自主航行非容错控制策略和自主航行故障容错控制策略两种控制策略模式。如果航行控制系统模块没有接收到来自推进系统故障报警监测系统模块的推进系统故障信息，则采取自主航行非容错控制策略；如果航行控制系统模块接收到来自推进系统故障报警监测系统模块的推进系统故障信息，则采取自主航行故障容错控制策略；再依据来自导航系统模块的船舶位置和航向信息及来自制导系统模块的航迹规划信息，计算出无人船沿着规划航迹自主航行所需的合力和力矩信息，并进行推力优化分配，给出无人船推进系统推进器的期望转速、方向角和舵角信号，并发送给无人船推进系统，推进系统驱动无人船沿规划轨迹航行。

所述的无线通信系统模块通过卫星实现无人船与地面控制中心进行无线通信；所述的地面控制中心建立在岸上，地面控制中心操作人员通过无线通信系统远程操控无人船航行。

一种无人船自主航行系统的工作方法，包括以下步骤：

A、地面控制中心操作人员通过无线通信系统模块设置无人船起始位置和目的地信息。

B、导航系统模块接收来自地面控制中心设置的无人船起始位置和目的地信息，并将导航系统模块中各传感器所获得的无人船航行海域的气象信息、水深信息、风速和风向信息、环境信息、过往其它船舶相对位置、种类、尺度和吃水信息、无人船的位置和航向信息，通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；并将风速、风向信息和无人船的位置和航向信息发送给航行控制系统模块；航行控制系统模块使用神经网络算法将雷达和视觉传感器所获取的航行海域环境信息和过往其它船舶相对位置信息进行融合，将融合后的信息及全球定位系统获得的位置信息，与船舶自动识别系统和电子海图提供的信息进行数据匹配，发送给制导系统模块。

C、制导系统模块接收来自导航系统模块发送的无人船起始位置和目的地信息、海域环境信息和过往其它船舶信息，根据《国际海上避碰规则公约》中的13、14和15条规则和无人船的特征参数、操纵性能，实时规划出平滑、合理、最优的无人船航行轨迹，并发送给航行控制系统模块，航行控制系统模块通过无线通信系统模块发送给地面控制中心。

D、数据采集系统模块采集无人船推进系统中的淡水、海水、燃油、润滑油、空气的压力和温度等监测参数信息，及推进器转速、舵角等工作状态信息，发送给推进系统故障报警监测系统模块，推进系统故障报警监测系统模块通过无线通信系统模块将这些信息发送给地面控制中心。

E、推进系统故障报警监测系统模块接收来自无人船推进系统的监测参数和工作状态信息，依此诊断无人船推进系统是否存在故障，若不存在故障，则转步骤F；否则，转步骤G。

F、航行控制系统模块接收来自导航系统模块的无人船位置和航向信息及来自制导系统模块的航迹规划信息，基于此，自主航行非容错控制策略计算出无人船沿着规划航迹自主航行所需的合力和力矩信息，并进行推力优化分配，给出无人船推进器期望的转速、方向角和舵角信号，并发送给无人船推进系统，推进系统驱动无人船沿规划轨迹航行；转步骤H。

G、航行控制系统模块接收来自导航系统模块的无人船位置和航向信息及来自制导系统模块的航迹规划信息，基于此，自主航行容错控制策略计算出无人船沿着规划航迹自主航行所需的合力和力矩信息，并在无故障推进器间进行推力优化分配，给出无人船无故障推进器期望的转速、方向角、舵角信号，并发送给无人船推进系统，推进系统驱动无人船沿规划轨迹航行。

H、地面控制中心通过无线通信系统模块接收来自制导系统模块、导航系统模块和数据采集系统模块的信息，地面控制中心操作人员实时监控无人船和周围海域信息。

I、地面控制中心操作人员根据导航系统模块确定无人船的实时位置信息，判断无人船是否到达目的地，如果是，无人船自主航行到达目的地；否则，转步骤B。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明考虑风浪流海洋环境扰动和航行海域内障碍物对无人船自主航行系统的影响，并在航迹规划中考虑《国际海上避碰规则公约》中的13、14和15条规则和无人船的特征参数、操纵性能、且具有故障报警和容错控制功能，还包括建立在岸上的地面控制中心，可远程监控无人船，可提高无人船自主航行系统的合理性、实用性和安全性。

2、本发明设计无人船自主航行系统，使用导航系统模块中的多种传感器实时监测航行海域信息和其它船舶的运动状态信息；本发明还包括地面控制中心和无线通信系统模块，使得地面控制中心操作人员可实时监控无人船和航行海域海洋环境信息；从而可提高无人船自主航行的安全性和可靠性。

3、本发明包括推进系统故障报警监测系统模块，可以实现无人船推进系统的故障报警，并通过故障容错控制策略，保证无人船在出现推进器故障的情况下仍能正常航行。

附图说明

图1无人船自主航行系统信号交换示意图。

图2无人船自主航行系统工作流程图。

具体实施方法

本发明的具体实施方法简要说明如下：如图1-2所示，无人船与地面控制中心通过无线通信系统模块进行无线通信；地面控制中心通过无线通信系统模块设置无人船的起始位置和目标位置信息；导航系统模块中的各传感器获取无人船航行海域的气象信息、水深信息、风速和风向信息、环境信息、过往其它船舶相对位置、种类、尺度和吃水信息、无人船的位置和航向信息，通过无线通信系统模块发送给地面控制中心，并使用神经网络算法将雷达和视觉传感器所获取的航行海域环境信息和过往其它船舶相对位置信息进行融合，将融合后的信息及全球定位系统获得的无人船位置信息与船舶自动识别系统和电子海图提供的信息进行数据匹配，发送给制导系统模块，且将风速、风向信息和无人船的位置和航向信息发送给航行控制系统模块；制导系统模块根据导航系统模块发送的海域环境信息和过往其它船舶信息、《国际海上避碰规则公约》的相关规则以及无人船的特征参数和操纵性能，规划出平滑、合理、最优的无人船航行轨迹，并发送给航行控制系统模块；数据采集系统模块采集无人船推进系统中的淡水、海水、燃油、润滑油、空气的压力和温度等监测参数信息，及推进器转速、舵角等工作状态信息，并发送给推进系统故障报警监测系统模块，且通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；推进系统故障报警监测系统模块接收来自数据采集系统模块的推进系统的监测参数信息和推进器工作状态信息诊断无人船自主航行时推进系统可能出现的故障问题，并将推进系统故障信息发送给航行控制系统模块；航行控制系统模块包括自主航行非容错控制策略和自主航行故障容错控制策略两种控制策略模式，再依据接收来自导航系统模块的船舶位置和航向信息及来自制导系统模块的航迹规划信息，计算出无人船沿着规划航迹自主航行所需的合力和力矩信息，并进行推力优化分配，给出无人船推进系统推进器的期望转速、方向角、舵角信号，并发送给无人船推进系统，推进系统驱动无人船沿规划轨迹航行。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种无人船自主航行系统，其特征在于：包括无人船自主航行控制单元和地面控制中心，所述的无人船自主航行控制单元包括导航系统模块、制导系统模块、数据采集系统模块、推进系统故障报警监测系统模块、航行控制系统模块和无线通信系统模块；

所述的导航系统模块包括船舶气象仪、全球定位系统、罗经、惯性测量单元、风向仪、计程仪、雷达、视觉传感器、船舶自动识别系统和电子海图；所述的船舶气象仪用于预测航行海域的气象信息，并通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；所述的全球定位系统、罗经和惯性测量单元用于获得精确的无人船的位置和航向信息，并发送给航行控制系统模块，航行控制系统模块通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；所述的风向仪用于测量无人船航行海域的风速、风向信息，并发送给航行控制系统模块并通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；所述的计程仪用于测量航行海域的水深信息，并通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；所述的雷达和视觉传感器用于获取航行海域的环境信息和过往其它船舶相对位置信息；所述的船舶自动识别系统提供过往其它船舶的运动状态信息和船舶种类、尺度、吃水信息；所述电子海图提供海域地理环境信息；所述的导航系统模块用神经网络算法将雷达和视觉传感器所获取的信息进行融合，并将全球定位系统获得的位置信息与船舶自动识别系统和电子海图提供的信息进行数据匹配，发送给制导系统模块，制导系统模块通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；

所述的制导系统模块根据导航系统模块发送的海域环境信息和过往其它船舶信息，以及《国际海上避碰规则公约》中的13、14和15条规则和无人船的特征参数、操纵性能，实时规划出平滑、合理、最优的无人船航行轨迹，并发送给航行控制系统模块，且通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；所述的《国际海上避碰规则公约》的13、14和15条规则分别对无人船在航行过程中出现的追越、正面相遇和交叉相遇，制定相应的避碰规则；所述的无人船特征参数包括无人船的船舶尺度、吃水和主推进器的功率；所述的无人船操纵性能包括回转初径、进距、横距、回转直径和反偏移量；

所述的数据采集系统模块采集无人船推进系统中的淡水、海水、燃油、润滑油、空气的压力和温度的监测参数信息，及推进器的转速、舵角的工作状态信息，发送给推进系统故障报警监测系统模块，推进系统故障报警监测系统模块通过无线通信系统模块将这些信息发送给地面控制中心；

所述的推进系统故障报警监测系统模块根据来自推进系统的监测参数和工作状态信息诊断出无人船推进系统存在的故障，并发送给航行控制系统模块，航行控制系统模块通过无线通信系统模块将故障信息发送给地面控制中心；

所述的航行控制系统模块包括自主航行非容错控制策略和自主航行故障容错控制策略两种控制策略模式；如果航行控制系统模块没有接收到来自推进系统故障报警监测系统模块的推进系统故障信息，则采取自主航行非容错控制策略；如果航行控制系统模块接收到来自推进系统故障报警监测系统模块的推进系统故障信息，则采取自主航行故障容错控制策略；再依据来自导航系统模块的船舶位置和航向信息及来自制导系统模块的航迹规划信息，计算出无人船沿着规划航迹自主航行所需的合力和力矩信息，并进行推力优化分配，给出无人船推进系统推进器的期望转速、方向角和舵角信号，并发送给无人船推进系统，推进系统驱动无人船沿规划轨迹航行；

所述的无线通信系统模块通过卫星实现无人船与地面控制中心进行无线通信；所述的地面控制中心建立在岸上，地面控制中心操作人员通过无线通信系统远程操控无人船航行。

2.一种无人船自主航行系统的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、地面控制中心操作人员通过无线通信系统模块设置无人船起始位置和目的地信息；

B、导航系统模块接收来自地面控制中心设置的无人船起始位置和目的地信息，并将导航系统模块中各传感器所获得的无人船航行海域的气象信息、水深信息、风速和风向信息、环境信息、过往其它船舶相对位置、种类、尺度和吃水信息、无人船的位置和航向信息，通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；并将风速、风向信息和无人船的位置和航向信息发送给航行控制系统模块；航行控制系统模块使用神经网络算法将雷达和视觉传感器所获取的航行海域环境信息和过往其它船舶相对位置信息进行融合，将融合后的信息及全球定位系统获得的位置信息，与船舶自动识别系统和电子海图提供的信息进行数据匹配，发送给制导系统模块；

C、制导系统模块接收来自导航系统模块发送的无人船起始位置和目的地信息、海域环境信息和过往其它船舶信息，根据《国际海上避碰规则公约》中的13、14和15条规则和无人船的特征参数、操纵性能，实时规划出平滑、合理、最优的无人船航行轨迹，并发送给航行控制系统模块，航行控制系统模块通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；

D、数据采集系统模块采集无人船推进系统中的淡水、海水、燃油、润滑油、空气的压力和温度等监测参数信息，及推进器转速、舵角等工作状态信息，发送给推进系统故障报警监测系统模块，推进系统故障报警监测系统模块通过无线通信系统模块将这些信息发送给地面控制中心；

E、推进系统故障报警监测系统模块接收来自无人船推进系统的监测参数和工作状态信息，依此诊断无人船推进系统是否存在故障，若不存在故障，则转步骤F；否则，转步骤G；

F、航行控制系统模块接收来自导航系统模块的无人船位置和航向信息及来自制导系统模块的航迹规划信息，基于此，自主航行非容错控制策略计算出无人船沿着规划航迹自主航行所需的合力和力矩信息，并进行推力优化分配，给出无人船推进器期望的转速、方向角和舵角信号，并发送给无人船推进系统，推进系统驱动无人船沿规划轨迹航行；转步骤H；

G、航行控制系统模块接收来自导航系统模块的无人船位置和航向信息及来自制导系统模块的航迹规划信息，基于此，自主航行容错控制策略计算出无人船沿着规划航迹自主航行所需的合力和力矩信息，并在无故障推进器间进行推力优化分配，给出无人船无故障推进器期望的转速、方向角、舵角信号，并发送给无人船推进系统，推进系统驱动无人船沿规划轨迹航行；

H、地面控制中心通过无线通信系统模块接收来自制导系统模块、导航系统模块和数据采集系统模块的信息，地面控制中心操作人员实时监控无人船和周围海域信息；

I、地面控制中心操作人员根据导航系统模块确定无人船的实时位置信息，判断无人船是否到达目的地，如果是，无人船自主航行到达目的地；否则，转步骤B。