CN111679669B - 一种无人船自主精准停靠方法及系统 - Google Patents

一种无人船自主精准停靠方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种无人船自主精准停靠方法及系统，无人船首先在返航点获取返航点位姿信息，收到返航指令后，回到根据返航点位姿信息生成的特征点，在特征点对周围环境进行建模，得到环境地图数据，最后根据环境地图数据计算无人船的坐标偏移量，根据坐标偏移量和无人船当前的位姿信息生成修正后的泊船控制指令，并通过泊船控制指令停靠于返航点。本发明的有益效果在于：提供了一种无人船自主返航停靠的控制方法，用户可以根据需求自行设定返航点，当卫星定位信号较差的时候，无人船能够对周围环境进行主动探测，并进行建模获取环境地图数据，进而实现对行进路线进行纠正，实现精准返航并停靠。

Description

一种无人船自主精准停靠方法及系统
技术领域
本发明涉及一种自动控制技术领域，尤其是指一种无人船自主精准停靠方法及系统。
背景技术
随着智能技术的快速发展，各种类型和用途的无人船得到了广泛的应用，无人船的自主返航充电问题逐渐进入到人们的视野中。如何精准地控制无人船进入船坞是无人船返航的技术难点。如公开号为CN109808527A的发明专利利用两个信号发射器和信号接收器来判断船体位置，并由船坞上的控制系统控制船体移动。但在实际场景中，该专利使用的信号收发器无法达到厘米级精确定位，并且容易受到干扰，导致对船只位置估计错误，船只无法成功进入船坞并实现精准停靠。因此，开发新的无人船实现精准停靠的方法具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种无人船自主精准停靠方法及系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种无人船自主精准停靠方法，包括如下步骤：
无人船停靠于返航点时，间隔获取无人船的位姿信息，得到返航点初步位姿信息；
对返航点初步位姿信息进行取平均处理，得到返航点位姿信息；
通过返航点位姿信息生成特征点位置信息；
无人船在航行过程中收到返航请求后，根据无人船当前的位姿信息和特征点位置信息生成返航控制指令；
根据返航控制指令返回特征点；
在特征点对周围环境进行建模，得到环境地图数据；
根据环境地图数据得到无人船的坐标偏移量；
根据坐标偏移量和无人船当前的位姿信息生成泊船控制指令；
根据泊船控制指令控制无人船停靠于返航点。
进一步的，在无人船停靠于返航点时，间隔获取无人船的位姿信息，得到返航点初步位姿信息的步骤中，具体包括：
根据定位单元获取无人船当前位置的经度、纬度和精度因子，得到点队列；
根据姿态传感单元获取无人船当前位置的偏航角，得到朝向队列；
根据点队列和朝向队列成返航点初步位姿信息。
进一步的，在对返航点初步位姿信息进行取平均处理的步骤中，具体包括：
对点队列中的经度和纬度进行加权平均，权值为精度因子，得到返航点的经纬度N0；
对朝向队列中的偏航角进行算术平均，得到返航点的朝向Y0。
进一步的，在通过返航点位姿信息生成特征点的步骤中，具体包括：
将大地坐标系转化为平面直角坐标系，以返航点的经纬度为坐标原点，返航点的偏航角为Y轴；
沿Y轴正向，距原点l1米处，设置特征点N1。
进一步的，无人船在航行过程中，还包括无人船出航时在返航点附近对周围环境进行初次建模，得到初始环境地图数据的步骤。
进一步的，在根据环境地图数据得到无人船的坐标偏移量的步骤之中，通过对比初始环境地图数据和环境地图数据，并结合无人船当前的航向角，得到无人船的坐标偏移量。
进一步的，在根据泊船控制指令控制无人船停靠于返航点的步骤中，还包括调转无人船，使船尾朝向返航点，倒入返航点的步骤。
进一步的，在通过返航点位姿信息生成特征点的步骤中，还包括：沿Y轴正向，距N1点l2米处，设置第二个特征点N2。
本发明还涉及一种无人船自主精准停靠系统，包括无人船，所述无人船包括控制模块、位姿信息获取、主动探测模块和通讯模块，
所述控制模块用于根据指令控制无人船的航行；
所述位姿信息获取包括定位单元和姿态传感单元，所述定位单元用于获取无人船的位置信息，所述姿态传感单元用于获取无人船当前位置的偏航角；
所述主动探测模块用于获取无人船周围环境数据并进行建模，从而得到环境地图数据；
所述通讯模块用于与用户进行数据信息交换。
进一步的，所述主动探测模块包括雷达单元、超声波单元、摄像头单元或激光地形扫描单元中的一种或几种。
本发明的有益效果在于：提供了一种无人船自主返航停靠的控制方法，用户可以根据需求自行设定返航点，当卫星定位信号较差的时候，无人船能够对周围环境进行主动探测，并进行建模获取环境地图数据，进而实现对行进路线进行纠正，实现精准返航并停靠。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体流程或结构：
图1为本发明的无人船自主精准停靠方法的流程示意图；
图2为本发明的返航点、特征点和第二特征点的位置关系图；
图3为本发明的无人船返航时到达第二特征点的状态示意图；
图4为本发明的无人船经过第一转弯阶段后的状态示意图；
图5为本发明的无人船经过第二转弯阶段后的状态示意图；
图6为本发明的无人船返航完成的状态示意图；
N1-特征点；N2-第二特征点；T1-第一转弯阶段；T2-第二转弯阶段；B1-第一倒行阶段；B2-第二倒行阶段。
具体实施方式
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的一部分实施例，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作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。
需要说明，本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1
请参阅图1以及图2，一种无人船自主精准停靠方法，包括如下步骤：
通过无线遥控的方式遥控无人船停靠在用户自定义的返航点，由于卫星定位会偶尔因漂移产生误差，因此让无人船在停靠于返航点期间，间隔获取无人船的位姿信息，可以尽可能保证返航点的位姿信息的准确度，其中位姿信息包括无人船当前的经纬度信息、精度因子和方向角信息，将经纬度信息和方向角信息打包得到返航点初步位姿信息；
对返航点初步位姿信息进行取平均处理，得到返航点位姿信息，可以保证返航点位姿信息的准确度，将返航点位姿信息储存在无人船的数据库中，同理也可以通过通讯模块将返航点位姿信息上传至云端数据库；
通过返航点位姿信息生成特征点位置信息；
无人船在航行过程中收到返航请求后，根据无人船当前的位姿信息和特征点位置信息生成返航控制指令，具体的，计算无人船当前的位置坐标和特征点位置信息的位置坐标之间的目标方向角α1，根据无人船当前的方向角α2和目标方向角α1得到角度差，再根据角度差通过自动控制方法得到返航控制指令，控制无人船向目标点行进；
根据返航控制指令返回特征点；
无人船停在特征点，通过左右旋转对周围环境进行建模，得到环境地图数据；
根据对环境地图数据的分析得到无人船与返航点的位置关系，根据位置关系计算坐标偏移量；
根据坐标偏移量和无人船当前的位姿信息生成泊船控制指令；
根据泊船控制指令控制无人船停靠于返航点，具体的，控制无人船旋转，使无人船的船尾朝向返航点，通过自动控制方法使无人船倒入返航点，其中自动控制方法包括并不限于PID控制或模糊控制。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：提供了一种无人船自主返航停靠的控制方法，用户可以根据需求自行设定返航点，当卫星定位信号较差的时候，无人船能够对周围环境进行主动探测，并进行建模获取环境地图数据，进而实现对行进路线进行纠正，实现精准返航并停靠。
实施例2
在实施例1的基础上，在无人船在停靠于返航点时，间隔获取无人船的位姿信息，得到返航点初步位姿信息的步骤中，具体包括：
根据定位单元获取无人船当前位置的经度、纬度和精度因子，得到点队列φ1＝{N1，N2，N3…Nq}；
根据姿态传感单元获取无人船当前位置的偏航角，得到朝向队列φ2＝{Y1，Y2，Y3…Yq}；
根据点队列φ1和朝向队列φ2生成返航点初步位姿信息。
本实施例中，定位单元为卫星定位单元，通过卫星定位单元获取无人船当前位置的经度信息、纬度信息及精度因子，卫星定位单元可以为GPS卫星定位单元、北斗卫星定位单元、伽利略卫星定位单元或GLONASS卫星定位单元中的一种或几种。
姿态传感单元即惯性测量单元，可以对物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度进行测量，姿态传感单元每获取一个偏航角数据，定位单元也同时获取一个包含无人船经度、纬度和精度因子的定位数据包，多个偏航角数据组合为朝向队列φ2，多个定位数据包组合为点队列φ1，这样点队列φ1和朝向队列φ2中的每组数据均可一一对应，从而保证了更为精确的返航点初步位姿信息。
实施例3
在实施例2的基础上，在对返航点初步位姿信息进行取平均处理的步骤中，具体包括：
对点队列φ1中的经度和纬度进行加权平均，权值为精度因子，得到返航点的经纬度N0；
对朝向队列φ2中的偏航角进行算术平均，得到返航点的朝向Y0。
本实施例中，对点队列φ1采用加权平均能够更为准确地表达返航点的经纬度信息，对朝向队列φ2采用算术平均即可得到更为准确的无人船位于返航点的朝向角度。
实施例4
在实施例3的基础上，在通过返航点位姿信息生成特征点的步骤中，具体包括：
将大地坐标系转化为平面直角坐标系，以返航点的经纬度为坐标原点，返航点的偏航角为Y轴；
沿Y轴正向，距原点l1米处，设置特征点N1。
本实施例中，在距离原点(即返航点)l1米处设置特征点N1，可以让无人船通过船载的主动探测模块对无人船周围的环境进行探测，增加无人船精准停靠的可靠度。
具体的，当位姿信息获取由于信号问题或出现偏差时，可通过船载的主动探测模块对无人船周围的环境进行探测并进行建模，从而获得环境地图数据，根据环境地图数据分析无人船当前位姿信息与目标位姿信息的偏差，从而及时修正航线。
实施例5
在实施例4的基础上，无人船在航行过程中，还包括无人船出航时在返航点附近对周围环境进行初次建模，得到初始环境地图数据的步骤。
本实施例中，无人船在出航时，即可一边行驶一边对返航点附近的周围环境进行建模，并生成初始环境地图数据，为返航时再次绘制的环境地图数据比对做准备。这个过程可以在根据返航控制指令返回第一特征点的步骤之前，也可以一边返航一边建模，也可以返回后建模再调整。
实施例6
在实施例5的基础上，在根据环境地图数据得到无人船的坐标偏移量的步骤之中，通过对比初始环境地图数据和环境地图数据，并结合无人船当前的航向角，得到无人船的坐标偏移量。
本实施例中，具体的，无人船出航时在返航点附近对周围环境进行初次建模，得到初始环境地图数据M1，当无人船返航至特征点时，再次对周围环境进行建模，得到环境地图数据M2，通过对初始环境地图数据M1和环境地图数据M2的比较，从而获得无人船返航时与目标位置的坐标偏移量，将该偏移量加到后续的经纬度计算中，即可得到更高精度的定位信息。
实施例7
在实施例6的基础上，在根据泊船控制指令控制无人船停靠于返航点的步骤中，还包括调转无人船，使船尾朝向返航点，倒入返航点的步骤。
本实施例中，根据对高精度的位姿信息和特征点位置信息的计算得到泊船控制指令，控制模块控制无人船调转无人船，使船尾朝向返航点，倒入返航点。
以无人船出航时的姿态泊入返航点，有利于后续无人船与返航点的设施进行对接，如对接返航点的船坞进行充电或补充燃料等。
实施例8
在实施例7的基础上，在通过返航点位姿信息生成特征点的步骤中，还包括：沿Y轴正向，距N1点l2米处，设置第二个特征点N2。
本实施例中，在沿Y轴正向，距特征点N1点l2米处，设置为第二个特征点N2，可以让无人船的泊船控制具有更多调整余量，提高泊船的成功率。
具体的，请参阅图3至图6，无人船行驶至第二特征点N2后，进入第一转弯阶段T1，在T1阶段，目标航向角由无人船当前坐标和特征点N1的点坐标计算得出，此时目标航向角的方向为从特征点N1指向无人船，通过PID控制，令无人船转向，使其船尾朝向特征点N1；
无人船通过PID控制，沿直线倒至特征点N1，即第一倒行阶段B1。在倒行期间内，目标航向角是通过无人船当前坐标和特征点N1的点坐标实时计算得到的；
无人船进入第二转弯阶段T2，此时目标航向角为返航点朝向Y0，无人船通过PID控制，使船尾朝向返航点N0，此过程与T1阶段类似；
无人船进入第二倒行阶段B2，在此阶段，目标航向角恒等于返航点朝向Y0，通过PID控制倒至返航点N0点。由于目标航向角不变，所以此阶段不需要通过无人船当前经纬度信息来确定目标航向角，从而可以提高控制频率，以提高控制精度。
若无人船泊船不成功，则驶离返航点，重新执行泊船指令。
需要说明的是，上述中对无人船的控制方法包括并不限于PID控制或模糊控制，这里只是拿PID控制举例说明，并不是限制无人船的控制方法为PID控制。
实施例9
本发明还涉及一种无人船自主精准停靠系统，包括无人船，所述无人船包括控制模块、位姿信息获取、主动探测模块和通讯模块，
所述控制模块用于根据指令控制无人船的动力系统进行航行，其中动力系统包括驱动器、以及由驱动器驱动的螺旋桨以及船舵，控制模块根据用户通过无线信号传输的指令控制驱动器工作，使无人船前进或后退，驱动船舵配合驱动器使无人船转弯。
所述位姿信息获取包括定位单元和姿态传感单元，所述定位单元用于获取无人船的位置信息，所述姿态传感单元用于获取无人船当前位置的偏航角。
定位单元可以为GPS卫星定位单元、北斗卫星定位单元、伽利略卫星定位单元或GLONASS卫星定位单元中的一种或几种。
姿态传感单元即惯性测量单元，可以对物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度进行测量，姿态传感单元每获取一个偏航角数据，定位单元也同时获取一个包含无人船经度、纬度和精度因子的定位数据包，多个偏航角数据组合为朝向队列φ2，多个定位数据包组合为点队列φ1，这样点队列φ1和朝向队列φ2中的每组数据均可一一对应，从而保证了更为精确的返航点初步位姿信息。
所述主动探测模块用于获取无人船周围环境数据并进行建模，从而得到环境地图数据，当位姿信息获取由于信号问题或出现偏差时，可通过船载的主动探测模块对无人船周围的环境进行探测并进行建模，从而获得环境地图数据，根据环境地图数据分析无人船当前位置与目标位置的偏差，从而及时修正航线。
所述通讯模块用于与用户进行数据信息交换，通讯模块可以接受来自用户的控制指令对无人船进行直接操作，也可根据预设的程序进行自主执行航行任务。
本实施例中，无人船可以在自由水域任意一点设置反航点进行单次出航，也可以从固定的船坞多次出航或返航，无人船通过与船坞对接实现充电或补充燃料等功能。
实施例10
在实施例9的基础上，述主动探测模块包括雷达单元、超声波单元、摄像头单元或激光地形扫描单元中的一种或几种。
本实施例中，无人船可以采用雷达单元、超声波单元、摄像头单元、激光地形扫描单元或者各传感器单元的结合对无人船周围环境进行主动探测，从而绘制无人船周围的环境地图，进而通过多幅环境地图判断无人船当前位置与目标位置的偏差，以及无人船朝向与目标朝向的偏差，从而及时调整无人船的位置及姿态，实现后续的精准停靠。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种无人船自主精准停靠方法，其特征在于，包括如下步骤：
无人船停靠于返航点时，间隔获取无人船的位姿信息，得到返航点初步位姿信息；
对返航点初步位姿信息进行取平均处理，得到返航点位姿信息；
通过返航点位姿信息生成特征点位置信息；
无人船在航行过程中收到返航请求后，根据无人船当前的位姿信息和特征点位置信息生成返航控制指令；
根据返航控制指令返回特征点；
在特征点对周围环境进行建模，得到环境地图数据；
根据环境地图数据得到无人船的坐标偏移量；
根据坐标偏移量和无人船当前的位姿信息生成泊船控制指令；
根据泊船控制指令控制无人船停靠于返航点；
在通过返航点位姿信息生成特征点的步骤中，具体包括：
将大地坐标系转化为平面直角坐标系，以返航点的经纬度为坐标原点，返航点的偏航角为Y轴；
沿Y轴正向，距原点l1米处，设置特征点N1；
无人船在航行过程中，还包括无人船出航时在返航点附近对周围环境进行初次建模，得到初始环境地图数据的步骤；
在根据环境地图数据得到无人船的坐标偏移量的步骤之中，通过对比初始环境地图数据和环境地图数据，并结合无人船当前的航向角，得到无人船的坐标偏移量。
2.如权利要求1所述的无人船自主精准停靠方法，其特征在于：在无人船停靠于返航点时，间隔获取无人船的位姿信息，得到返航点初步位姿信息的步骤中，具体包括：
根据定位单元获取无人船当前位置的经度、纬度和精度因子，得到点队列；
根据姿态传感单元获取无人船当前位置的偏航角，得到朝向队列；
根据点队列和朝向队列成返航点初步位姿信息。
3.如权利要求2所述的无人船自主精准停靠方法，其特征在于：在对返航点初步位姿信息进行取平均处理的步骤中，具体包括：
对点队列中的经度和纬度进行加权平均，权值为精度因子，得到返航点的经纬度N0；
对朝向队列中的偏航角进行算术平均，得到返航点的朝向Y0。
4.如权利要求3所述的无人船自主精准停靠方法，其特征在于：在根据泊船控制指令控制无人船停靠于返航点的步骤中，还包括调转无人船，使船尾朝向返航点，倒入返航点的步骤。
5.如权利要求4所述的无人船自主精准停靠方法，其特征在于：在通过返航点位姿信息生成特征点的步骤中，还包括：沿Y轴正向，距N1点l2米处，设置第二个特征点N2。
6.一种采用权利要求1-5任意一项所述的无人船自主精准停靠方法的无人船自主精准停靠系统，其特征在于：包括无人船，所述无人船包括控制模块、位姿信息获取模块、主动探测模块和通讯模块，
所述控制模块用于根据指令控制无人船的航行；
所述位姿信息获取包括定位单元和姿态传感单元，所述定位单元用于获取无人船的位置信息，所述姿态传感单元用于获取无人船当前位置的偏航角；
所述主动探测模块用于获取无人船周围环境数据并进行建模，从而得到环境地图数据；
所述通讯模块用于与用户进行数据信息交换。
7.如权利要求6所述的无人船自主精准停靠系统，其特征在于：所述主动探测模块包括雷达单元、超声波单元、摄像头单元或激光地形扫描单元中的一种或几种。
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