CN110597495A - 一种水面无人船舰操作系统及设计方法 - Google Patents

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杨莎
曲祥君
曾令娟
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Abstract

一种水面无人船舰操作系统，CAMERA通过USB端口连接到Raspberry Pi 3 Model B+上；RPLIDAR通过USB接口以及COMPASS HMC5883L通过GPIO连接到Raspberry Pi 3 Model B+上；ARDUINO DUE控制器拥有的数字输入输出接口，连接GPS和Motor；Raspberry Pi 3 Model B+控制器与ARDUINO DUE控制器互相连接，同时Raspberry Pi 3 Model B+通过自己的网口与Router 1连接，Router 1与Router 2双向通信；Router 2与Host Computer相互连接。

Description

一种水面无人船舰操作系统及设计方法
技术领域
本发明涉及一种水面无人船舰操作系统及设计方法，属于智能控制系统及人工智能技术领域。
背景技术
随着自动控制技术的发展，越来越多的危险作业交由远程控制系统来完成，中国拥有世界上最长的海岸线之一，拥有无法估计的丰富海洋资源，且绝大部分都还未经开发，海洋环境监测、海上交通疏导、海洋目标识别和跟踪等领域需要大力的发展开发，因此，我们需要不断发展自身的海洋科技。水面无人船舰是一种可以在海洋当中实现自主航行，并完成相应任务使命的小型水面船舶，水面无人艇目前已被公认为必将在未来的各种海洋开发中扮演重要的角色，具有十分广泛的应用范围。
目前的无人船舰，大部分是基于纯理论的研究，得出的仿真结果没有充分考虑无人船舰本身的机械以及电气特性，以及对外界多变的海洋环境的信息掌握不够充分准确，实用性不强，并不能完成精准精确的命令及任务，且远程操控时，以前的无线遥控器由于带宽较小，无法获取比较及时及准确的环境信息，存在船舰失控而无法回收的风险。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能够有效减少因无法获取比较及时及准确的环境信息，而造成船舰失控而无法回收风险的，水面无人船舰操作系统及设计方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种水面无人船舰操作系统，包括Raspberry Pi 3 Model B+、SD卡、CAMERA、RPLIDAR、COMPASS HMC5883L、ARDUINO DUE、GPS、Motor、Router 1、Router 2、Host Computer；所述Raspberry Pi 3 Model B+插入16G以上的SD卡，下载烧录Raspblian系统；所述CAMERA通过USB端口连接到Raspberry Pi 3 Model B+上；所述RPLIDAR通过USB接口以及COMPASSHMC5883L通过GPIO连接到Raspberry Pi 3 Model B+上；所述ARDUINO DUE控制器拥有的数字输入输出接口，连接GPS和Motor；所述Raspberry Pi 3 Model B+控制器与ARDUINO DUE控制器互相连接，同时Raspberry Pi 3 Model B+通过自己的网口与Router 1连接，Router1与Router 2双向通信；Router 2与Host Computer相互连接；Host Computer使用MATLAB设计软件控制界面，通过Router 2接收船舰当前的CAMERA信息，PRLIDAR探测到的周围障碍物信息，GPS定位信息,COMPASS通过设置0度方向来确认当前的航角信息。
一种水面无人船舰操作系统设计方法，包括如下步骤：
步骤一：结合电子海图，首先，使用高精度GPS定位船舰在电子地图中的位置；
步骤二：自定义设置从当前USV位置指向终点目标位置方向为零度方向，罗盘偏离角度为，逆时针为正，顺时针为负；
步骤三：以RPLIDAR所在位置为圆心，船头方向为0度方向，与周围物体的距离为半径，可以得到船舰周围的平面动态环境轮廓信息，并以45度为一个区域，将整个平面划分为8个区域，并设置15m为危险报警阈值；
步骤四：CAMERA可以采集到船舰前方的视频信息；
步骤五：处理器Raspberry Pi 3 Model B+将步骤二、步骤三、步骤四得到的数据通过路由器1传送给路由器2，并在Host Computer显示相关信息，用于实时显示当前船舰的外界环境信息，并根据这些综合数据控制船舰；
步骤六：Host Computer控制系统通过各功能按键控制舵机完成各项功能并显示当前速度，转向时使用差分法进行控制。
采用上述技术方案的有益效果是：
本发明使用的Raspberry Pi 3 Model B+ 使用自己烧写的Raspblian系统，这是一个64位的LINUX系统，处理速度很快，且可以调用很多已经设计好的函数，能及时的响应CAMERA视频信息、RPLIDAR环境信息、COMPASS偏转角信息，并能及时的处理相关信息；ARDUINO DUE获取的GPS位置信息，结合Raspberry Pi 3 Model B+ 传送过来的数据，可以实时的控制电机进行调速和避障等处理。USV上面各种传感器获取的船舰信息与上位机的控制信息，基于TCP/IP协议通过两个路由器相互收发数据，实时性很高。整个系统，包括硬件USV系统，上位机软件系统，都是自主开发设计研究，并通过了测试验证，具有很好的性能。
附图说明
图1为本发明水面无人船舰操作系统结构方框示意图。
图2为海事规则冲突定义图。
图3为基于目前海事规则总结的三种基本的避障策略。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种水面无人船舰操作系统及设计方法作进一步详细说明：
一种水面无人船舰操作系统，如图1所示：它包括Raspberry Pi 3 Model B+、SD卡、CAMERA、RPLIDAR、COMPASS、ARDUINO DUE、GPS、Motor、Router 1、Router 2、Host Computer；所述Raspberry Pi 3 Model B+插入16G以上的SD卡，下载烧录Raspblian系统；所述CAMERA通过USB端口连接到Raspberry Pi 3 Model B+上；所述RPLIDAR通过USB接口以及COMPASS通过GPIO连接到Raspberry Pi 3 Model B+上；所述ARDUINO DUE控制器拥有的数字输入输出接口，连接GPS和Motor；所述Raspberry Pi 3 Model B+控制器与ARDUINO DUE控制器互相连接，同时Raspberry Pi 3 Model B+通过自己的网口与Router 1连接，Router 1与Router 2双向通信；Router 2与Host Computer相互连接；Host Computer使用MATLAB设计软件控制界面，通过Router 2接收船舰当前的CAMERA信息，PRLIDAR探测到的的周围障碍物信息，GPS定位信息,COMPASS通过设置0度方向来确认当前的航角信息。
所述GPS采用高精度GPS，超高灵敏度，更新率1-10Hz，用于定位船舰。
所述COMPASS采用HMC5883L。
所述RPLIDAR为激光雷达，使用最高采样频率可达16000次/秒，可以快速、精确的建图，获取更多的环境轮廓信息,该激光雷达自带可调速得电机，可以360度旋转。
所述CAMERA置于船头，正对船头方向为正方向。
所述MOTOR使用一对无刷直流电机作为前向驱动电机，置于船舰后部。
一种水面无人船舰操作系统设计方法，包括如下步骤：
步骤一：结合电子海图，首先，使用高精度GPS定位船舰在电子地图中的位置；
步骤二：自定义设置从当前USV位置指向终点目标位置方向为零度方向，罗盘偏离角度为，逆时针为正，顺时针为负；
步骤三：以RPLIDAR所在位置为圆心，船头方向为0度方向，与周围物体的距离为半径，可以得到船舰周围的平面动态环境轮廓信息，并以45度为一个区域，将整个平面划分为8个区域，并设置15m为危险报警阈值；
步骤四：CAMERA可以采集到船舰前方的视频信息；
步骤五：处理器Raspberry Pi 3 Model B+将步骤二、步骤三、步骤四得到的数据通过路由器1传送给路由器2，并在Host Computer显示相关信息，用于实时显示当前船舰的外界环境信息，并根据这些综合数据控制船舰；
步骤六：Host Computer控制系统通过各功能按键控制舵机完成各项功能并显示当前速度，转向时使用差分法进行控制。
船舰行驶控制规则：
据统计，无人船舰行驶过程中，70%左右的障碍物为前方障碍物，因此上位机控制时，主要通过前方视频信息、雷达测距作为辅助进行操控。
无障碍物或只有静态障碍物时：从当前位置出发，通过上位机显示的CAMERA视频信息和RPLIDAR得到的环境障碍物信息，以及COMPASS得到的偏角大小，控制船舰舵机，选择一条无障碍路径，驶向目的地位置；
有动态障碍物时：根据海事法则，船舰和运动障碍物之间的航向角度差，均以船舰航向方向为基准( 即航向角为 0°)，根据海事规则冲突避障定义，按照以下法则进行动态避障：
1）追越:若船舰航行与障碍物航向角度差在[0°,45°］与［315°，360°］之间时，触发危险距离阈值，则控制船舰左侧航行；
2）正面相遇:若夹角在［ 165°，195°］之间，触发危险距离阈值，则控制船舰右侧航行；
3）交叉相遇:若夹角在( 45°，165°) 之间，触发危险距离阈值，则障碍物在船舰右侧交叉相遇，船舰应右侧航行；若夹角在 ( 195°，315°) 之间，触发危险距离阈值，则障碍物在船舰左侧交叉相遇，此时船舰应左侧航行。

Claims (7)

1.一种水面无人船舰操作系统，其特征在于：它包括Raspberry Pi 3 Model B+、SD卡、CAMERA、RPLIDAR、COMPASS、ARDUINO DUE、GPS、Motor、Router 1、Router 2、Host Computer；所述Raspberry Pi 3 Model B+插入16G以上的SD卡，下载烧录Raspblian系统；所述CAMERA通过USB端口连接到Raspberry Pi 3 Model B+上；所述RPLIDAR通过USB接口以及COMPASS通过GPIO连接到Raspberry Pi 3 Model B+上；所述ARDUINO DUE控制器拥有的数字输入输出接口，连接GPS和Motor；所述Raspberry Pi 3 Model B+控制器与ARDUINO DUE控制器互相连接，同时Raspberry Pi 3 Model B+通过自己的网口与Router 1连接，Router 1与Router 2双向通信；Router 2与Host Computer相互连接；Host Computer使用MATLAB设计软件控制界面，通过Router 2接收船舰当前的CAMERA信息，PRLIDAR探测到的的周围障碍物信息，GPS定位信息,COMPASS通过设置0度方向来确认当前的航角信息。
2.根据权利要求1所述水面无人船舰操作系统，其特征在于：所述GPS采用高精度GPS，超高灵敏度，更新率1-10Hz。
3.根据权利要求1所述水面无人船舰操作系统，其特征在于：所述COMPASS采用HMC5883L。
4.根据权利要求1所述水面无人船舰操作系统，其特征在于：所述RPLIDAR为激光雷达，使用最高采样频率可达16000次/秒，激光雷达自带可调速得电机，能360度旋转。
5.根据权利要求1所述水面无人船舰操作系统，其特征在于：所述CAMERA置于船头，正对船头方向为正方向。
6.根据权利要求1所述水面无人船舰操作系统，其特征在于：所述MOTOR使用一对无刷直流电机作为前向驱动电机，置于船舰后部。
7.一种水面无人船舰操作系统设计方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤一：结合电子海图，首先，使用高精度GPS定位船舰在电子地图中的位置；
步骤二：自定义设置从当前USV位置指向终点目标位置方向为零度方向，罗盘偏离角度为 ，逆时针为正 ，顺时针为负 ；
步骤三：以RPLIDAR所在位置为圆心，船头方向为0度方向，与周围物体的距离为半径，可以得到船舰周围的平面动态环境轮廓信息，并以45度为一个区域，将整个平面划分为8个区域，并设置15m为危险报警阈值；
步骤四：CAMERA可以采集到船舰前方的视频信息；
步骤五：处理器Raspberry Pi 3 Model B+将步骤二、步骤三、步骤四得到的数据通过路由器1传送给路由器2，并在上位机显示相关信息，用于实时显示当前船舰的外界环境信息，并根据这些综合数据控制船舰；
步骤六：Host Computer控制系统通过各功能按键控制舵机完成各项功能并显示当前速度，转向时使用差分法进行控制。
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