CN110715663A - 一种内河自主导航应急无人船及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种内河自主导航应急无人船，包括设置在船体上的下位机与设置在岸上的上位机，其中，下位机包括单片机及与其进行信号连接的GPRS模块、传感器模块、机械控制模块，所述单片机依次经GPRS模块、移动公网与上位机进行信号连接，所述传感器模块包括超声波模块、温湿度模块与红外线模块，所述机械控制模块包括电动机模块、抽水机模块、舵叶模块与舵机模块，所述上位机包括上位机系统与上位机人机交互界面，该上位机人机交互界面包括采集信息显示区、控制信息显示区与网络连接状态显示区。本设计不仅智能化程度较高，而且能够实现最优路径规划、自主导航、智能避碰功能。

Description

一种内河自主导航应急无人船及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种无人船，属于无人船和水上事故应急领域，尤其涉及一种内河自主导航应急无人船及其使用方法，具体适用于提高无人船的智能化程度，以实现最优路径规划、自主导航和智能避碰功能。

背景技术

随着我国经济的不断发展，内河航运事业越来越受到国家的重视。但是，在水上事业的发展过程中，水上事故的发生是不可避免的，而在水上事故救助过程中，很多时候都伴随着大风、强降雨等恶劣天气的影响，救助难度较大。同时，随着航运业多元化发展，危险品船舶的数量越来越多，一旦此类船舶发生水上事故，便更加提高了救助人员在抢救过程中的危险系数，增加了救助难度。为此，急需开发无人船进行救助，不仅能够提高救助效率，而且能保证救助人员的安全性。

但现有无人船的智能化程度较低，自主导航能力较弱，无法提供有效的救助帮助，而且欠缺最优路径规划、智能避碰等功能，降低了救助效果。

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的智能化程度较低的缺陷与问题，提供一种智能化程度较高的内河自主导航应急无人船及其使用方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种内河自主导航应急无人船，包括设置在船体上的下位机与设置在岸上的上位机；

所述下位机包括单片机及与其进行信号连接的GPRS模块、传感器模块、机械控制模块，所述单片机依次经GPRS模块、移动公网与上位机进行信号连接，所述传感器模块包括超声波模块、温湿度模块与红外线模块，所述机械控制模块包括电动机模块、抽水机模块、舵叶模块与舵机模块；

所述上位机包括上位机系统与上位机人机交互界面，该上位机人机交互界面包括采集信息显示区、控制信息显示区与网络连接状态显示区。

所述单片机为STM32单片机。

所述采集信息显示区包括温度显示区、湿度显示区、红外线探测区与超声波探测区；

所述控制信息显示区包括速度控制显示区、航向控制显示区、抽水机控制显示区与电动机控制显示区。

所述下位机还包括与单片机进行信号连接的船上GPS模块；

所述上位机包括还包括差分GPS模块，该差分GPS模块与船上GPS模块、岸上GPS模块进行信号连接；

所述上位机人机交互界面还包括经纬度显示区，该经纬度显示区的显示模式包括卫星视图显示模式、行政视图显示模式、电子海图显示模式。

所述超声波模块与超声波测距仪、激光扫描仪进行信号连接。

一种上述内河自主导航应急无人船的使用方法，包括自主导航工艺；

所述自主导航工艺是指：先通过差分GPS模块、船上GPS模块、岸上GPS模块得知船体的经纬度，再根据相邻时刻的经纬度变化求解船体的航速和航向，然后将求解所得的航向与期望的航向进行比较，并考虑船体系数及船体所处环境，以确定转舵的方向和舵角大小，该种舵角的调整在船体不断航行的过程中持续进行，从而进行自主导航。

一种上述内河自主导航应急无人船的使用方法，包括最优路径规划工艺；

所述最优路径规划工艺是指：先对上位机内加载的电子海图进行二值化和栅格化处理，再对栅格化的每个栅格点进行风险评估，该风险评估包括碰撞风险评估和超时风险评估，然后利用Dijkstra算法计算出船体到目标点的最优路径，并确定船体在最优路径上的各个转向点。

一种上述内河自主导航应急无人船的使用方法，包括智能避碰工艺；

所述智能避碰工艺是指：当无人船遇到障碍物需要转向时，上位机先根据周围船舶的AIS信息和超声波测距仪探测的障碍物方位、距离信息计算可旋回水域的大小，再从旋回记忆信息库中搜索最佳的旋回记忆信息，然后按最佳旋回记忆信息所对应的存储文本文件依次执行对应的操作，从而实现智能避碰；

所述周围船舶的AIS信息来源于电子海图，所述超声波测距仪探测的障碍物方位、距离信息来源于超声波模块；

所述旋回记忆信息库是指：上位机会记录无人船转向时的某一速度、舵角下所对应的旋回半径和旋回角速度信息，并将上位机的相应操作以文本文件的形式进行存储，多个文本文件积累以获得旋回记忆信息库。

一种上述内河自主导航应急无人船的使用方法，包括信号传递确认工艺；

所述信号传递确认工艺是指：每当上位机向单片机发送一条控制指令之后，单片机接收该指令并执行相关动作之后就会向上位机返回一个确认指令，上位机接收这个指令之后会进行显示，以提示操作人员该动作单片机已经执行。

一种上述内河自主导航应急无人船的使用方法，包括网络中断单片机确认工艺与网络中断上位机确认工艺；

所述网络中断单片机确认工艺是指：上位机会不断的向单片机发送@字符，若单片机内的网络中断检测模块检测到@的信息，则认为正常，若未检测到@的信息，则认为网络中断，并将船体的速度减小到零；

所述网络中断上位机确认工艺是指：若采集信息检测模块检测到单片机发送来的采集信息，则认为正常，若检测不到单片机发送来的采集信息，则会弹出警告窗口，以提示操作人员船岸网络连接已经中断。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种内河自主导航应急无人船及其使用方法中，主要包括船体上设置的下位机与岸上设置的上位机，下位机、上位机之间的通讯依赖GPRS模块、移动公网实现，同时，下位机内还包括传感器模块与机械控制模块，上位机内包括各种海图资源与差分GPS模块，应用时，传感器模块可将监测的各种信息通过下位机传递给上位机，以便于上位机进行数据分析与控制，同时，上位机可将对船体的控制信息经下位机发送给机械控制模块以实现船体控制，此外，上位机还可通过差分GPS模块、船上GPS模块、岸上GPS模块对船体的经纬度进行精确定位，且能定位至电子海图中，还能将各种监测信息、船体的运行信息、历史控制信息进行储存、分析、再应用，以作为最优路径规划、自主导航、智能避碰的数据库，从而实现智能化操作，大大提高无人船的应用效果。因此，本发明不仅智能化程度较高，而且能够实现最优路径规划、自主导航、智能避碰功能。

2、本发明一种内河自主导航应急无人船及其使用方法中，对于上位机、下位机之间的信息传递采用信号传递确认工艺与网络中断单片机确认工艺，以确保信息传递的正常进行，提高信息传递的正确率，同时，还能对网络中断进行及时告之，并配套有网络中断的解决措施，大大提高了本发明应用的安全性。因此，本发明的安全性较高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中下位机的结构示意图。

图3是本发明中上位机的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明公开了一种内河自主导航应急无人船及其使用方法，为水上事故现场监测、恶劣天气海况条件下事故现场搜救，通航环境信息采集、电子巡航等方面提供参考依据和安全保障。

参见图1至图3，一种内河自主导航应急无人船，包括设置在船体上的下位机与设置在岸上的上位机；所述下位机包括单片机及与其进行信号连接的GPRS模块、传感器模块、机械控制模块，所述单片机依次经GPRS模块、移动公网与上位机进行信号连接，所述传感器模块包括超声波模块、温湿度模块与红外线模块，所述机械控制模块包括电动机模块、抽水机模块、舵叶模块与舵机模块；所述上位机包括上位机系统与上位机人机交互界面，该上位机人机交互界面包括采集信息显示区、控制信息显示区与网络连接状态显示区。所述单片机为STM32单片机。

单片机接收并解析GPRS模块接收的控制信息，执行对舵机、电动机、抽水机的操作，接收各种传感器测量的信息，经过编码后通过GPRS模块发往上位机。温湿度模块用于采集事故现场的温度和湿度信息，作为判断事故严重性的一个因素。红外线模块的作用是探测水中的落水人员，当探测到水中有目标时下位机会有声光报警提示落水人员已经被发现，并向上位机发送信息，提示上位机操作人员无人船已经发现目标。

所述采集信息显示区包括温度显示区、湿度显示区、红外线探测区与超声波探测区；所述控制信息显示区包括速度控制显示区、航向控制显示区、抽水机控制显示区与电动机控制显示区。

所述下位机还包括与单片机进行信号连接的船上GPS模块；所述上位机包括还包括差分GPS模块，该差分GPS模块与船上GPS模块、岸上GPS模块进行信号连接；所述上位机人机交互界面还包括经纬度显示区，该经纬度显示区的显示模式包括卫星视图显示模式、行政视图显示模式、电子海图显示模式。此外，在采用电子海图显示模式时，还会加载周围船舶的AIS信息，为船舶的智能避碰提供重要的周围船舶位置和动态信息。在各种显示模式的进行过程中，上位机会将无人船的经纬度点按照时间先后的顺序连接起来，从而显示无人船的航迹线。上位机会将船体的经纬度在卫星视图、行政视图、电子海图中直接显示。

所述超声波模块与超声波测距仪、激光扫描仪进行信号连接。

一种上述内河自主导航应急无人船的使用方法，包括自主导航工艺；所述自主导航工艺是指：先通过差分GPS模块、船上GPS模块、岸上GPS模块得知船体的经纬度，再根据相邻时刻的经纬度变化求解船体的航速和航向，然后将求解所得的航向与期望的航向进行比较，并考虑船体系数及船体所处环境，以确定转舵的方向和舵角大小，该种舵角的调整在船体不断航行的过程中持续进行，从而进行自主导航。

一种上述内河自主导航应急无人船的使用方法，包括最优路径规划工艺；所述最优路径规划工艺是指：先对上位机内加载的电子海图进行二值化和栅格化处理，再对栅格化的每个栅格点进行风险评估，该风险评估包括碰撞风险评估和超时风险评估，然后利用Dijkstra算法计算出船体到目标点的最优路径，并确定船体在最优路径上的各个转向点

一种上述内河自主导航应急无人船的使用方法，包括智能避碰工艺；所述智能避碰工艺是指：当无人船遇到障碍物需要转向时，上位机先根据周围船舶的AIS信息和超声波测距仪探测的障碍物方位、距离信息计算可旋回水域的大小，再从旋回记忆信息库中搜索最佳的旋回记忆信息，然后按最佳旋回记忆信息所对应的存储文本文件依次执行对应的操作，从而实现智能避碰；所述周围船舶的AIS信息来源于电子海图，所述超声波测距仪探测的障碍物方位、距离信息来源于超声波模块；所述旋回记忆信息库是指：上位机会记录无人船转向时的某一速度、舵角下所对应的旋回半径和旋回角速度信息，并将上位机的相应操作以文本文件的形式进行存储，多个文本文件积累以获得旋回记忆信息库。

一种上述内河自主导航应急无人船的使用方法，包括信号传递确认工艺；所述信号传递确认工艺是指：每当上位机向单片机发送一条控制指令之后，单片机接收该指令并执行相关动作之后就会向上位机返回一个确认指令，上位机接收这个指令之后会进行显示，以提示操作人员该动作单片机已经执行。

一种上述内河自主导航应急无人船的使用方法，包括网络中断单片机确认工艺与网络中断上位机确认工艺；所述网络中断单片机确认工艺是指：上位机会不断的向单片机发送@字符，若单片机内的网络中断检测模块检测到@的信息，则认为正常，若未检测到@的信息，则认为网络中断，并将船体的速度减小到零；所述网络中断上位机确认工艺是指：若采集信息检测模块检测到单片机发送来的采集信息，则认为正常，若检测不到单片机发送来的采集信息，则会弹出警告窗口，以提示操作人员船岸网络连接已经中断。

具体应用时，本发明的主要功能包括最优路径规划、自主导航和智能避碰三种，分别如下所示：

(1)、基于图像栅格化和风险评估技术的最优路径规划：将上位机加载的电子海图进行二值化和栅格化处理，利用一定的风险评价指标对栅格化的每个栅格点进行风险评估，其中风险评估包括碰撞风险评估和超时风险评估，根据具体的任务确定最优的风险评估方式，利用Dijkstra最短路径算法，求解出无人船到目标点的最优路径，确定无人船最优路径的各个转向点。

(2)、基于GPS经纬度变化的无人船导航算法：利用无人船相邻时刻经纬度变化求解无人船的航速和航向，将无人船实际的航向与期望的航向进行比较确定转舵的方向和舵角大小，其中舵角大小的确定还与无人船的船体系数和所处的环境有关。在无人船不断航行的过程中，根据无人船的航行状态不断的进行舵角的调整，从而使无人船朝着路径规划的下一个转向点航行。

(3)、基于无人船“记忆”功能的智能避碰：上位机程序会记录无人船转向时的某一速度、舵角下所对应的旋回半径和旋回角速度信息，并将上位机的相应操作以文本文件的形式存储起来，当需要的时候可以重新执行这一系列的操作。无人船遇到障碍物需要转向时，上位机程序会根据周围船舶的AIS信息和超声波测距仪探测的障碍物方位、距离信息计算可旋回水域的大小，从众多的“旋回记忆”信息中搜索最佳的一组操作，让上位机根据相应的存储文本文件依次执行对应的一系列操作，从而实现智能避碰。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种内河自主导航应急无人船，包括设置在船体上的下位机与设置在岸上的上位机，其特征在于：

所述下位机包括单片机及与其进行信号连接的GPRS模块、传感器模块、机械控制模块，所述单片机依次经GPRS模块、移动公网与上位机进行信号连接，所述传感器模块包括超声波模块、温湿度模块与红外线模块，所述机械控制模块包括电动机模块、抽水机模块、舵叶模块与舵机模块；

所述上位机包括上位机系统与上位机人机交互界面，该上位机人机交互界面包括采集信息显示区、控制信息显示区与网络连接状态显示区。

2.根据权利要求1所述的一种内河自主导航应急无人船，其特征在于：所述单片机为STM32单片机。

3.根据权利要求1或2所述的一种内河自主导航应急无人船，其特征在于：

所述采集信息显示区包括温度显示区、湿度显示区、红外线探测区与超声波探测区；

所述控制信息显示区包括速度控制显示区、航向控制显示区、抽水机控制显示区与电动机控制显示区。

4.根据权利要求1或2所述的一种内河自主导航应急无人船，其特征在于：

所述下位机还包括与单片机进行信号连接的船上GPS模块；

所述上位机包括还包括差分GPS模块，该差分GPS模块与船上GPS模块、岸上GPS模块进行信号连接；

所述上位机人机交互界面还包括经纬度显示区，该经纬度显示区的显示模式包括卫星视图显示模式、行政视图显示模式、电子海图显示模式。

5.根据权利要求3所述的一种内河自主导航应急无人船，其特征在于：所述超声波模块与超声波测距仪、激光扫描仪进行信号连接。

6.一种权利要求4所述的内河自主导航应急无人船的使用方法，其特征在于所述使用方法包括自主导航工艺；

所述自主导航工艺是指：先通过差分GPS模块、船上GPS模块、岸上GPS模块得知船体的经纬度，再根据相邻时刻的经纬度变化求解船体的航速和航向，然后将求解所得的航向与期望的航向进行比较，并考虑船体系数及船体所处环境，以确定转舵的方向和舵角大小，该种舵角的调整在船体不断航行的过程中持续进行，从而进行自主导航。

7.一种权利要求4所述的内河自主导航应急无人船的使用方法，其特征在于所述使用方法包括最优路径规划工艺；

所述最优路径规划工艺是指：先对上位机内加载的电子海图进行二值化和栅格化处理，再对栅格化的每个栅格点进行风险评估，该风险评估包括碰撞风险评估和超时风险评估，然后利用Dijkstra算法计算出船体到目标点的最优路径，并确定船体在最优路径上的各个转向点。

8.一种权利要求4所述的内河自主导航应急无人船的使用方法，其特征在于所述使用方法包括智能避碰工艺；

所述智能避碰工艺是指：当无人船遇到障碍物需要转向时，上位机先根据周围船舶的AIS信息和超声波测距仪探测的障碍物方位、距离信息计算可旋回水域的大小，再从旋回记忆信息库中搜索最佳的旋回记忆信息，然后按最佳旋回记忆信息所对应的存储文本文件依次执行对应的操作，从而实现智能避碰；

所述周围船舶的AIS信息来源于电子海图，所述超声波测距仪探测的障碍物方位、距离信息来源于超声波模块；

所述旋回记忆信息库是指：上位机会记录无人船转向时的某一速度、舵角下所对应的旋回半径和旋回角速度信息，并将上位机的相应操作以文本文件的形式进行存储，多个文本文件积累以获得旋回记忆信息库。

9.一种权利要求1或2所述的内河自主导航应急无人船的使用方法，其特征在于所述使用方法包括信号传递确认工艺；

所述信号传递确认工艺是指：每当上位机向单片机发送一条控制指令之后，单片机接收该指令并执行相关动作之后就会向上位机返回一个确认指令，上位机接收这个指令之后会进行显示，以提示操作人员该动作单片机已经执行。

10.一种权利要求1或2所述的内河自主导航应急无人船的使用方法，其特征在于所述使用方法包括网络中断单片机确认工艺与网络中断上位机确认工艺；

所述网络中断单片机确认工艺是指：上位机会不断的向单片机发送@字符，若单片机内的网络中断检测模块检测到@的信息，则认为正常，若未检测到@的信息，则认为网络中断，并将船体的速度减小到零；

所述网络中断上位机确认工艺是指：若采集信息检测模块检测到单片机发送来的采集信息，则认为正常，若检测不到单片机发送来的采集信息，则会弹出警告窗口，以提示操作人员船岸网络连接已经中断。

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