CN109911139A - 一种无人艇号灯与声号自动控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人艇技术领域，公开了一种无人艇号灯与声号自动控制系统及其控制方法，控制系统包括数据采集模块、工业控制计算机和执行命令模块；数据采集模块包括激光雷达、GPS装置、能见度观测仪、惯导系统和光敏传感器；工业控制计算机包括号灯与声号控制器和无人艇控制器；执行命令模块包括单片机控制模块、鸣笛喇叭和信号灯；数据采集模块将检测数据信号传输给号灯与声号控制器，无人艇控制器将无人艇控制数据信号发送至号灯与声号控制器，号灯与声号控制器对数据信号进行处理并发出控制指令至单片机控制模块，单片机控制模块对信号灯和鸣笛喇叭进行控制。该控制系统及控制方法可实现无人艇自主遵守国际海上避碰规则，提高了其航行的安全性。

Description

一种无人艇号灯与声号自动控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及无人艇技术领域，特别涉及一种无人艇号灯与声号自动控制系统及其控制方法。

背景技术

随着对于海洋资源的需求不断增加，海上船舶的数量在不断的增加，加之近几年无人船领域的快速发展，使得海上交通呈现了更为复杂的情形。船舶海上碰撞事故是海上交通事故的主要组成部分。针对海上交通安全，国际海事组织制订了国际海上避碰规则，该规则详细规定了船舶悬挂的号灯、号型及发出的号声，同时规定了船舶在海上航行时针对各种情形需要采取的措施，以防止和避免船舶相互之间的碰撞而引起海损事故。在传统的机动船上，号灯、号型及发出的号声均由船员进行操作。无人艇因艇上没有船员，通常只安装少数几个号灯或不安装号灯，并在无人艇启动时同步启动。因此，如何解决无人艇在执行各种任务时，自主遵守国际海上避碰规则，做出相应的号灯、号型及发出的号声操作是目前需要解决的一个问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的旨在提供一种无人艇号灯与声号自动控制系统及其控制方法。

为实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种无人艇号灯与声号自动控制系统，包括设置在无人艇上的数据采集模块、工业控制计算机和执行命令模块；所述数据采集模块包括设置在无人艇甲板上的激光雷达、GPS装置、能见度观测仪、惯导系统和光敏传感器；所述工业控制计算机包括号灯与声号控制器和无人艇控制器，号灯与声号控制器和无人艇控制器之间有数据交互；所述执行命令模块包括单片机控制模块、设置在无人艇上的鸣笛喇叭和信号灯，所述单片机控制模块包括单片机和控制开关，每个信号灯设有一个控制其工作状态的控制开关，每个鸣笛喇叭设有一个控制其工作状态的控制开关，所述单片机与工业控制计算机之间有数据交互；所述数据采集模块将检测的数据信号传输给工业控制计算机中的号灯与声号控制器，无人艇控制器将无人艇的控制数据信号发送至号灯与声号控制器，号灯与声号控制器接收数据采集模块和无人艇控制器发送的数据信号并对数据信号进行处理，然后发出控制指令至单片机，单片机接收号灯与声号控制器发出的控制指令并根据控制指令对信号灯和鸣笛喇叭的控制开关进行控制。

根据上述的无人艇号灯与声号自动控制系统，优选地，所述无人艇号灯与声号自动控制系统包括电流检测模块，电流检测模块用于对信号灯和鸣笛喇叭提供电流检测；电流检测模块将检测的电流数据信号发送至单片机，单片机对接收的电流数据信号进行解析处理并将处理结果反馈给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器对单片机反馈的处理结果进行分析处理，当发现信号灯或鸣笛喇叭存在故障时，号灯与声号控制器生成故障反馈信号并将故障反馈信号发送至无人艇控制器。

根据上述的无人艇号灯与声号自动控制系统，优选地，所述电流检测模块包括多个电流传感器，每个信号灯设有一个电流传感器，每个鸣笛喇叭设有一个电流传感器。

根据上述的无人艇号灯与声号自动控制系统，优选地，所述单片机为STM32单片机，所述STM32单片机通过RS232串口协议与工业控制计算机进行数据交互，通过接收号灯与声号控制器发送的控制指令对鸣笛喇叭和信号灯的控制开关进行控制，以实现鸣笛喇叭和信号灯的控制。更加优选地，所述控制开关为继电器。

根据上述的无人艇号灯与声号自动控制系统，优选地，所述信号灯包括一个锚灯、一个左舷灯、一个右舷灯、一个高位红色环照灯、一个桅灯、一个中位白色环照灯、一个黄色闪光灯、一个低位红色环照灯、一个艉灯和一个拖带灯。

根据上述的无人艇号灯与声号自动控制系统，优选地，所述激光雷达用于检测无人艇周围的障碍物以及其障碍物的运动状态和障碍物与无人艇之间的相对位置关系，并将检测的障碍物信息传输给号灯与声号控制器，其中，当激光雷达检测到障碍物具有一定的速度时，则认为障碍物为在航船舶；所述GPS装置用于无人艇的定位和导航，同时GPS装置能获取当前位置当前时刻的世界标准时间(UTC时间)以及经纬度信息，并将检测的数据信号传输给号灯与声号控制器；所述能见度观测仪用于检测海面的能见度，并将检测的数据信号传输给号灯与声号控制器，当海面能见度低于一定值后，号灯与声号控制程序开启相应的号灯控制和声号控制；所述惯导系统用于检测无人艇当前时刻的航速、航向角和位置等信息，并将检测的数据信号传输给号灯与声号控制器；所述光敏传感器用于检测外界的光信号，并将光信号信息传输给号灯与声号控制器。

根据上述的无人艇号灯与声号自动控制系统，优选地，号灯与声号控制器与无人艇控制器之间可进行数据交互，号灯与声号控制器可从无人艇控制器中获取当前无人艇的控制参数、控制模式。当无人艇处于上位机控制模式或者遥控器控制模式时，号灯与声号控制器可以接收无人艇控制器传输的指令，并直接加以实现，此时号灯与声号控制器具有最低优先级。当无人艇处于自主工作模式时，无人艇控制器传输的指令将被直接抛弃而不进行处理，此时号灯与声号控制程序具有最高优先级。

根据上述的无人艇号灯与声号自动控制系统，优选地，所述无人艇号灯与声号自动控制系统的工作过程为：激光雷达、GPS装置、能见度观测仪、惯导系统和光敏传感器将检测的数据信号传输给工业控制计算机中的号灯与声号控制器，无人艇控制器将无人艇的控制数据信号发送至号灯与声号控制器，号灯与声号控制器对来自无人艇控制器、激光雷达、GPS装置、能见度观测仪、惯导系统、光敏传感器和无人艇控制器的数据信号进行综合处理，分析判断当前时刻的昼夜信息、能见度、无人艇的实际运动状态和障碍物信息，并按照国际海上避碰规则计算鸣笛喇叭与各个信号灯的控制指令，然后将鸣笛喇叭与各个信号灯的控制指令传输至单片机，单片机接收号灯与声号控制器的控制指令并对相应的信号灯、鸣笛喇叭的控制开关进行控制；同时，电流检测模块直接对每个信号灯和鸣笛喇叭进行电流检测，并将检测的电流信号传输给单片机，单片机对接收的电流数据信号进行解析处理并将处理结果反馈给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器对单片机反馈的处理结果进行分析处理，当发现信号灯或鸣笛喇叭存在故障时，号灯与声号控制器生成故障反馈信号并将故障反馈信号发送至无人艇控制器。

上述无人艇号灯与声号自动控制系统的控制方法，包括以下步骤：

(1)分析当前时刻的昼夜信息和海上的能见度状况；

(2)分析判断无人艇当前时刻的实际运动状态；

(3)检测分析无人艇行驶前方的障碍物信息，

(4)无人艇上工业控制计算机中的号灯与声号控制器对当前时刻的昼夜信息、能见度状况、无人艇的实际运动状态和障碍物信息进行综合计算分析，并按照国际海上避碰规则计算无人艇上鸣笛喇叭和各个信号灯的控制指令，然后将控制指令发送至单片机，单片机根据接收的控制指令对相应的信号灯、鸣笛喇叭的控制开关进行控制。

根据上述的方法，优选地，步骤(1)中分析当前时刻的昼夜信息的具体操作步骤为：

a、通过GPS装置获取当前位置的经纬度信息和当前时刻世界标准时间，并将经纬度信息和世界标准时间传输给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器根据经纬度信息计算当前位置的日出时间和日落时间，然后将计算得到的日出时间、日落时间与世界标准时间进行比较，分析当前位置当前时刻的昼夜信息；

b、通过光敏传感器检测当前时刻外界的光信号，并将光信号信息传输给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器根据光敏传感器检测的光信号分析当前位置当前时刻的昼夜信息；

c、号灯与声号控制器综合分析步骤a和步骤b获取的昼夜信息，当步骤a、步骤b中任意一个获取的昼夜信息为黑夜时，则为判断当前位置当前时刻为黑夜；当步骤a、步骤b获取的昼夜信息均为白昼时，则为判断当前位置当前时刻为白昼。如果当前位置当前时刻为黑夜，则需要采用号灯与声号控制器对信号灯进行控制。

根据上述的方法，优选地，步骤a中日出时间、日落时间的计算方法为：由于地球的自转和公转引起的太阳直射点的移动造成了晨昏线的出现，并且晨昏线所在平面与地轴的夹角在数值上等于太阳直射点的纬度。由晨昏线引起的昼夜时间变化在一年内呈一定规律，因此，采用如下公式计算日出时间、日落时间：

T_start＝(180+d*15-x-arccos(tan(10547π/81000*cos(2π*(date+9)/365))*tan(y*π/180))*π/180)/15

T_end＝(180+d*15-x+arccos(tan(10547π/81000*cos(2π*(date+9)/365))*tan(y*π/180))*π/180)/15

其中，T_start为日出时间；T_end为日落时间；d为时区，以东区为正，西区为负；x为无人艇当前位置的经度；y为无人艇当前位置的纬度；date为日期，以1到365进行描述，针对闰年2月29日以2月28日进行计算；该公式获得的时间为当前位置所在时区的日出时间和日落时间。更加优选地，考虑可能存在估计误差的情形，在利用上述公式计算得到日出日落时间后，将日出时间延后半小时作为最终的日出时间，将日落时间提前半小时作为最终的日落时间。

根据上述的方法，优选地，步骤(2)中分析判断无人艇当前时刻实际运动状态的方法为：通过惯导系统检测无人艇当前时刻的航向角和航速信息，并将检测的航向角和航速信息传输给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器从无人艇控制器中获取无人艇当前时刻的控制模式、工作模式、舵角、油门和喷水推进器控制参数，然后将从无人艇控制器获取的控制参数与惯导系统检测的航向角和航速信息进行比较，分析判断无人艇当前时刻的实际运动状态；其具体步骤如下：

1)当前时刻无人艇的航速为<0.1m/s，舵角、油门的控制参数均为0，则无人艇处于停船状态；

2)当前时刻无人艇的航速≥0.1m/s，舵角控制参数在[-30,30]区间内，油门控制参数在(0,80％]区间内，则无人艇处于正常航行状态；

3)当前时刻无人艇的航速≥0.1m/s，舵角控制参数在[-30,30]区间内，油门控制参数在(80％,100％]区间内，则无人艇处于快速航行状态；

4)当前时刻无人艇具有航速和固定的航向角，舵角、油门的控制参数均为0，无人艇控制模式为非自主控制模式，则无人艇处于被拖曳状态；

5)当前时刻无人艇的航速<0.1m/s，惯导系统获取的加速度<0.1m/s²，但油门控制参数不为0，无人艇与上位机失联，则无人艇处于失联停船状态；

6)当前时刻无人艇的航速≥0.1m/s，且惯导系统获取的加速度在航向反方向上的分量<0.1m/s²，但舵角、油门的控制参数均为0，且无人艇控制模式为自主控制模式，则无人艇处于失控状态；

7)当前时刻无人艇的航速为<0.1m/s，但油门控制参数不为0，且无人艇与上位机未失联，则无人艇处于搁浅状态；

8)当前时刻无人艇的航速≥0.1m/s，且无人艇工作模式为拖曳，则无人艇处于拖曳状态。

根据上述的方法，优选地，步骤(3)中检测分析无人艇行驶前方的障碍物信息的具体操作为：通过激光雷达检测无人艇周围的障碍物信息，并将障碍物信息传输给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器根据激光雷达提供的障碍物信息分析障碍物的航速、航向，并预测障碍物与无人艇之间的相对位置。号灯与声号控制器经过分析发现障碍物具有一定的速度时，则认为障碍物为在航船舶；以检测的速度和航向作为船舶的固定速度和航向，预测船舶位置，当预测船舶与无人艇之后可能发生相遇时，需要采用号灯与声号控制器对信号灯和鸣笛喇叭进行控制。

根据上述的方法，优选地，所述方法还包括检测分析无人艇上信号灯和鸣笛喇叭健康状况的步骤，其具体操作为：采用电流传感器对每个信号灯和鸣笛喇叭的电流进行检测，并将检测的电流数据信号发送至单片机，单片机对接收的电流数据信号进行解析处理并将处理结果反馈给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器对单片机反馈的处理结果进行分析处理，当发现信号灯或鸣笛喇叭存在故障时，号灯与声号控制器生成故障反馈信号并将故障反馈信号发送至无人艇控制器。

与现有技术相比，本发明取得的积极有益效果为：

(1)本发明的自动控制系统可以针对无人艇航行状态实时切换信号和声号；通过获取GPS、惯导系统和光敏传感器的检测数据与艇体控制参数进行比较，可以实现在无人情况下的自动识别船体运动状态、自动判断昼夜情况，并进行信号灯的控制；通过激光雷达检测无人艇周围船舶的运动状态，在检测到周围船舶与无人艇可能相遇时可以自动控制船用鸣笛喇叭发出操纵信号；通过海上能见度观测仪检测海上能见度，当能见度较低时，可以自主控制船用鸣笛喇叭发出告警声号。因此，本发明的无人艇号灯与声号自动控制系统能够实现无人艇在执行各种任务时，自主遵守国际海上避碰规则，做出相应的号灯、号型及发出的号声操作，解决了现有无人艇无法按照国际海上避碰规则随时进行号灯和声号控制的问题，提高无人艇航行过程的安全性，降低了无人艇海上航行时发生两船碰撞的安全隐患。

(2)本发明的自动控制系统设有电流检测模块，电流检测模块能够对每个信号灯和鸣笛喇叭进行电流检测，并将检测的电流信号传输给单片机，单片机对接收的电流信号进行处理，并将处理结果反馈给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器对单片机反馈的处理结果进行分析处理，当发现信号灯和鸣笛喇叭发生故障时，会立刻生成报警信息，并将报警信息传输至无人艇控制器，以提醒操作人员及时发现问题并采取必要的措施，保障无人艇行驶安全。因此，当无人艇航行过程中，信号灯、鸣笛喇叭出现故障时，本发明的无人艇号灯与声号自动控制系统能够在第一时间报警，提醒工作人员及时修复，确保无人艇行驶安全，避免海损事故的发生。

(3)本发明的自动控制系统中单片机控制模块包括单片机和控制开关，每个信号灯设有一个控制开关，每个鸣笛喇叭设有一个控制开关，该设置便于号灯与声号控制器通过单片机实现对每一个信号灯和鸣笛喇叭的精准独立控制，提高了控制的精准度。

(4)当单独以基于GPS装置检测数据计算的日出日落时间作为昼夜的评判标准时，容易忽略阴天、雨天等环境因素造成的白天需要开信号灯的情况；相应地，当单独使用光敏传感器作为昼夜的评判标准时，容易因其他船舶的光照导致系统误判夜晚为白天的情况。本发明的自动控制系统利用GPS装置和光敏传感器双重条件对无人艇当前位置当前时刻的昼夜信息进行判断，极大地提高了系统自动控制控制信号灯和鸣笛喇叭的可靠性和稳定性。

(5)本发明的自动控制系统可靠性高，结构简单，控制性能优异，解决了现有无人艇无法按照国际海上避碰规则随时进行号灯和声号控制的问题，提高无人艇航行过程的安全性，降低了无人艇海上航行时发生两船碰撞的安全隐患。

(6)本发明的控制方法能够根据GPS获取的UTC时间、经纬度信息和光敏传感器检测的光信号判断当前时刻的昼夜信息，根据惯导系统的检测数据以及从无人艇控制器获取的控制参数准确判断无人艇的实际运动状态，根据激光雷达检测无人艇周围的障碍物信息，根据能见度观测仪检测海上能见度，号灯与声号控制器通过对当前时刻的昼夜信息、无人艇的实际运动状态、障碍物信息和能见度状况进行综合计算分析，实现按照国际海上避碰规则精准控制无人艇上鸣笛喇叭和信号灯开启与关闭。因此，本发明的控制方法能够实现无人艇上信号灯和鸣笛喇叭的自动控制，而且能够针对无人艇航行状态自动实时切换信号和声号，控制方法可靠性高，稳定性强，解决了现有无人艇无法按照国际海上避碰规则随时进行号灯和声号控制的问题，提高无人艇航行过程的安全性，降低了无人艇海上航行时发生两船碰撞的安全隐患。

附图说明

图1为本发明无人艇号灯与声号自动控制系统的示意图；

图2为本发明中无人艇上设备分布示意图；

图3为本发明中无人艇上设备分布的侧视图；

图4为实施例中日出日落时间示意图；

图中：1为锚灯，2为能见度观测仪，3为GPS装置，4为右舷灯，5为光敏传感器，6为艉灯，7为激光雷达，8为惯导系统，9为左舷灯，10为高位红色环照灯，11为桅灯，12为中位白色环照灯、13为黄色闪光灯、14为低位红色环照灯，15为鸣笛喇叭，16为拖带灯。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明做进一步详细说明，但并不限制本发明的范围。

实施例1：

一种无人艇号灯与声号自动控制系统，如图1-图3所示，包括设置在无人艇上的数据采集模块、工业控制计算机、执行命令模块和电流检测模块。所述数据采集模块包括设置在无人艇甲板上的激光雷达7、GPS装置3、能见度观测仪2、惯导系统8和光敏传感器5；所述工业控制计算机包括号灯与声号控制器和无人艇控制器，号灯与声号控制器和无人艇控制器之间有数据交互，号灯与声号控制器可从无人艇控制器中获取当前无人艇的控制模式、工作模式、舵角、油门和喷水推进器控制参数；所述执行命令模块包括单片机控制模块、设置在无人艇上的鸣笛喇叭15和信号灯，所述单片机控制模块包括STM32单片机和控制开关，每个信号灯设有一个控制其工作状态的控制开关，每个鸣笛喇叭15设有一个控制其工作状态的控制开关，所述控制开关均为继电器，所述STM32单片机通过RS232串口协议与工业控制计算机进行数据交互；所述电流检测模块包括多个电流传感器，每个信号灯设有一个电流传感器，每个鸣笛喇叭15设有一个电流传感器，电流传感器用于对信号灯、鸣笛喇叭15提供电流检测；所述数据采集模块将检测的数据信号传输给工业控制计算机中的号灯与声号控制器，无人艇控制器将无人艇的控制数据信号发送至号灯与声号控制器，号灯与声号控制器接收数据采集模块和无人艇控制器发送的数据信号并对数据信号进行处理，然后发出控制指令至单片机，单片机接收号灯与声号控制器发出的控制指令并根据控制指令对信号灯和鸣笛喇叭15的控制开关进行控制；电流传感器将检测的电流数据信号发送至单片机，单片机对接收的电流数据信号进行解析处理并将处理结果反馈给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器对单片机反馈的处理结果进行分析处理，当发现信号灯或鸣笛喇叭15存在故障时，号灯与声号控制器生成故障反馈信号并将故障反馈信号发送至无人艇控制器。

所述激光雷达7用于检测无人艇周围的障碍物以及其障碍物的运动状态和障碍物与无人艇之间的相对位置关系，并将检测的障碍物信息传输给号灯与声号控制器。所述GPS装置3用于无人艇的定位和导航，同时GPS装置3能获取当前位置当前时刻的世界标准时间以及经纬度信息，并将检测的数据信号传输给号灯与声号控制器。所述能见度观测仪2用于检测海面的能见度，并将检测的数据信号传输给号灯与声号控制器。所述惯导系统8用于检测无人艇当前时刻的航速、航向角和位置等信息，并将检测的数据信号传输给号灯与声号控制器。所述光敏传感器5用于检测外界的光信号，并将光信号信息传输给号灯与声号控制器。

所述信号灯包括一个锚灯1、一个左舷灯9、一个右舷灯4、一个高位红色环照灯10、一个桅灯11、一个中位白色环照灯12、一个黄色闪光灯13、一个低位红色环照灯14、一个艉灯6和一个拖带灯16。

上述无人艇号灯与声号自动控制系统的工作过程为：

激光雷达7、GPS装置3、能见度观测仪2、惯导系统8和光敏传感器5将检测的数据信号传输给工业控制计算机中的号灯与声号控制器，无人艇控制器将无人艇的控制数据信号发送至号灯与声号控制器，号灯与声号控制器对来自无人艇控制器、激光雷达7、GPS装置3、能见度观测仪2、惯导系统8、光敏传感器5和无人艇控制器的数据信号进行综合处理，分析判断当前时刻的昼夜信息、能见度、无人艇的实际运动状态和障碍物信息，并按照国际海上避碰规则计算鸣笛喇叭15与各个信号灯的控制指令，然后将鸣笛喇叭15与各个信号灯的控制指令传输至单片机，单片机接收号灯与声号控制器的控制指令并对相应的信号灯、鸣笛喇叭15的控制开关进行控制；同时，电流检测模块直接对每个信号灯和鸣笛喇叭15进行电流检测，并将检测的电流信号传输给单片机，单片机对接收的电流数据信号进行解析处理并将处理结果反馈给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器对单片机反馈的处理结果进行分析处理，当发现信号灯或鸣笛喇叭15存在故障时，号灯与声号控制器生成故障报警信号并将故障报警信号发送至无人艇控制器，以提醒操作人员及时发现问题并采取必要的措施，保障无人艇行驶安全。

实施例2：

实施例1所述无人艇号灯与声号自动控制系统的控制方法，包括以下步骤：

(1)通过GPS装置3获取当前位置的经纬度信息和当前时刻世界标准时间，并将经纬度信息和当前时刻世界标准时间传输给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器根据经纬度信息计算当前位置的日出时间和日落时间，然后将计算得到的日出时间、日落时间与世界标准时间进行比较，分析当前位置当前时刻的昼夜信息；

(2)通过光敏传感器5检测当前时刻外界的光信号，并将光信号信息传输给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器根据光敏传感器5检测的光信号分析当前位置当前时刻的昼夜信息；

(3)号灯与声号控制器综合分析步骤a和步骤b获取的昼夜信息，当步骤(1)、步骤(2)中任意一个获取的昼夜信息为黑夜时，则为判断当前位置当前时刻为黑夜，需开启对信号灯和鸣笛喇叭15的控制；当步骤(1)、步骤(2)获取的昼夜信息均为白昼时，则为判断当前位置当前时刻为白昼，需关闭对信号灯和鸣笛喇叭15的控制；

(4)通过能见度观测仪2检测海上的能见度，并将能见度信息传输给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器对能见度信息分析，经分析发现当前时刻能见度不良时，开启对鸣笛喇叭15的控制；当前时刻能见度良好，则关闭对鸣笛喇叭15的控制；

(5)通过惯导系统8检测无人艇当前时刻的航向角和航速信息，并将检测的航向角和航速信息传输给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器从无人艇控制器中获取无人艇当前时刻的控制模式、工作模式、舵角、油门和喷水推进器控制参数，然后将从无人艇控制器获取的控制参数与惯导系统8检测的航向角和航速信息进行比较，分析判断无人艇当前时刻的实际运动状态；

1)当前时刻无人艇的航速为<0.1m/s，舵角、油门的控制参数均为0，则无人艇处于停船状态；

2)当前时刻无人艇的航速≥0.1m/s，舵角控制参数在[-30,30]区间内，油门控制参数在(0,80％]区间内，则无人艇处于正常航行状态；

3)当前时刻无人艇的航速≥0.1m/s，舵角控制参数在[-30,30]区间内，油门控制参数在(80％,100％]区间内，则无人艇处于快速航行状态；

4)当前时刻无人艇具有航速和固定的航向角，舵角、油门的控制参数均为0，无人艇控制模式为非自主控制模式，则无人艇处于被拖曳状态；

5)当前时刻无人艇的航速<0.1m/s，惯导系统8获取的加速度<0.1m/s²，但油门控制参数不为0，无人艇与上位机失联，则无人艇处于失联停船状态；

6)当前时刻无人艇的航速≥0.1m/s，且惯导系统8获取的加速度在航向反方向上的分量<0.1m/s²，但舵角、油门的控制参数均为0，且无人艇控制模式为自主控制模式，则无人艇处于失控状态；

7)当前时刻无人艇的航速为<0.1m/s，但油门控制参数不为0，且无人艇与上位机未失联，则无人艇处于搁浅状态；

8)当前时刻无人艇的航速≥0.1m/s，且无人艇工作模式为拖曳，则无人艇处于拖曳状态；

(6)通过激光雷达7检测无人艇周围的障碍物信息，并将障碍物信息传输给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器根据激光雷达7提供的障碍物信息分析障碍物的航速、航向，号灯与声号控制器经过分析发现障碍物具有一定的速度时，则认为障碍物为在航船舶，以检测的速度和航向作为船舶的固定速度和航向，预测几秒后在航船舶与无人艇位置，预测的时间与无人艇的船速有关，尽量保证无人艇有足够的时间进行避碰，当预测在航船舶与无人艇之后可能发生相遇时，需开启对信号灯和鸣笛喇叭15的控制；

(7)无人艇上工业控制计算机中的号灯与声号控制器对当前时刻的昼夜信息、能见度状况、无人艇的实际运动状态和障碍物信息进行综合计算分析，然后按照国际海上避碰规则计算无人艇上鸣笛喇叭15和各个信号灯的控制指令，并将控制指令传输至单片机控制模块，单片机控制模块接收号灯与声号控制器的发出控制指令，对相应的信号灯、鸣笛喇叭15进行控制；

(8)采用电流传感器对每个信号灯和鸣笛喇叭的电流进行检测，并将检测的电流数据信号发送至单片机，单片机对接收的电流数据信号进行解析处理并将处理结果反馈给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器对单片机反馈的处理结果进行分析处理，当发现信号灯或鸣笛喇叭存在故障时，号灯与声号控制器生成故障反馈信号并将故障反馈信号发送至无人艇控制器。

实施例3：

根据GPS装置3检测的经纬度信息计算当前位置的日出时间和日落时间的方法：

由于地球的自转和公转引起的太阳直射点的移动造成了晨昏线的出现，并且晨昏线所在平面与地轴的夹角在数值上等于太阳直射点的纬度；由晨昏线引起的昼夜时间变化在一年内呈一定规律，因此，采用如下公式计算日出时间、日落时间：

T_start＝(180+d*15-x-arccos(tan(10547π/81000*cos(2π*(date+9)/365))*tan(y*π/180))*π/180)/15

T_end＝(180+d*15-x+arccos(tan(10547π/81000*cos(2π*(date+9)/365))*tan(y*π/180))*π/180)/15

其中，T_start为日出时间；T_end为日落时间；d为时区，以东区为正，西区为负；x为无人艇当前位置的经度；y为无人艇当前位置的纬度；date为日期，以1到365进行描述，针对闰年2月29日以2月28日进行计算。该公式获得的时间为当前位置所在时区的日出时间和日落时间。

为了进一步验证上述日出时间、日落时间计算公式计算得到的日出和日落时间的合理性，采用该计算公式分别对位于南半球的澳大利亚和位于北半球的北京、纽约的日出时间和日落时间进行计算，其日出日落时间示意图见图4，图4中实线代表日出时间，虚线代表日落时间。由图4可以看出，北半球的北京和纽约在6、7月份的时候，其白昼时间最长，而12、1月份的时候白昼时间最短；在南半球的澳大利亚与北京和纽约呈现相反的情况；而且针对北极和南极两处易出现极昼极夜现象的地点，该日出日落模型也能很好的进行估计；由此说明该日出时间、日落时间计算方法精准度高，能够用于日出时间和日落时间的合理估算。考虑可能存在估计误差的情形，在得到日出日落时间后，将日出时间延后半小时，并将日落时间提前半小时。

实施例4：实施例1所述无人艇号灯与声号自动控制系统对无人艇上信号灯和声号的控制实例

(一)海上能见度良好时，实施例1所述无人艇号灯与声号自动控制系统根据无人艇实际运动状态控制信号灯的规则为：

1.当无人艇处于白天航行状态时，信号灯不工作；

2.当无人艇处于夜间正常航行状态时，开启艉灯6、左舷灯9、右舷灯4和桅灯11；

3.当无人艇处于夜间停船状态时，开启锚灯1；

4.当无人艇处于夜间快速航行状态时，开启艉灯6、左舷灯9、右舷灯4和黄色闪光灯13；

5.当无人艇处于夜间被拖曳状态时，开启艉灯6、左舷灯9和右舷灯4；

6.当无人艇处于夜间失联停船状态时，开启高位红色环照灯10、中位白色环照灯12和低位红色环照灯14；

7.当无人艇处于夜间失控状态时，开启高位红色环照灯10、低位红色环照灯14、艉灯6、左舷灯9、右舷灯4；

8.当无人艇处于夜间搁浅状态时，开启高位红色环照灯10、低位红色环照灯14；

9.当无人艇处于夜间拖曳状态时，开启艉灯6、左舷灯9、右舷灯4、桅灯11和拖带灯16；

其中白天状态具有最高优先级，夜间状态具有最低优先级。

(二)海上能见度不良时，实施例1所述无人艇号灯与声号自动控制系统根据无人艇实际运动状态控制信号灯的规则为：

1.当无人艇处于白天航行状态时，声号为“—”，间隔为2分钟；

2.当无人艇处于夜间正常航行状态时，声号为“—”，间隔为2分钟；

3.当无人艇处于停船状态时，声号为“·—·”，间隔为2分钟；

4.当无人艇处于快速航行状态时，声号为“—”，间隔为2分钟；

5.当无人艇处于被拖曳状态时，声号为“—···”，间隔为2分钟；

6.当无人艇处于失联停船状态时，声号为“——”，间隔为2分钟；

7.当无人艇处于失控状态时，声号为“—··”，间隔为2分钟；

8.当无人艇处于搁浅状态时，声号为“··—”，间隔为2分钟；

9.当无人艇处于拖曳状态时，声号为“—··”，间隔为2分钟；

其中“—”表示长鸣，“·”表示短鸣，且白天状态与夜间状态具有最低优先级。

(三)根据激光雷达7检测的无人艇周围船舶信息，预测船舶与无人艇之后可能发生相遇时，实施例1所述无人艇号灯与声号自动控制系统根据无人艇实际运动状态控制信号灯的规则为：

1.当两船正面相遇时，无人艇企图从目标船的右侧避障时，声号为“·”，同时闪烁一次锚灯1；

2.当两船正面相遇时，无人艇企图从目标船的左侧避障时，声号为“··”，同时闪烁两次锚灯1；

当两船正面相遇时，无人艇企图后退时，声号为“···”，同时闪烁三次锚灯1；

3.当无人艇准备追越前方在航船舶时，无人艇企图从船舶的右侧超越，声号为“——·”；

4.当无人艇准备追越前方在航船舶时，无人艇企图从船舶的左侧超越，声号为“——··”；

其中“—”表示长鸣，“·”表示短鸣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，但不仅限于上述实例，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无人艇号灯与声号自动控制系统，其特征在于，包括设置在无人艇上的数据采集模块、工业控制计算机和执行命令模块；所述数据采集模块包括设置在无人艇甲板上的激光雷达、GPS装置、能见度观测仪、惯导系统和光敏传感器；所述工业控制计算机包括号灯与声号控制器和无人艇控制器，号灯与声号控制器和无人艇控制器之间有数据交互；所述执行命令模块包括单片机控制模块、设置在无人艇上的鸣笛喇叭和信号灯，所述单片机控制模块包括单片机和控制开关，每个信号灯设有一个控制开关，每个鸣笛喇叭设有一个控制开关，所述单片机与工业控制计算机之间有数据交互；所述数据采集模块将检测的数据信号传输给工业控制计算机中的号灯与声号控制器，无人艇控制器将无人艇的控制数据信号发送至号灯与声号控制器，号灯与声号控制器接收数据采集模块和无人艇控制器发送的数据信号并对数据信号进行处理，然后发出控制指令至单片机，单片机接收号灯与声号控制器发出的控制指令并根据控制指令对信号灯和鸣笛喇叭的控制开关进行控制。

2.根据权利要求1所述的无人艇号灯与声号自动控制系统，其特征在于，所述无人艇号灯与声号自动控制系统包括电流检测模块，电流检测模块用于对信号灯和鸣笛喇叭提供电流检测；电流检测模块将检测的电流数据信号发送至单片机，单片机对接收的电流数据信号进行处理并将处理结果反馈给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器对单片机反馈的处理结果进行分析处理，当发现信号灯或鸣笛喇叭存在故障时，号灯与声号控制器生成故障反馈信号并将故障反馈信号发送至无人艇控制器。

3.根据权利要求2所述的无人艇号灯与声号自动控制系统，其特征在于，所述电流检测模块包括多个电流传感器，每个信号灯设有一个电流传感器，每个鸣笛喇叭设有一个电流传感器。

4.一种无人艇号灯与声号自动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)分析当前时刻的昼夜信息和海上的能见度状况；

(2)分析判断无人艇当前时刻的实际运动状态；

(3)检测分析无人艇行驶前方的障碍物信息，

(4)无人艇上工业控制计算机中的号灯与声号控制器对当前时刻的昼夜信息、能见度状况、无人艇的实际运动状态和障碍物信息进行综合计算分析，并按照国际海上避碰规则计算无人艇上鸣笛喇叭和各个信号灯的控制指令，然后将控制指令发送至单片机，单片机根据接收的控制指令对相应的信号灯、鸣笛喇叭的控制开关进行控制。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)中分析当前时刻的昼夜信息的具体操作步骤为：

a、通过GPS装置获取当前位置的经纬度信息和当前时刻世界标准时间，并将经纬度信息和世界标准时间传输给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器根据经纬度信息计算当前位置的日出时间和日落时间，然后将计算得到的日出时间、日落时间与世界标准时间进行比较，分析当前位置当前时刻的昼夜信息；

b、通过光敏传感器检测当前时刻外界的光信号，并将光信号信息传输给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器根据光敏传感器检测的光信号分析当前位置当前时刻的昼夜信息；

c、号灯与声号控制器综合分析步骤a和步骤b获取的昼夜信息，当步骤a、步骤b中任意一个获取的昼夜信息为黑夜时，则为判断当前位置当前时刻为黑夜；当步骤a、步骤b获取的昼夜信息均为白昼时，则为判断当前位置当前时刻为白昼。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤a中日出时间和日落时间的计算公式为：

T_start＝(180+d*15-x-arccos(tan(10547π/81000*cos(2π*(date+9)/365))*tan(y*π/180))*π/180)/15

T_end＝(180+d*15-x+arccos(tan(10547π/81000*cos(2π*(date+9)/365))*tan(y*π/180))*π/180)/15

式中，T_start为日出时间；T_end为日落时间；d为时区，以东区为正，西区为负；x为无人艇当前位置的经度；y为无人艇当前位置的纬度；date为日期，其取值为1～365。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(2)中分析判断无人艇当前时刻实际运动状态的方法为：通过惯导系统检测无人艇当前时刻的航向角和航速信息，并将检测的航向角和航速信息传输给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器从无人艇控制器中获取无人艇当前时刻的控制模式、工作模式、舵角、油门和喷水推进器控制参数，然后将从无人艇控制器获取的控制参数与惯导系统检测的航向角和航速信息进行比较，分析判断无人艇当前时刻的实际运动状态；其具体步骤如下：

1)当前时刻无人艇的航速为<0.1m/s，舵角、油门的控制参数均为0，则无人艇处于停船状态；

2)当前时刻无人艇的航速≥0.1m/s，舵角控制参数在[-30,30]区间内，油门控制参数在(0,80％]区间内，则无人艇处于正常航行状态；

3)当前时刻无人艇的航速≥0.1m/s，舵角控制参数在[-30,30]区间内，油门控制参数在(80％,100％]区间内，则无人艇处于快速航行状态；

4)当前时刻无人艇具有航速和固定的航向角，舵角、油门的控制参数均为0，无人艇控制模式为非自主控制模式，则无人艇处于被拖曳状态；

5)当前时刻无人艇的航速<0.1m/s，惯导系统获取的加速度<0.1m/s²，但油门控制参数不为0，无人艇与上位机失联，则无人艇处于失联停船状态；

6)当前时刻无人艇的航速≥0.1m/s，且惯导系统获取的加速度在航向反方向上的分量<0.1m/s²，但舵角、油门的控制参数均为0，且无人艇控制模式为自主控制模式，则无人艇处于失控状态；

7)当前时刻无人艇的航速为<0.1m/s，但油门控制参数不为0，且无人艇与上位机未失联，则无人艇处于搁浅状态；

8)当前时刻无人艇的航速≥0.1m/s，且无人艇工作模式为拖曳，则无人艇处于拖曳状态。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(3)中检测分析无人艇行驶前方的障碍物信息的具体操作为：采用激光雷达检测无人艇周围障碍物信息，并将障碍物信息传输给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器根据激光雷达提供的障碍物信息分析障碍物的航速、航向，并预测障碍物与无人艇之间的相对位置。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括检测分析无人艇上信号灯和鸣笛喇叭健康状况的步骤，其具体操作为：采用电流传感器对每个信号灯和鸣笛喇叭的电流进行检测，并将检测的电流数据信号发送至单片机，单片机对接收的电流数据信号进行解析处理并将处理结果反馈给号灯与声号控制器，号灯与声号控制器对单片机反馈的处理结果进行分析处理，当发现信号灯或鸣笛喇叭存在故障时，号灯与声号控制器生成故障反馈信号并将故障反馈信号发送至无人艇控制器。