CN112099523B - 基于无人机的船舶操纵性能检测方法、系统和存储介质 - Google Patents

基于无人机的船舶操纵性能检测方法、系统和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无人机的船舶操纵性能检测方法、系统和存储介质，系统包括：信标定位装置，所述信标定位装置设置于测试区域的第一预设位置；无人机，所述无人机上安装有第一位置追踪器；船舶模型，所述船舶模型上设有第二位置追踪器；控制器，所述控制器用于执行以下步骤：根据所述第一预设位置对所述无人机进行位置标定，得到第一位置信息；控制所述船舶模型在所述测试区域内航行；获取所述船舶模型与所述第一位置信息的矢量信息；根据所述矢量信息计算所述船舶模型的运动参数；根据所述运动参数分析所述船舶模型的操纵性能。本发明能有效降低船舶操纵性能测试成本和数据处理量。本发明可广泛应用于船舶操纵性能测试技术领域。

Description

基于无人机的船舶操纵性能检测方法、系统和存储介质
技术领域
本发明涉及船舶操纵性能测试技术领域，尤其是一种基于无人机的船舶操纵性能检测方法、系统和存储介质。
背景技术
船舶自由自航实验对于评估船舶操纵性能具有重要作用，是船舶操纵性研究的重要内容。船舶的自由自航实验一般在操纵性水池或露天水池中进行，其具体通过在实验船上放置GPS，在水池边架设RTK，以实时获得船舶的运动信息，然后再通过坐标转化的方法得到船舶航行的轨迹及其他参数。但是，现有的检测方法至少需要至少两台高精度定位转换装置，且在实验开始前，需要将其中一台高精度定位转换装置固定于船模上，从而大大提升船舶操纵性能测试成本，且在测试完成后，需要对GPS测得的数据进行坐标转化，增加数据处理量。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种基于无人机的船舶操纵性能检测方法、系统和存储介质，其能有效降低船舶操纵性能测试成本和数据处理量。
第一方面，本发明实施例提供了：
一种基于无人机的船舶操纵性能检测系统，包括：
信标定位装置，所述信标定位装置设置于测试区域的第一预设位置；
无人机，所述无人机上安装有第一位置追踪器；
船舶模型，所述船舶模型上设有第二位置追踪器；
控制器，所述控制器用于执行以下步骤：
根据所述第一预设位置对所述无人机进行位置标定，得到第一位置信息；
控制所述船舶模型在所述测试区域内航行；
获取所述船舶模型与所述第一位置信息的矢量信息；
根据所述矢量信息计算所述船舶模型的运动参数；
根据所述运动参数分析所述船舶模型的操纵性能。
进一步地，所述根据所述第一预设位置对所述无人机进行位置标定，得到第一位置信息，包括：
根据所述第一预设位置构建坐标系；
控制所述无人机飞行，使所述无人机悬停于固定位置；
在所述坐标系内对所述无人机进行位置标定；
根据所述第一预设位置计算所述无人机在位置标定后的位置坐标，得到第一位置信息。
进一步地，所述第二位置追踪器的个数为至少三个，所述至少三个第二位置追踪器分别设置在所述船舶模型的第二预设位置。
进一步地，所述获取所述船舶模型与所述第一位置信息的矢量信息，其具体为：
获取所述第二预设位置与所述第一位置信息的矢量信息。
进一步地，所述根据所述矢量信息计算所述船舶模型的运动参数，包括：
根据所述矢量信息计算所述第二预设位置的坐标信息，作为第二位置信息；
根据所述第二位置信息计算所述船舶模型的运动参数，所述运动参数包括位移、速度、加速度、角速度和角加速度。
进一步地，所述根据所述运动参数分析所述船舶模型的操纵性能，包括：
根据所述运动参数绘制所述船舶模型的运动轨迹曲线和时历变化曲线；
根据所述运动轨迹曲线和所述时历变化曲线分析所述船舶模型的操纵性能。
进一步地，所述信标定位装置的个数与所述第一预设位置的个数相等，所述信标定位装置的个数为至少三个。
第二方面，本发明实施例提供了：
一种基于无人机的船舶操纵性能检测方法，包括以下步骤：
根据信标定位装置对应的第一预设位置对所述无人机进行位置标定，得到第一位置信息；
控制船舶模型在测试区域内航行；
获取所述船舶模型与所述第一位置信息的矢量信息；
根据所述矢量信息计算所述船舶模型的运动参数；
根据所述运动参数分析所述船舶模型的操纵性能。
进一步地，所述根据信标定位装置对应的第一预设位置对所述无人机进行位置标定，得到第一位置信息，包括：
根据所述第一预设位置构建坐标系；
控制所述无人机飞行，使所述无人机悬停于固定位置；
在所述坐标系内对所述无人机进行位置标定；
根据所述第一预设位置计算所述无人机在位置标定后的位置坐标，得到第一位置信息。
第三方面，本发明实施例提供了：
一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现所述的一种基于无人机的船舶操纵性能检测方法。
本发明的有益效果是：本发明实施例通过先将信标定位装置设置于测试区域的第一预设位置，并在无人机上安装第一位置追踪器，在船舶模型上安装第二位置追踪器，然后通过控制器对无人机进行位置标定，得到第一位置信息，并获取船舶模型与第一位置信息的矢量信息，根据矢量信息计算船舶模型的运动参数，最后根据运动参数分析船舶的操纵性能；本发明的整个船舶操纵性能测试过程，无需安装高精度定位转换装置，从而有效降低船舶操纵性能测试成本和数据处理量。
附图说明
图1为本发明一种具体实施例的基于无人机的船舶操纵性能检测系统的模块框图；
图2为本发明一种具体实施例的控制器的数据处理步骤的流程图；
图3为一种具体实施例的无人机的位置标定的示意图；
图4为一种具体实施例的无人机与船舶模型的位置关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解,“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
在进行具体实施例的阐述之前，首先阐述以下内容：
船舶操纵实验包括回转实验和Z形实验等实验项目，需要对船舶在不同响应下的轨迹、速度、加速度等运动参数进行测量。船舶的回转实验指船舶在在匀速直航状态下，打舵到最大舵角及其他舵角，测量船舶回转运动轨迹的实验。对于船舶的Z形实验，首先确定执行舵角和转舵换向角，当船舶按预定航速直线航行达到稳定之后，第一次操舵，以尽可能快的速度将舵向右舷打执行舵角，当船艏偏离原艏向的角度等于转舵换向角时，第二次操舵，立即向左舷打执行舵角，当船舶向左舷偏转的角度等于转舵换向角时，第三次打舵，再次向右舷打转舵换向角。重复以上打舵至少五次，即可完成Z形实验。
基于上述内容，参照图1，本发明实施例提供了一种基于无人机的船舶操纵性能检测系统，包括：
信标定位装置，所述信标定位装置设置于测试区域的第一预设位置。所述信标定位装置的个数与所述第一预设位置的个数相等，其个数为至少三个。所述第一预设位置分布在所述测试区域的边沿上，且该至少三个第一预设位置不在一条直线上。
无人机，所述无人机上安装有第一位置追踪器；
船舶模型，所述船舶模型上设有第二位置追踪器；所传船舶模型为用于进行性能测试的模型。在一些实施例中，所述第二位置追踪器的个数为至少三个，所述至少三个第二位置追踪器分别设置在所述船舶模型的第二预设位置。例如，所述第二预设位置可以为船舶模型的船艏、船舯和船艉三个位置，所述至少三个第二位置追踪器分别设置在船舶模型的船艏、船舯和船艉三个位置上。
控制器，所述控制器与所述信标定位装置、无人机和船舶模型通信，其用于执行如图2所示步骤：
S11、根据所述第一预设位置对所述无人机进行位置标定，得到第一位置信息；
在一些实施例中，所述根据所述第一预设位置对所述无人机进行位置标定，得到第一位置信息，可通过以下方式实现：
根据所述第一预设位置构建坐标系；具体地，本步骤可以选取其中的一个第一预设位置作为原点，所有的所述第一预设位置所在的平面作为坐标系的一个平面进行三维坐标系的构建。在构建坐标系后，在一些实施例中，对所述测试区域进行网格化处理，以便于后续过程中确定各个位置坐标。
控制所述无人机飞行，使所述无人机悬停于固定位置；具体是控制所述无人机在所述测试区域的上空飞行。
在所述坐标系内对所述无人机进行位置标定；具体是将无人机悬停在所述测试区域上空的某一个固定位置。
根据所述第一预设位置计算所述无人机在位置标定后的位置坐标，得到第一位置信息。本步骤是在上述构建的三维坐标系内，根据无人机上的第一位置追踪器确定的无人机的固定位置与第一预设位置的矢量信息后，根据矢量信息计算得到无人机的位置坐标。
本实施例通过构建坐标系，并计算出无人机在坐标系上的位置坐标，以便于后续步骤的数据分析过程。
S12、控制所述船舶模型在所述测试区域内航行；本步骤中是通过控制器控制船舶模型在测试区域内航行，并控制航行过程中船舶模型的舵角状态。
S13、获取所述船舶模型与所述第一位置信息的矢量信息；
在一些实施例中，由于船舶模型上预先确定了多个第二预设位置，并在第二预设位置上设有第二位置追踪器，因此，所述S13可通过以下方式实现：
获取所述第二预设位置与所述第一位置信息的矢量信息。
S14、根据所述矢量信息计算所述船舶模型的运动参数；
在一些实施例中，所述根据所述矢量信息计算所述船舶模型的运动参数，包括：
根据所述矢量信息计算所述第二预设位置的坐标信息，作为第二位置信息；所述坐标信息是指第二预设位置在上述构建的三维坐标系中的实时位置坐标，当船舶模型处于航行状态时，第二预设位置的坐标是实时变化的。
根据所述第二位置信息计算所述船舶模型的运动参数，所述运动参数包括位移、速度、加速度、角速度和角加速度。
S15、根据所述运动参数分析所述船舶模型的操纵性能。
具体地，所述步骤S15可通过以下方式实现：
根据所述运动参数绘制所述船舶模型的运动轨迹曲线和时历变化曲线；所述运动轨迹是指在坐标系中与时间无关的船舶模型的实时运动轨迹，例如用x-y表示的曲线。所述时历变化曲线是指船舶的运动参数随时间变化的曲线，例如用v-t表示的曲线。
根据所述运动轨迹曲线和所述时历变化曲线分析所述船舶模型的操纵性能。
在一些实施例中，将上述实施例应用于具体的测试过程中，其具体包括：
如图3所示，假设测试区域是方形水池240，则确定该水池240的四个顶角为第一预设位置，控制信标定位装置210设置于水池的四个顶角上。然后，以水池为坐标系的一个面，构建三维坐标系o-xyz，则水池四个顶角的坐标分别为pci(xci,yci,zci)(i＝1,2,3,4)，接着确定网格划分大小，并用与水池形状相似的四边形网格对实验水池进行离散化，以达到便于观察的目的。
将无人机220悬停在水池上方某一个固定位置，对无人机的位置进行标定，则通过无人机220上的第一位置追踪器221可以确定无人机220与水池240四个顶角的位置关系，并用矢量
Figure BDA0002637470250000051
和
Figure BDA0002637470250000052
具体地，无人机标定后的位置坐标可通过以下方式确定：
假设上述四个矢量均可用公式1表示：
Figure BDA0002637470250000053
设t时刻无人机悬停的位置坐标为(xUAV(t),yUAV(t),zUAV(t))，则可以从上述测得的矢量
Figure BDA0002637470250000061
和
Figure BDA0002637470250000062
中任意选取3个矢量即能求解得到无人机的位置坐标。而为了提高测量精度，本实施例对每一组矢量组合
Figure BDA0002637470250000063
和
Figure BDA0002637470250000064
都进行计算，最后取平均值。
其计算过程如公式2和公式3：
Figure BDA0002637470250000065
Figure BDA0002637470250000066
其中，xUAV、yUAV和zUAV的下标mnk表示选取向量组合
Figure BDA0002637470250000067
和
Figure BDA0002637470250000068
时解出的无人机实时坐标。
在求解出无人机的坐标后，如图4所示，在船舶模型230上的船艏、船舯和船艉三个位置上各安装一个第二位置追踪器231，然后控制船舶模型进行自由自航实验。
设t时刻无人机测得与船艏、船舯和船艉三个位置的位置矢量为
Figure BDA0002637470250000069
和
Figure BDA00026374702500000610
假设船艏、船舯和船艉的实时位置坐标分别为(xSb(t),ySb(t),zSb(t))、(xSm(t),ySm(t),zSm(t))和(xSs(t),ySs(t),zSs(t))，则通过公式4即可计算得到船艏、船舯和船艉的实时位置坐标：
Figure BDA00026374702500000611
船舶模型的速度可通过公式5计算得到，加速度可通过公式6计算得到：
Figure BDA00026374702500000612
Figure BDA00026374702500000613
其中，
Figure BDA00026374702500000614
y和z与x的计算方式类似。
船舶模型的艏摇角ψ(t)可通过公式7计算得到，艏摇角速度r(t)可通过公式8计算得到：
Figure BDA0002637470250000071
Figure BDA0002637470250000072
其中，ψ0为开始实验时的艏摇角
Figure BDA0002637470250000073
<>表示两个矢量之间的夹角，下标Sb为船艏处的位置追踪器，下标Ss为船艉处的位置追踪器。
在完成自由自航实验后，结合测量数据和计算得到的数据可以对船舶的操纵性能进行评估。由船舶回转实验，可以通过测量不同舵角下的回转轨迹，得到定常回转直径、战术直径、纵距等参数，对船舶的回转性能进行评估。通过Z形实验，测得舵角和艏向角的时历变化曲线，得到多组超越角和转艏滞后的值，计算得到船舶的KT指数，从而对船舶的操纵性能进行定量的判断。
综上所述，上述实施例整个船舶操纵性能测试过程，无需安装高精度定位转换装置，从而有效降低船舶操纵性能测试成本和数据处理量。
本发明实施例还提供了一种基于无人机的船舶操纵性能检测方法，本实施应用于如图1所述系统的控制器内。
具体地，本实施例包括以下步骤：
根据信标定位装置对应的第一预设位置对所述无人机进行位置标定，得到第一位置信息；
控制船舶模型在测试区域内航行；
获取所述船舶模型与所述第一位置信息的矢量信息；
根据所述矢量信息计算所述船舶模型的运动参数；
根据所述运动参数分析所述船舶模型的操纵性能。
在一些实施例中，所述根据信标定位装置对应的第一预设位置对所述无人机进行位置标定，得到第一位置信息，包括：
根据所述第一预设位置构建坐标系；
控制所述无人机飞行，使所述无人机悬停于固定位置；
在所述坐标系内对所述无人机进行位置标定；
根据所述第一预设位置计算所述无人机在位置标定后的位置坐标，得到第一位置信息。
上述系统实施例的具体手段均可以应用于本方法实施例，本方法实施例所达到的效果与上述系统实施例达到的效果相同。
此外，本发明实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现所述的一种基于无人机的船舶操纵性能检测方法。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种基于无人机的船舶操纵性能检测系统，其特征在于，包括：
信标定位装置，所述信标定位装置设置于测试区域的第一预设位置；
无人机，所述无人机上安装有第一位置追踪器；
船舶模型，所述船舶模型上设有第二位置追踪器；
控制器，所述控制器用于执行以下步骤：
根据所述第一预设位置对所述无人机进行位置标定，得到第一位置信息；
控制所述船舶模型在所述测试区域内航行；
获取所述船舶模型与所述第一位置信息的矢量信息；
根据所述矢量信息计算所述船舶模型的运动参数；
根据所述运动参数分析所述船舶模型的操纵性能；
其中，所述信标定位装置的个数与所述第一预设位置的个数相等，所述信标定位装置的个数为至少三个；
所述第二位置追踪器的个数为至少三个，所述至少三个第二位置追踪器分别设置在所述船舶模型的第二预设位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的船舶操纵性能检测系统，其特征在于，所述根据所述第一预设位置对所述无人机进行位置标定，得到第一位置信息，包括：
根据所述第一预设位置构建坐标系；
控制所述无人机飞行，使所述无人机悬停于固定位置；
在所述坐标系内对所述无人机进行位置标定；
根据所述第一预设位置计算所述无人机在位置标定后的位置坐标，得到第一位置信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于无人机的船舶操纵性能检测系统，其特征在于，所述获取所述船舶模型与所述第一位置信息的矢量信息，其具体为：
获取所述第二预设位置与所述第一位置信息的矢量信息。
4.根据权利要求3所述的一种基于无人机的船舶操纵性能检测系统，其特征在于，所述根据所述矢量信息计算所述船舶模型的运动参数，包括：
根据所述矢量信息计算所述第二预设位置的坐标信息，作为第二位置信息；
根据所述第二位置信息计算所述船舶模型的运动参数，所述运动参数包括位移、速度、加速度、角速度和角加速度。
5.根据权利要求4所述的一种基于无人机的船舶操纵性能检测系统，其特征在于，所述根据所述运动参数分析所述船舶模型的操纵性能，包括：
根据所述运动参数绘制所述船舶模型的运动轨迹曲线和时历变化曲线；
根据所述运动轨迹曲线和所述时历变化曲线分析所述船舶模型的操纵性能。
6.一种基于无人机的船舶操纵性能检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据信标定位装置对应的第一预设位置对所述无人机进行位置标定，得到第一位置信息；
控制船舶模型在测试区域内航行；
获取所述船舶模型与所述第一位置信息的矢量信息；
根据所述矢量信息计算所述船舶模型的运动参数；
根据所述运动参数分析所述船舶模型的操纵性能；
其中，所述信标定位装置的个数与所述第一预设位置的个数相等，所述信标定位装置的个数为至少三个。
7.根据权利要求6所述的基于无人机的船舶操纵性能检测方法，其特征在于，所述根据信标定位装置对应的第一预设位置对所述无人机进行位置标定，得到第一位置信息，包括：
根据所述第一预设位置构建坐标系；
控制所述无人机飞行，使所述无人机悬停于固定位置；
在所述坐标系内对所述无人机进行位置标定；
根据所述第一预设位置计算所述无人机在位置标定后的位置坐标，得到第一位置信息。
8.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现如权利要求6或7所述的一种基于无人机的船舶操纵性能检测方法。
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