CN110456793B - 一种无人艇自主停泊方法、装置及无人艇 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人艇自主停泊方法、装置及无人艇，属于无人艇控制技术领域，方法包括：GNSS全局引导：在无人艇接收到入港指令后，执行预先设定的入港任务，进入低速航迹航向保持区域，并使无人艇的航向航迹误差处于在一定范围内，以准备进入标签可视区域；标签像素引导：在进入标签可视区域后，根据标签可视区域内预设的色块标签，启动标签引导程序，精细调节无人艇姿态进入船坞泊位；若标签像素引导过程中出现连续丢像素帧或者航向航迹偏差超过预设范围，则将重置引导任务至低速航迹航向保持区域。本发明实施例能够低成本、有效保障无人艇入港/坞的稳定性和安全性，也能够提高进港/坞的精度，从而适用于狭小空间的无人艇停放。
Description
技术领域
本发明涉及无人艇控制技术领域，尤其涉及一种无人艇自主停泊方法、装置及无人艇。
背景技术
水面无人艇(Unmanned Surface Vehicle，USV)具有机动灵活、隐蔽性好和成本低等特点，广泛应用于救助、海洋资源探测以及侦查等民用和军用领域。目前，水面无人艇随着智能化程度的不断提高，必将在江湖探测、海洋工程与海洋军事领域有广泛的应用。当前无人艇的入港只能在低航速、低海况下人工操作进行，尤其在狭小空间里布置停船任务时很难准确及时的人工操作，因此，提供安全稳定可靠的自主入港解决方案是急需突破的瓶颈。
中国发明专利“一种无人船自动靠泊系统及方法”(公开号CN109285389A)公开的系统及方法，包括码头泊位管理子系统和无人船靠泊子系统，通过摄像头采集图像信息进行泊位的自动化识别管理，通过无线装置与无人船进行数据交互，融合摄像头数据、超声波数据、GPS数据和环境监测数据，完成无人船的自动靠泊过程。但靠泊子系统的多传感器数据没有给出具体可操作的融合控制方法，也没有考虑摄像头特征图像的丢失情况，所述方法无法直接应用于狭窄空间的停泊。
中国发明专利“基于单目视觉和激光数据融合的无人艇自主停泊系统和方法”(公开号CN108445880A)公开的系统及方法，通过视觉传感器检测标定泊位角度、激光传感器测定泊位距离相结合来实现无人艇的停泊。该方法没有给出具体可操作性的停泊策略；没有考虑当视觉传感器丢失特征时的紧急航行策略；且该方法没有考虑停泊中无人艇的姿态控制问题，无法直接应用于有限狭窄空间的停泊。
中国发明专利“基于三维全景环视的无人艇自动锚泊视觉辅助系统”(公开号CN105741234A)公开的系统及方法，包括无人艇视频图像全景系统以及自动锚泊避障系统，通过安装至少四个摄像机和毫米波测距雷达来实现广阔的视角监控，将视频图像进行校正拼接以形成全景视觉，为无人艇锚泊系统服务。该方法缺乏针对性，仅为泊岸系统实现和提供图像和视频信息，没有给出实际的泊岸方法和策略；且该方法成本高，技术门槛高。
中国发明专利“一种无人艇起吊回收视觉引导方法”(公开号CN107830860A)公开的系统及方法，公开了一种通过无线电台、透雾摄像头、激光测距仪以及IMU融合的起吊回收方案，实现和完成母船的确认、母船位置方位的检测以及近距离的起吊回收精准控制。该方法仍缺乏针对性，所述方法主要用于起吊回收；停泊中没有对泊岸姿态提出要求，很难仅依靠图像来保证无人艇与母船固定位置；且没有考虑丢失图像时无人艇的及时控制等问题；实现成本较高，过程复杂不易实现。
综上，无人艇基于视觉图像的自主泊岸的难点在于：(1)需要考虑分阶段停泊策略，特别是停泊失败的策略，确保停泊的安全是首要的；(2)需要考虑摄像头等视觉模块的物理时间、空间以及气候的限制问题，像素的丢失等实际问题；(3)应用于狭窄空间的停泊需要考虑无人艇的准确姿态问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一，为此本发明提供了一种无人艇停泊方法、装置及计算机可读存储介质，从而实现对无人艇的精准姿态停放，方便应用于狭窄空间的停放。
本发明实施例提供的具体技术方案如下：
第一方面，提供了一种无人艇自主停泊方法，所述方法包括：
GNSS全局引导：在无人艇接收到入港指令后，执行预先设定的入港任务，进入低速航迹航向保持区域，并使所述无人艇的航向航迹误差处于在一定范围内，以准备进入标签可视区域；
标签像素引导：在进入所述标签可视区域后，根据所述标签可视区域内预设的色块标签，启动标签引导程序，精细调节无人艇姿态进入船坞泊位；
若所述标签像素引导过程中出现连续丢像素帧或者航向航迹偏差超过预设范围，则将重置引导任务至所述低速航迹航向保持区域。
进一步地，所述GNSS全局引导过程中，根据所述无人艇上的GNSS导航设备实时获取所述无人艇的位置和航向，并通过视线引导方法调整所述无人艇的航行偏距和偏航。
进一步地，所述GNSS全局引导具体包括：
在所述无人艇接收到入港指令后，根据泊位位置和入口方向执行高速回港任务，直至进入所述低速航迹航向保持区域；
在进入所述低速航迹航向保持区域后，执行低速回港任务以准备进入所述标签可视区域。
进一步地，所述标签引导程序采用嵌套控制方式，其外层为航迹航向保持控制器，内层为标签像素瞄准控制器，只有当航向航距偏差小于预设范围时才触发内层的标签像素瞄准控制器。
进一步地，所述标签像素瞄准控制器为PID控制器。
进一步地，所述标签像素瞄准控制器的结构如下：
进一步地，所述标签像素引导进一步包括：
触发所述航迹航向保持控制器检测当前航向航迹偏差是否超过预设范围；
若超过，则重置引导任务到低速航迹航向保持区域进行重新引导；
若未超过，则触发所述标签像素瞄准控制器对所述色块标签进行探测稳定像素位置，并判断在一定时间内是否探测到稳定像素；
若未探测到，则重置引导任务到所述低速航迹航向保持区域进行重新引导；
若探测到，则触发所述标签像素瞄准控制器运行内层伺服环以增稳当前航行姿态，使得无人艇以准确的姿态进入狭窄的入口。
进一步地，所述标签像素引导进一步还包括：
当探测到的所述色块标签大于预设阈值时，确定所述内层伺服环失效；
若预设时长内未检测到成功入港/坞的信号，则重置引导任务到所述低速航迹航向保持区域重新引导，否则确定成功完成入港任务。
第二方面，提供了一种无人艇自主停泊装置，所述装置包括：
GNSS全局引导模块，用于在无人艇接收到入港指令后，执行预先设定的入港任务，进入低速航迹航向保持区域，并使所述无人艇的航向航迹误差处于在一定范围内，以准备进入标签可视区域；
标签像素引导模块，用于在进入所述标签可视区域后，根据所述标签可视区域内预设的色块标签，启动标签引导程序，精细调节无人艇姿态进入船坞泊位；
引导任务重置模块，用于若所述标签像素引导过程中出现连续丢像素帧或者航向航迹偏差超过预设范围，则将重置引导任务至所述低速航迹航向保持区域。
第三方面，提供了一种无人艇，所述无人艇上设置有视觉模块、GNSS模块以及如第二方面所述的无人艇自主停泊装置。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
(1)低成本：采用低成本的视觉模块或单目摄像头以及通用GNSS模块，在保证精度的条件下，降低技术门槛。
(2)安全稳定:将无人艇自主进港分为多个阶段，同时采用双层嵌套控制方案，将视觉图像短距离精度高和GNSS全天候实时的特点相融合，有效保障无人艇入港/坞的稳定性和安全性。
(3)精度高：在依托GNSS无人艇的姿态大误差控制下，利用短距离作用但精度高的图像伺服以增加进坞/港的姿态刚度，从而提高进港/坞的精度，适用于狭小空间的无人艇停放。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种无人艇自主停泊方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种无人艇自主停泊流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种无人艇自主停泊装置的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明实施例提供了一种无人艇自主停泊方法，如图1所示，该方法可以包括GNSS全局引导过程和标签像素引导过程，其中：
GNSS全局引导：在无人艇接收到入港指令后，执行预先设定的入港任务，进入低速航迹航向保持区域，并使无人艇的航向航迹误差处于在一定范围内，以准备进入标签可视区域。
具体地，GNSS全局引导可以包括两个阶段：高速航迹航向保持阶段和低速航迹航向保持阶段。在高速航迹航向保持阶段，无人艇在接收到入港指令后，根据泊位位置和入口方向执行高速回港任务，直至进入低速航迹航向保持区域，这里，入港指令用于指示无人艇被允许入港停泊。在低速航迹航向保持阶段，自动降低无人艇速度，为进入标签可视区域做准备，保证航迹航向偏差在设定的范围之内。
标签像素引导：在进入标签可视区域后，根据标签可视区域内预设的色块标签，启动标签引导程序，精细调节无人艇姿态进入船坞泊位，若标签像素引导过程中出现连续丢像素帧或者航向航迹偏差超过预设范围，则将重置引导任务至低速航迹航向区域。
其中，标签可视区域为泊位或船坞入口区域，在泊位或船坞入口处设置色块标签，通过调整无人艇主摄像头的角度，确保无人艇靠近泊位时能探测到色块标签。本发明中对泊位色块标签不作过多要求和限定，可以设置成例如长方形、正多边形、圆形等，方便识别即可。
具体地，无人艇可以通过获取泊位色块标签在相机图像中的中心像素位置信息，调整合适的控制量来控制无人艇平稳进入船坞或泊位。在无人艇在入港过程中，可以首先通过GNSS实时调整导航路线航行到港口区域，使得色块标签处于摄像头视场(相机摄像头固定于无人艇艇体正前方)，并配合视觉图像控制方式提高停泊精度。
进一步地，GNSS全局引导过程中，根据无人艇上的GNSS导航设备实时获取无人艇的位置和航向，并通过视线引导方法调整无人艇的航行偏距和偏航。
进一步地，GNSS全局引导具体可以包括：
在无人艇接收到入港指令后，根据泊位位置和入口方向执行高速回港任务，直至进入低速航迹航向保持区域，在进入低速航迹航向保持区域后，执行低速回港任务以准备进入标签可视区域。
进一步地，标签引导程序采用嵌套控制方式，其外层为航迹航向保持控制器，内层为标签像素瞄准控制器，只有当航向航距偏差小于预设范围时才触发内层的标签像素瞄准控制器。优选地，标签像素瞄准控制器为PID控制器。
进一步地，标签像素瞄准控制器的结构如下：
进一步地，标签像素引导可以包括：
触发航迹航向保持控制器检测当前航向航迹偏差是否超过预设范围；
若超过，则重置引导任务到低速航迹航向保持区域进行重新引导；
若未超过，则触发标签像素瞄准控制器对色块标签进行探测稳定像素位置，并判断在一定时间内是否探测到稳定像素；
若未探测到，则重置引导任务到低速航迹航向保持区域进行重新引导；
若探测到，则触发标签像素瞄准控制器运行内层伺服环以增稳当前航行姿态，使得无人艇以准确的姿态进入狭窄的入口。
具体地，标签像素瞄准控制器获取相机摄像头实时采集的色块标签图像，若探测到色块标签的中心像素点，则运行内层伺服环，根据中心像素点的位置和图像平面的中心位置偏差，计算得到速度控制量，通过速度控制量增稳当前航行姿态，使得无人艇以准确的姿态进入狭窄的入口。
进一步地，标签像素引导还包括：
当探测到的色块标签大于预设阈值时，确定内层伺服环失效；
若预设时长内未检测到成功入港/坞的信号，则重置引导任务到低速航迹航向保持区域重新引导，否则确定成功完成入港任务。
本发明实施例提供的一种无人艇自主停泊方法，通过采用低成本的视觉模块或单目摄像头以及通用GNSS模块，在保证精度的条件下，降低技术门槛；通过将无人艇自主进港分为多个阶段，同时采用双层嵌套控制方案，将视觉图像短距离精度高和GNSS全天候实时的特点相融合，有效保障无人艇入港/坞的稳定性和安全性；通过在依托GNSS无人艇的姿态大误差控制下，利用短距离作用但精度高的图像伺服以增加进坞/港的姿态刚度，从而提高进港/坞的精度，适用于狭小空间的无人艇停放。
下面结合图2进行说明本发明实施例提供的方法。图2为本发明实施例提供的一种无人艇自主停泊流程示意图。
(1)判断是否收到入港指令，若收到，则执行步骤(2)；
(2)基于GNSS，执行高速航迹航向保持跟踪入港；
(3)基于GNSS，判断是否进入低速航迹航向保持区域，若否，则继续执行高速航迹航向保持跟踪入港，若是，则执行步骤(4)；
(4)基于GNSS，执行低速航迹航向保持跟踪入港；
(5)基于GNSS，判断是否进入标签可视区域，若是，则执行步骤(6)，若否，则重置引导任务到低速入港区域重新引导；
(6)启动图像标签检测；
(7)基于GNSS，检测当前航向航迹偏差是否在设定范围内，若是，则执行步骤(8)，否则，重置引导任务到低速入港区域重新引导；
(8)根据标签像素，执行图像引导入港，若成功完成入港任务，则结束，否则，重置引导任务到低速入港区域重新引导。
实施例二
本发明实施例提供了一种无人艇自主停泊装置，如图3所示，该装置包括：
GNSS全局引导模块，用于在无人艇接收到入港指令后，执行预先设定的入港任务，进入低速航迹航向保持区域，并使无人艇的航向航迹误差处于在一定范围内，以准备进入标签可视区域；
标签像素引导模块，用于在进入标签可视区域后，根据标签可视区域内预设的色块标签，启动标签引导程序，精细调节无人艇姿态进入船坞泊位；
引导任务重置模块，用于若标签像素引导过程中出现连续丢像素帧或者航向航迹偏差超过预设范围，则将重置引导任务至低速航迹航向保持区域。
进一步地，GNSS全局引导模块具体用于：
根据无人艇上的GNSS导航设备实时获取无人艇的位置和航向，并通过视线引导方法调整无人艇的航行偏距和偏航。
进一步地，GNSS全局引导模块具体用于：
在无人艇接收到入港指令后，根据泊位位置和入口方向执行高速回港任务，直至进入低速航迹航向保持区域；
在进入低速航迹航向保持区域后，执行低速回港任务以准备进入标签可视区域。
进一步地，标签像素引导程序采用嵌套控制方式，其外层为航迹航向保持控制器，内层为标签像素瞄准控制器，只有当航向航距偏差小于预设范围时才触发内层的标签像素瞄准控制器。
进一步地，标签像素瞄准控制器为PID控制器。
进一步地，标签像素瞄准控制器的结构如下：
进一步地，标签像素引导模块触发航迹航向保持控制器检测当前航向航迹偏差是否超过预设范围；
若超过，则引导任务重置模块重置引导任务到低速航迹航向保持区域进行重新引导；
若未超过，则标签像素引导模块触发标签像素瞄准控制器对色块标签进行探测稳定像素位置，并判断在一定时间内是否探测到稳定像素；
若未探测到，则引导任务重置模块重置引导任务到低速航迹航向保持区域进行重新引导；
若探测到，则标签像素引导模块触发标签像素瞄准控制器运行内层伺服环以增稳当前航行姿态，使得无人艇以准确的姿态进入狭窄的入口。
进一步地，当标签像素瞄准控制器探测到的色块标签大于预设阈值时，标签像素引导模块确定内层伺服环失效；
若标签像素引导模块预设时长内检测到成功入港/坞的信号，则确定成功完成入港任务，否则引导任务重置模块重置引导任务到低速航迹航向保持区域重新引导。
本实施例提供的无人艇自主停泊装置，与本发明实施例所提供的无人艇自主停泊方法属于同一发明构思，可执行本发明实施例所提供的无人艇自主停泊方法，具备执行无人艇自主停泊方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例提供的无人艇自主停泊方法，此处不再加以赘述。
此外，本发明实施例还提供一种无人艇，该无人艇无人艇上设置有视觉模块、GNSS模块以及如上述实施例任一所述的无人艇自主停泊装置。
尽管已描述了本发明实施例中的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例中范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (13)
1.一种无人艇自主停泊方法，其特征在于，所述方法包括：
GNSS全局引导：在无人艇接收到入港指令后，执行预先设定的入港任务，进入低速航迹航向保持区域，并使所述无人艇的航向航迹误差处于在一定范围内，以准备进入标签可视区域；
标签像素引导：在进入所述标签可视区域后，根据所述标签可视区域内预设的色块标签，启动标签引导程序，精细调节无人艇姿态进入船坞泊位；
若所述标签像素引导过程中出现连续丢像素帧或者航向航迹偏差超过预设范围，则将重置引导任务至所述低速航迹航向保持区域；
所述标签引导程序采用嵌套控制方式，其外层为航迹航向保持控制器，内层为标签像素瞄准控制器，只有当航向航距偏差小于预设范围时才触发内层的标签像素瞄准控制器；所述标签像素引导进一步包括：
触发所述航迹航向保持控制器检测当前航向航迹偏差是否超过预设范围；
若超过，则重置引导任务到低速航迹航向保持区域进行重新引导；
若未超过，则触发所述标签像素瞄准控制器对所述色块标签进行探测稳定像素位置，并判断在一定时间内是否探测到稳定像素；
若未探测到，则重置引导任务到所述低速航迹航向保持区域进行重新引导；
若探测到，则触发所述标签像素瞄准控制器运行内层伺服环以增稳当前航行姿态，使得无人艇以准确的姿态进入狭窄的入口。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述GNSS全局引导过程中，根据所述无人艇上的GNSS导航设备实时获取所述无人艇的位置和航向，并通过视线引导方法调整所述无人艇的航行偏距和偏航。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述GNSS全局引导具体包括：
在所述无人艇接收到入港指令后，根据泊位位置和入口方向执行高速回港任务，直至进入所述低速航迹航向保持区域；
在进入所述低速航迹航向保持区域后，执行低速回港任务以准备进入所述标签可视区域。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标签像素瞄准控制器为PID控制器。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述标签像素瞄准控制器的结构如下：
其中，u为基准值，e为特征像素与图像中心的偏差，Ts为伺服周期，Kp、Ti、Td为离线可调参数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标签像素引导进一步还包括：
当探测到的所述色块标签大于预设阈值时，确定所述内层伺服环失效；
若预设时长内未检测到成功入港/坞的信号，则重置引导任务到所述低速航迹航向保持区域重新引导，否则确定成功完成入港任务。
7.一种无人艇自主停泊装置，其特征在于，所述装置包括：
GNSS全局引导模块，用于在无人艇接收到入港指令后，执行预先设定的入港任务，进入低速航迹航向保持区域，并使所述无人艇的航向航迹误差处于在一定范围内，以准备进入标签可视区域；
标签像素引导模块，用于在进入所述标签可视区域后，根据所述标签可视区域内预设的色块标签，启动标签引导程序，精细调节无人艇姿态进入船坞泊位；
引导任务重置模块，用于若所述标签像素引导过程中出现连续丢像素帧或者航向航迹偏差超过预设范围，则将重置引导任务至所述低速航迹航向保持区域；
所述标签像素引导程序采用嵌套控制方式，其外层为航迹航向保持控制器，内层为标签像素瞄准控制器，只有当航向航距偏差小于预设范围时才触发内层的标签像素瞄准控制器；所述标签像素引导模块具体用于：
触发所述航迹航向保持控制器检测当前航向航迹偏差是否超过预设范围；
若超过，则引导任务重置模块重置引导任务到低速航迹航向保持区域进行重新引导；
若未超过，则触发所述标签像素瞄准控制器对所述色块标签进行探测稳定像素位置，并判断在一定时间内是否探测到稳定像素；
若未探测到，则引导任务重置模块重置引导任务到所述低速航迹航向保持区域进行重新引导；
若探测到，则触发所述标签像素瞄准控制器运行内层伺服环以增稳当前航行姿态，使得无人艇以准确的姿态进入狭窄的入口。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述GNSS全局引导模块具体用于：
根据所述无人艇上的GNSS导航设备实时获取所述无人艇的位置和航向，并通过视线引导方法调整所述无人艇的航行偏距和偏航。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述GNSS全局引导模块具体用于：
在所述无人艇接收到入港指令后，根据泊位位置和入口方向执行高速回港任务，直至进入所述低速航迹航向保持区域；
在进入所述低速航迹航向保持区域后，执行低速回港任务以准备进入所述标签可视区域。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述标签像素瞄准控制器为PID控制器。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述标签像素瞄准控制器的结构如下：
12.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，当所述标签像素瞄准控制器探测到的所述色块标签大于预设阈值时，所述标签像素引导模块确定内层伺服环失效；
若所述标签像素引导模块预设时长内检测到成功入港/坞的信号，则确定成功完成入港任务，否则引导任务重置模块重置引导任务到低速航迹航向保持区域重新引导。
13.一种无人艇，其特征在于，所述无人艇上设置有视觉模块、GNSS模块以及如权利要求9至12任一所述的无人艇自主停泊装置。
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