CN113625723A - 一种无人船动态避碰控制系统 - Google Patents

一种无人船动态避碰控制系统 Download PDF

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CN113625723A CN202110964373.0A CN202110964373A CN113625723A CN 113625723 A CN113625723 A CN 113625723A CN 202110964373 A CN202110964373 A CN 202110964373A CN 113625723 A CN113625723 A CN 113625723A
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张威东
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Abstract

本发明提供一种无人船动态避障控制系统，其包括船体，所述船体包括动力推进单元、控制单元、检测单元、判断单元和信息传递单元；所述控制单元分别与所述动力推进单元、检测单元、信息传递单元相连接；所述判断单元与所述检测单元相连；控制单元基于接收到的信息，控制所述动力推进单元，并选择是否对所述无人船的行驶路径进行修正。本发明提供的无人船在航行过程中具有良好的避障效果。

Description

一种无人船动态避碰控制系统
技术领域
本发明涉及无人船领域，尤其是涉及一种无人船动态避碰控制系统。
背景技术
无人船在自动驾驶/导航中，行驶环境复杂多变，当无人船在航行过程中遭遇到环境变化，例如静止或活动碍航物的出现，都会给无人船的航行安全带来影响。在现有技术中，多采用单一的视觉传感器来实时监测航行环境，来跟踪可能碍航物或对碍航物做出去提前预判，然而视觉传感器在监测的过程中难免会出现监测盲区，导致无人船在航行过程中与碍航物发生撞击，造成经济损失。另外，视觉传感器的监测不能实时判断碍航物的有效性，也会导致无人船航线无谓的修正。
无人船在自动驾驶/导航中，碍航物的准确监测以及航线的及时调整或修正一直是无人船航行中亟待解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种高精度定位、避障、路径规划的无人船。
为了实现以上发明目的，本发明提供一种无人船动态避障控制系统，其包括船体，所述船体包括动力推进单元、控制单元、检测单元、判断单元和信息传递单元；所述控制单元分别与所述动力推进单元、检测单元、信息传递单元相连接；所述判断单元与所述检测单元相连；其特征在于：
所述检测单元包括第一类检测模块、第二类检测模块和第三类检测模块；所述第一类检测模块、第二类检测模块和第三类检测模块分别搭载有多个传感器；所述第一类检测模块用于检测距离超过预定阈值的碍航物信息，所述第二类检测模块用于检测距离小于预定阈值的碍航物信息，所述第三类检测模块用于检测所述无人船在行驶过程中的运动信息，所述无人船在行驶过程中的运动信息包括船速和所述无人船的位置；
所述判断单元用于当第一类检测模块和/或第二类检测模块检测到碍航物信息时，结合第三类检测模块检测到的无人船运动信息，对所述碍航物信息进行判断，判断其是否构成为有效碍航物；
所述信息传递单元用于将判断单元的处理信息传递给所述控制单元；
所述控制单元基于接收到的信息，控制所述动力推进单元，并选择是否对所述无人船的行驶路径进行修正。
进一步的，其还包括计算单元；所述第一类检测模块搭载的传感器包括AIS信号接收机（接收来自他船的AIS信号）、船载固态雷达（探测水面上碍航物）和声呐（探测水下碍航物）；所述第二类检测模块搭载的传感器至少包括光学传感器（日间）、红外传感器（夜间）；所述第三类检测模块搭载的传感器至少包括加GPS、六轴陀螺仪和船体速度传感器；所述控制单元基于第三类检测模块获取的无人船运动信息，拟合出所述无人船的运动路径；当控制单元接收到有效碍航物信息时，所述计算单元根据碍航物信息计算修偏后的运动路径，并且控制单元根据修偏后的运动路径控制所述动力推进单元。
进一步的，所述碍航物信息包括位置信息、速度信息和碍航物的尺寸信息；所述预定阈值为1海里；当第一类检测模块和/或第二类检测模块检测到碍航物时，所述判断单元基于检测信息，调用所述判断单元中存储的碍航物和本船的数据关联系统，对碍航物信息和无人船的运动信息、无人船尺寸信息的相关性进行计算，判断其是否构成为有效碍航物；并对碍航物信息按权重进行排序，所述计算单元并依此计算修偏后的运动路径；基于下列公式计算避障最优路径：
首先定义
Figure 179494DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中
Figure 677472DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 183539DEST_PATH_IMAGE003
分别为无人船沿
Figure 993232DEST_PATH_IMAGE004
轴、
Figure 875738DEST_PATH_IMAGE005
轴方向的速度，设从零点出发则，
Figure 962642DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 905191DEST_PATH_IMAGE005
为无人船在
Figure 77546DEST_PATH_IMAGE004
轴、
Figure 498163DEST_PATH_IMAGE005
轴上的位置。关于
Figure 705153DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 818603DEST_PATH_IMAGE003
的一范数的积分表达式
Figure 602888DEST_PATH_IMAGE006
如下所示：
Figure 827196DEST_PATH_IMAGE007
(2)
定义
Figure 623114DEST_PATH_IMAGE006
为路径计算的代价函数，其中
Figure 907465DEST_PATH_IMAGE008
为无人船起始点的时间，
Figure 319991DEST_PATH_IMAGE009
为无人船到达终点的时间。存在他船和静态碍航物的情况下，要使无人船的避碰路径最优，需满足如下代价函数的表达式最小：
Figure 82411DEST_PATH_IMAGE010
(3)
其中
Figure 263994DEST_PATH_IMAGE011
为船舶编号，且代价函数(3)满足如下约束条件
Figure 188087DEST_PATH_IMAGE012
(4)
其中
Figure 87910DEST_PATH_IMAGE013
约束无人船与他船之间的安全距离；而
Figure 654021DEST_PATH_IMAGE014
约束无人船与静态碍航物之间的安全距离；
其中船-船不等式
Figure 814744DEST_PATH_IMAGE015
定义为：
Figure 175318DEST_PATH_IMAGE016
(5)
其中
Figure 296858DEST_PATH_IMAGE017
。
Figure 666659DEST_PATH_IMAGE018
为各艘船舶周围的安全保护距离；
其中船-静态碍航物不等式
Figure 291676DEST_PATH_IMAGE019
定义为：
Figure 88730DEST_PATH_IMAGE020
(6)
其中
Figure 431987DEST_PATH_IMAGE021
是第
Figure 605479DEST_PATH_IMAGE022
个静态碍航物周围限制区域的中心；
Figure 616161DEST_PATH_IMAGE023
为第
Figure 443171DEST_PATH_IMAGE022
个静态碍航物限制区安全保护距离。
进一步的，当第一类检测模块和第二类检测模块同时检测到有效碍航物时，计算单元可向所述控制单元提供两种运动路径模式，为使无人船在预定阈值内外始终处于无障碍路径模式、使无人船在预定阈值内处于无障碍路径模式。
进一步的，所述控制单元还将所述无人船的航行方向按照角度划分为多个区域范围，并且对各个区域范围设置权重，将与无人船的航线方向具有小角度的区域范围设置为高权重。
进一步的，当第一类检测模块检测到碍航物时，所述判断单元对检测到的碍航物图像信息进行滤波，滤波图像的运动采用图像流通过运算从多个图像中提取出代表点，描述碍航物的运动矢量。
进一步的，所述无人船选择所述两种运动路径模式中的任一一种取决于碍航物的运动矢量；
进一步的，当在第一类检测模块或第二类检测模块分别检测到多个有效碍航物时，需要对各个模块搭载的传感器获取的检测信息做融合运算；
进一步的，还包括报警单元，该报警单元当在所述无人船的高权重区域检测到碍航物时且在预设距离值内无人船还未进行路径的修正时，通过声音通知所述无人船的远程控制人员。
进一步的，其还包括远程控制部，该避碰系统的远程控制部搭载在岸基的远程控制工作站上，当检测到碍航物时，通过视频将碍航物以及其所处位置信息显示给远程控制人员，该视频且能够实现72小时存储；所述远程控制部包括控制界面，远程控制人员可以通过指令键控制无人船的运行。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
将碍航物信息的检测分为近域检测和远域检测，近域检测精确检测，当第一类检测模块和/或第二类检测模块检测到碍航物时，所述判断单元基于检测信息，调用所述判断单元中存储的碍航物和本船的数据关联系统，对碍航物信息和无人船的运动信息、无人船尺寸信息的相关性进行计算，判断其是否构成为有效碍航物。
当进行远域检测时，检测到碍航物信息容易失真，为了还原获取的图像信息的真实性，当检测到碍航物时，所述判断单元对检测到的碍航物图像信息进行滤波处理，滤波图像的运动采用图像流通过运算从多个图像中提取出代表点，描述碍航物的运动矢量。
为了使得无人船在复杂环境中也能全面避障，当在第一类检测模块或第二类检测模块分别检测到多个有效碍航物时，需要对各个模块搭载的传感器获取的检测信息做融合运算。
附图说明
图1是本发明实施例中一种无人船动态避障控制系统的避障流程图；
图2是本发明实施例中一种无人船动态避障控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
请参照附图1-2，本发明提供一种无人船动态避障控制系统，在行驶过程中实现自动避障。无人船至少包括船体，所述船体包括动力推进单元、控制单元、检测单元、判断单元和信息传递单元；所述控制单元分别与所述动力推进单元、检测单元、信息传递单元相连接；所述判断单元与所述检测单元相连。
所述检测单元用于检测碍航物信息和无人船信息，而碍航物信息的检测分为近域检测和远域检测；对应的，所述检测单元包括第一类检测模块、第二类检测模块和第三类检测模块；所述第一类检测模块、第二类检测模块和第三类检测模块分别搭载有多个传感器；所述第一类检测模块用于检测距离超过预定阈值的远域碍航物信息，所述第二类检测模块用于检测距离小于预定阈值的近域碍航物信息，所述预定阈值为1海里；所述第三类检测模块用于检测所述无人船在行驶过程中的运动信息，所述无人船在行驶过程中的运动信息包括船速和所述无人船的位置。
无人船在行驶的过程中，所述检测单元会检测到诸多碍航物信息，然而，并不是只要检测到碍航物信息，控制单元就要对无人船的运动做出调整。为了准确判断检测到的碍航物是否对无人船的行驶构成有效碍航物，即构成对无人船的行驶造成安全隐患，判断单元将结合近域远域碍航物信息和无人船的自身信息，判断碍航物的有效性。进一步的，所述判断单元用于当第一类检测模块和/或第二类检测模块检测到碍航物信息时，结合第三类检测模块检测到的无人船运动信息，对所述碍航物信息进行判断，判断其是否构成为有效碍航物。
其还包括计算单元；为了准确获得碍航物尺寸信息、类型信息和运动信息，以及获得无人船自身的运动信息，所述第一类检测模块搭载的传感器至少包括AIS信号接收机（接收来自他船的AIS信号）、船载固态雷达（探测水面上碍航物）和声呐（探测水下碍航物）；所述第二类检测模块搭载的传感器至少包括光学传感器（日间）、红外传感器（夜间）；所述第三类检测模块搭载的传感器至少包括加GPS、六轴陀螺仪，电子海图和船体速度传感器），所述控制单元基于第三类检测模块获取的无人船运动信息，选择运行信息的若干关键参数，拟合出所述无人船的运动路径；
所述碍航物信息包括位置信息、速度信息和碍航物的尺寸信息；当第一类检测模块和/或第二类检测模块检测到碍航物时，所述判断单元基于检测信息，调用所述判断单元中存储的碍航物和本船的数据关联系统，对碍航物信息和无人船的运动信息、无人船尺寸信息的相关性进行计算，判断其是否构成为有效碍航物；并对碍航物信息按权重进行排序，并提取高权重信息中的关键参数，所述计算单元并依此进行计算；所述计算单元根据碍航物信息计算出修偏后的运动路径，并且控制单元根据修偏后的运动路径控制所述动力推进单元；
基于下列公式计算避障最优路径：
首先定义
Figure 539303DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中
Figure 985328DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 850516DEST_PATH_IMAGE003
分别为无人船沿
Figure 723794DEST_PATH_IMAGE004
轴、
Figure 307222DEST_PATH_IMAGE005
轴方向的速度，设从零点出发则，
Figure 556938DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 276632DEST_PATH_IMAGE005
为无人船在
Figure 586391DEST_PATH_IMAGE004
轴、
Figure 516169DEST_PATH_IMAGE005
轴上的位置。关于
Figure 569576DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 143777DEST_PATH_IMAGE003
的一范数的积分表达式
Figure 624437DEST_PATH_IMAGE006
如下所示：
Figure 916878DEST_PATH_IMAGE007
(2)
定义
Figure 508396DEST_PATH_IMAGE006
为路径计算的代价函数，其中
Figure 202683DEST_PATH_IMAGE008
为无人船起始点的时间，
Figure 588665DEST_PATH_IMAGE009
为无人船到达终点的时间。存在他船和静态碍航物的情况下，要使无人船的避碰路径最优，需满足如下代价函数的表达式最小：
Figure 633981DEST_PATH_IMAGE010
(3)
其中
Figure 888245DEST_PATH_IMAGE011
为船舶编号，且代价函数(3)满足如下约束条件：
Figure 437038DEST_PATH_IMAGE012
(4)
其中
Figure 525080DEST_PATH_IMAGE013
约束无人船与他船之间的安全距离；而
Figure 526534DEST_PATH_IMAGE014
约束无人船与静态碍航物之间的安全距离；
其中船-船不等式
Figure 725434DEST_PATH_IMAGE015
定义为：
Figure 863154DEST_PATH_IMAGE016
(5)
其中
Figure 122097DEST_PATH_IMAGE017
。
Figure 876427DEST_PATH_IMAGE018
为各艘船舶周围的安全保护距离；
其中船-静态碍航物不等式
Figure 347859DEST_PATH_IMAGE019
定义为：
Figure 871244DEST_PATH_IMAGE020
(6)
其中
Figure 160143DEST_PATH_IMAGE021
是第
Figure 136190DEST_PATH_IMAGE022
个静态碍航物周围限制区域的中心；
Figure 411313DEST_PATH_IMAGE023
为第
Figure 54784DEST_PATH_IMAGE022
个静态碍航物限制区安全保护距离。
而当近域和远域均检测到有效碍航物时，即当第一类检测模块和第二类检测模块同时检测到有效碍航物时，计算单元可向所述控制单元提供两种运动路径模式，为使无人船在预定阈值内外始终处于无障碍路径模式、使无人船在预定阈值内处于无障碍路径模式。
为了更加精准的判断无人船周围碍航物对无人船构成的危险性，所述控制单元还将所述无人船的航行方向按照角度划分为多个区域范围，并且对各个区域范围设置权重，将与无人船的航线附近沿航向方向具有小角度的区域范围设置为高权重。
另外，由于图像获取传感器在进行图像获取的过程中，由于图像获取的背景是不断变化的，同时对图像信息稳定性的诸多外在因素的存在，导致图像信息不稳定，因此为了还原获取的图像信息的真实性，当第一类检测模块检测到碍航物时，所述判断单元对检测到的碍航物图像信息进行滤波，滤波图像的运动采用图像流通过运算从多个图像中提取出代表点，描述碍航物的运动矢量；并将上述碍航物信息反馈给判断单元；而所述无人船选择所述两种运动路径模式中的何种路径取决于碍航物的运动矢量信息；当在第一类检测模块或第二类检测模块分别检测到多个有效碍航物时，为了使得无人船始终避开碍航物，需要对各个模块搭载的传感器获取的检测信息做融合运算处理。
为了防止无人船在航行的过程中出现碍航物的碰撞，还设定了报警单元，该报警单元当在所述无人船的高权重区域检测到碍航物时且在预设距离值内无人船还未进行路径的修正时，通过声音通知所述无人船的远程控制人员。
为了实现远程控制人员对无人船的交互，其还设定了远程控制部，该避碰系统的远程控制部搭载在岸基的远程控制工作站上，当检测到碍航物时，通过视频将碍航物以及其所处位置信息显示给远程控制人员，该视频且能够实现三天存储；所述远程控制部包括控制界面，远程控制人员可以通过指令键控制无人船的运行。
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 (10)

1.一种无人船动态避障控制系统，其包括船体，所述船体包括动力推进单元、控制单元、检测单元、判断单元和信息传递单元；所述控制单元分别与所述动力推进单元、检测单元、信息传递单元相连接；所述判断单元与所述检测单元相连；其特征在于：
所述检测单元包括第一类检测模块、第二类检测模块和第三类检测模块；所述第一类检测模块、第二类检测模块和第三类检测模块分别搭载有多个传感器；所述第一类检测模块用于检测距离超过预定阈值的碍航物信息，所述第二类检测模块用于检测距离小于预定阈值的碍航物信息，所述第三类检测模块用于检测所述无人船在行驶过程中的运动信息，所述无人船在行驶过程中的运动信息包括船速和所述无人船的位置；
所述判断单元用于当第一类检测模块和/或第二类检测模块检测到碍航物信息时，结合第三类检测模块检测到的无人船运动信息，对所述碍航物信息进行判断，判断其是否构成为有效碍航物；
所述信息传递单元用于将判断单元的处理信息传递给所述控制单元；
所述控制单元基于接收到的信息，控制所述动力推进单元，并选择是否对所述无人船的行驶路径进行修正。
2.根据权利要求1所述一种无人船动态避障控制系统，其特征在于：其还包括计算单元；所述第一类检测模块搭载的传感器包括AIS信号接收机、船载固态雷达和声呐；所述第二类检测模块搭载的传感器包括光学传感器和红外传感器；所述第三类检测模块搭载的传感器至少包括加GPS、六轴陀螺仪 、电子海图和船体速度传感器；所述控制单元基于第三类检测模块获取的无人船运动信息，拟合出所述无人船的运动路径；当控制单元接收到有效碍航物信息时，所述计算单元根据碍航物信息计算修偏后的运动路径，并且控制单元根据修偏后的运动路径控制所述动力推进单元。
3.根据权利要求2所述一种无人船动态避障控制系统，其特征在于：所述碍航物信息包括位置信息、速度信息和碍航物的尺寸信息；所述预定阈值为1海里；当第一类检测模块和/或第二类检测模块检测到碍航物时，所述判断单元基于检测信息，调用所述判断单元中存储的碍航物和本船的数据关联系统，对碍航物信息和无人船的运动信息、无人船尺寸信息的相关性进行计算，判断其是否构成为有效碍航物；并对碍航物信息按权重进行排序，所述计算单元并依此计算修偏后的运动路径；基于下列公式计算避障最优路径：
Figure 135897DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中
Figure 133809DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 717237DEST_PATH_IMAGE003
分别为无人船沿
Figure 966953DEST_PATH_IMAGE004
轴、
Figure 686647DEST_PATH_IMAGE005
轴方向的速度，设从零点出发则，
Figure 730826DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 801551DEST_PATH_IMAGE005
为无人船在
Figure 589378DEST_PATH_IMAGE004
轴、
Figure 288213DEST_PATH_IMAGE005
轴上的位置；关于
Figure 768873DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 61314DEST_PATH_IMAGE003
的一范数的积分表达式
Figure 652832DEST_PATH_IMAGE006
如下所示：
Figure 81539DEST_PATH_IMAGE007
(2)
定义
Figure 998680DEST_PATH_IMAGE006
为路径计算的代价函数，其中
Figure 512838DEST_PATH_IMAGE008
为无人船起始点的时间，
Figure 908047DEST_PATH_IMAGE009
为无人船到达终点的时间；
存在他船和静态碍航物的情况下，要使无人船的避碰路径最优，需满足如下代价函数的表达式最小：
Figure 581474DEST_PATH_IMAGE010
(3)
其中
Figure 403936DEST_PATH_IMAGE011
为船舶编号，且代价函数(3)满足如下约束条件
Figure 405390DEST_PATH_IMAGE012
(4)
其中
Figure 604290DEST_PATH_IMAGE013
约束无人船与他船之间的安全距离；而
Figure 7590DEST_PATH_IMAGE014
约束无人船与静态碍航物之间的安全距离；
其中船-船不等式
Figure 735375DEST_PATH_IMAGE015
定义为：
Figure 489704DEST_PATH_IMAGE016
(5)
其中
Figure 85770DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure 609156DEST_PATH_IMAGE018
为各艘船舶周围的安全保护距离；
其中船-静态碍航物不等式
Figure 773421DEST_PATH_IMAGE019
定义为：
Figure 15046DEST_PATH_IMAGE020
(6)
其中
Figure 24590DEST_PATH_IMAGE021
是第
Figure 668061DEST_PATH_IMAGE022
个静态碍航物周围限制区域的中心；
Figure 737649DEST_PATH_IMAGE023
为第
Figure 466570DEST_PATH_IMAGE022
个静态碍航物限制区安全保护距离。
4.根据权利要求2所述一种无人船动态避障控制系统，其特征在于：当第一类检测模块和第二类检测模块同时检测到有效碍航物时，计算单元可向所述控制单元提供两种运动路径模式，为使无人船在预定阈值内外始终处于无障碍路径模式、使无人船在预定阈值内处于无障碍路径模式。
5.根据权利要求4所述一种无人船动态避障控制系统，其特征在于：所述控制单元还将所述无人船的航行方向按照角度划分为多个区域范围，并且对各个区域范围设置权重，将与无人船的航线附近沿航向方向具有小角度的区域范围设置为高权重。
6.根据权利要求5所述一种无人船动态避障控制系统，其特征在于：当第一类检测模块检测到碍航物时，所述判断单元对检测到的碍航物图像信息进行滤波，滤波图像的运动采用图像流通过运算从多个图像中提取出代表点，描述碍航物的运动矢量。
7.根据权利要求6所述一种无人船动态避障控制系统，其特征在于：所述无人船选择所述两种运动路径模式中的任意一种取决于碍航物的运动矢量。
8.根据权利要求7所述一种无人船动态避障控制系统，其特征在于：当在第一类检测模块或第二类检测模块分别检测到多个有效碍航物时，需要对各个模块搭载的传感器获取的检测信息做融合运算。
9.根据权利要求8所述一种无人船动态避障控制系统，其特征在于：还包括报警单元，该报警单元当在所述无人船的高权重区域检测到碍航物时且在预设距离值内无人船还未进行路径的修正时，通过声音通知所述无人船的远程控制人员。
10.根据权利要求9所述一种无人船动态避障控制系统，其特征在于：其还包括远程控制部，该远程控制部搭载在岸基的远程控制工作站上，当检测到碍航物时，通过视频将碍航物以及其所处位置信息显示给远程控制人员，该视频且能够实现72小时存储；所述远程控制部包括控制界面，远程控制人员可以通过指令键控制无人船的运行。
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