CN114089750A - 一种基于人工势场法的半物理无人船靠泊系统及测评方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于人工势场法的半物理无人船靠泊系统及测评方法，包括硬件系统和软件系统，其中，硬件系统包括船载模块和岸基模块，所述的船载模块包括船体，船体的船首搭载有罗盘，船舷两侧分别安装有多个测距仪，船体上安装有定位系统、信号处理接收机和监控模块，所述的信号处理接收机与岸基模块连接，所述船体侧面搭载有多个侧推器。本发明确定了一种全新的泊位领域划分办法，分为抵泊区和靠泊区；本发明的硬件系统包括一艘模型船，搭载了一套测试装置，该模型船可以通过实验的方式来模拟任意一条待测船舶；软件系统包括一套用于对无人船靠泊测评的测试方法。
Description
技术领域
本发明涉及船舶靠泊测试技术领域，尤其涉及一种基于人工势场法的半物理无人船靠泊系统及测评方法。
背景技术
在人工智能、大数据、物联网的科技背景下，无人船舶逐渐成为行业焦点和发展的趋势。无人船舶技术综合性强，覆盖面广，涉及多门学科、多个领域，而船舶自主靠离泊技术则是研究无人船舶技术的一个重点。考虑到船舶在自主靠离泊过程中存在惯性大，操纵性、航向稳定性弱等缺点，必须要对该技术实现进行测试。但实船测试风险大，成本高，可操作性不强，而且现阶段还没有一种明确的对于靠泊领域的划分。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种基于人工势场法的半物理无人船靠泊系统及测评方法。
技术方案：本发明包括硬件系统和软件系统，其中，硬件系统包括船载模块和岸基模块，所述的船载模块包括船体，船体的船首搭载有罗盘，船舷两侧分别安装有多个测距仪，船体上安装有定位系统、信号处理接收机和监控模块，所述的信号处理接收机与岸基模块连接，所述船体侧面搭载有多个侧推器。
所述的定位系统包括差分GPS和差分电台、GPS天线，所述的GPS天线安装在船体的首部和中部，既能保证定位，又能保证艏向角的精准测量。
所述的监控模块为电台和摄像头，所述的电台和摄像头与指挥中心连接，从而使指挥中心可以直接看到以船为第一视角的航行状态。
所述船体的靠泊区域划分为抵泊区和靠岸区。
所述的岸基模块加在湖面或岸上，给船舶提供厘米级的相对位置。
所述软件系统的评估包括无人船的态势感知系统、船端操作系统和岸基支持交互系统。
一种基于人工势场法的半物理无人船靠泊系统的测评方法，包括以下步骤：
S1:待测船舶进入港口，岸基模块接收待测船舶的参数信息和停泊周围的环境信息，进行任务规划；
S2:岸基将接收的待测船舶和停泊周围环境信息发送给测评船模上搭载的信号处理接收机；
S3:测评船舶基于待测船舶、停泊周围环境和传感器采集的信息，结合人工势场法进行靠泊路径规划；
S4:依据规划的路径，将操作指令传给船基操作系统，操作系统产生相应的操作命令，使测评船模按规定航行到抵泊区内；
S5:船舶到达抵泊区内，停止航行，基于实时获取的船舶速度和船舶距离泊位的船位距离，启动侧推器使船进入泊位；
S6:测评系统存储船舶整个靠泊过程中的操作指令及船舶的状态信息来进行测评。
所述步骤S1中待测船舶的参数信息包括航速、回转半径和侧推能力。
所述步骤S1中停泊周围的环境信息包括泊位位置和障碍物状态信息。
有益效果：本发明确定了一种全新的泊位领域划分办法，分为抵泊区和靠泊区；本发明的硬件系统包括一艘模型船，搭载了一套测试装置，该模型船可以通过实验的方式来模拟任意一条待测船舶；软件系统包括一套用于对无人船靠泊测评的测试方法；同时也确定了一种全新的抵泊域的设定方案，并在此基础上，创建了一套港口内短距离导航方案，用于测评自动靠泊。
附图说明
图1为本发明的俯视图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的靠泊区域划分示意图一；
图4为本发明的靠泊区域划分示意图二；
图5为本发明的软件系统测评图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的测评系统包括硬件系统和软件系统，其中，硬件系统包括船载模块和岸基模块，船载模块包括船体，船体的船首搭载高精度的电子罗盘1，在精准测量艏向的同时，也可测量船体的横倾角和纵倾角；船舷两侧分别安装有两个激光测距仪2，用来测量船体和岸之间的距离；船体上安装有差分GPS和差分电台3、信号处理接收机4、电台和摄像头5，其中，差分GPS和差分电台3用来定位；信号处理接收机4与岸基模块连接，用来接收和处理信号；电台和摄像头5与指挥中心连接，从而使指挥中心可以直接看到以船为第一视角的航行状态。船体的首部和中部均安装有GPS天线6，既能保证定位，又能保证艏向角的精准测量。
如图2所示，船体的船头和船尾分别搭载了侧推器7，可以实现双侧推，既可以是全驱，也可切换为欠驱。岸基模块加在湖面或是岸上，给船舶提供厘米级的相对位置，船舶若只靠船载GPS来定位的话，精度大概是1.5m左右，而岸基能把精度精确到厘米级。
船体的靠泊区域划分为抵泊区和靠岸区，如图3和图4所示分别为不同靠泊方向下的区域划分，主要包括抵泊阶段和靠岸阶段。抵泊阶段为船舶从制动开始到抵达泊位的运动过程，其主要运动范围在抵泊区，根据靠岸时船头的朝向不同，所对应的抵泊区的范围也不同，船舶可由图中所示的多个方向接近泊位前沿水域，抵泊区域的范围可由距离L以及角度
确定，其中，L为扇形抵泊区的两条半径长度，
和
分别为抵泊区的两条半径与靠岸区及泊位前沿之间的夹角，L可取3-5倍船长，角度
可取15°～30°左右，角度
可取60°～75°左右。靠岸阶段是指船舶从泊位前沿水域向码头靠拢的运动过程。
本发明的测试方法包括以下步骤：
S1:待测船舶进入港口，岸基模块一方面接收测试者输入的待测船舶的参数信息，包括航速、回转半径和侧推能力等，另一方面接收停泊周围的环境信息，包括泊位位置和障碍物状态信息等，结合待测船舶和停泊周围环境信息，来进行任务规划；
S2:岸基将接收的待测船舶和停泊周围环境信息发送给测评船模上搭载的信号处理接收机4；
S3:测评船舶基于待测船舶、停泊周围环境和传感器采集的信息，结合人工势场法进行短途的靠泊路径规划，人工势场法的基本原理是将船舶假设成一个点，该点在一个虚拟力场中运动，虚拟力场是由目标点对船舶的引力场和障碍物对船舶的斥力场组成，本实施例中，引力场由输入的泊位位置坐标产生，斥力场是由周围所有的障碍船及障碍物产生的和力场组成；
S4:依据规划的路径，将操作指令传给船基操作系统，操作系统产生相应的操作命令，使测评船模按规定航行到抵泊区内；
S5:船舶到达抵泊区内，停止航行，基于实时获取的船舶速度和船舶距离泊位的船位距离，启动侧推器7使船进入泊位；
S6:测评系统存储船舶整个靠泊过程中的操作指令及船舶的状态信息来进行测评。
测试时要求完成对障碍船和障碍物的避碰，在到达靠岸区之前，即在抵泊区内，惯性余速不能超过要求的标准值，及时调整航速和方向，使在到达泊位时游移至与靠岸区基本平行，同时速度和角度满足性能要求的规定，利用双侧推器使船舶安全驶入预定泊位。
本发明可完全采用硬件系统来测评，即用上述模型测试系统来测评，该模型船提供双桨双舵，有很强的操纵性，在航速、回转半径和侧推能力等完全匹配的条件下，该模型船可以通过实验的方式来模拟任意一条待测船舶。也可以完全使用软件系统来测评，由测评系统提供测评方案来测试待测船舶的靠泊性能。也可用软件系统和硬件系统相结合的测评方式，当软件系统和硬件系统测评结果有出入时，以硬件系统测评结果为准，即以模型测试系统为准。
软件系统的测评过程如图5所示，基于半物理试验模型，本发明可以结合自动靠泊物理仿真系统，对实船的自动靠泊能力进行评估。评估主要包括无人船的态势感知系统、船端操作系统、岸基支持交互系统三方面。在靠泊时，无人船的环境感知能力、操纵性都决定了是否能够靠泊成功，在靠泊前，结合实船的自身能力，对实船能力进行评估，判断结果，同时使用上述仿真模型进行测试，获取得到最终的结论，并与测评系统比对。
测评时，环境感知系统对靠泊过程起到关键作用，无人船自身获取环境参数的能力，是测评系统打分的重要点之一，同时推进能力也是重要打分点。其余参数作为辅助打分系统。
测评系统的主要目标是在船舶制造之前或下水后，进行一个评估，通过半物理的模型试验为基础，推断无人艇自主靠泊能力的重要指标。
Claims (9)
1.一种基于人工势场法的半物理无人船靠泊系统，其特征在于，包括硬件系统和软件系统，其中，硬件系统包括船载模块和岸基模块，所述的船载模块包括船体，船体的船首搭载有罗盘，船舷两侧分别安装有多个测距仪，船体上安装有定位系统、信号处理接收机(4)和监控模块，所述的信号处理接收机(4)与岸基模块连接，所述船体侧面搭载有多个侧推器(7)。
2.根据权利要求1所述的一种基于人工势场法的半物理无人船靠泊系统，其特征在于，所述的定位系统包括差分GPS和差分电台(3)、GPS天线(6)，所述的GPS天线(6)安装在船体的首部和中部。
3.根据权利要求1所述的一种基于人工势场法的半物理无人船靠泊系统，其特征在于，所述的监控模块为电台和摄像头(5)，所述的电台和摄像头(5)与指挥中心连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于人工势场法的半物理无人船靠泊系统，其特征在于，所述船体的靠泊区域划分为抵泊区和靠岸区。
5.根据权利要求1所述的一种基于人工势场法的半物理无人船靠泊系统，其特征在于，所述的岸基模块加在湖面或岸上。
6.根据权利要求1所述的一种基于人工势场法的半物理无人船靠泊系统，其特征在于，所述软件系统的评估包括无人船的态势感知系统、船端操作系统和岸基支持交互系统。
7.基于权利要求1～6任一项所述的一种基于人工势场法的半物理无人船靠泊系统的测评方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:待测船舶进入港口，岸基模块接收待测船舶的参数信息和停泊周围的环境信息，进行任务规划；
S2:岸基将接收的待测船舶和停泊周围环境信息发送给测评船模上搭载的信号处理接收机；
S3:测评船舶基于待测船舶、停泊周围环境和传感器采集的信息，结合人工势场法进行靠泊路径规划；
S4:依据规划的路径，将操作指令传给船基操作系统，操作系统产生相应的操作命令，使测评船模按规定航行到抵泊区内；
S5:船舶到达抵泊区内，停止航行，基于实时获取的船舶速度和船舶距离泊位的船位距离，启动侧推器使船进入泊位；
S6:测评系统存储船舶整个靠泊过程中的操作指令及船舶的状态信息来进行测评。
8.基于权利要求7所述的一种基于人工势场法的半物理无人船靠泊系统的测评方法，其特征在于，所述步骤S1中待测船舶的参数信息包括航速、回转半径和侧推能力。
9.基于权利要求7所述的一种基于人工势场法的半物理无人船靠泊系统的测评方法，其特征在于，所述步骤S1中停泊周围的环境信息包括泊位位置和障碍物状态信息。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114253278A (zh) * | 2022-03-02 | 2022-03-29 | 山东科技大学 | 一种基于多天线的船舶进港停泊辅助系统、方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005076372A (ja) * | 2003-09-02 | 2005-03-24 | Shipbuilding Research Centre Of Japan | バースシステム |
| KR20100097586A (ko) * | 2009-02-26 | 2010-09-03 | 한국과학기술원 | 선박 접안 시스템, 선박 접안 장치, 및 선박 접안 방법 |
| CN109285389A (zh) * | 2018-09-18 | 2019-01-29 | 广州中国科学院沈阳自动化研究所分所 | 一种无人船自动靠泊系统及方法 |
| CN110427038A (zh) * | 2019-08-29 | 2019-11-08 | 广州中国科学院沈阳自动化研究所分所 | 一种无人船全自动靠泊系统及靠泊方法 |
| CN111498055A (zh) * | 2020-05-09 | 2020-08-07 | 智慧航海（青岛）科技有限公司 | 用于对智能船舶自动靠离泊测试的测试装置及测试方法 |
| KR102223363B1 (ko) * | 2020-06-16 | 2021-03-05 | 이상창 | 선박 자동정박 시스템 |
| CN113009909A (zh) * | 2021-02-03 | 2021-06-22 | 武汉理工大学 | 船岸协同单船自主靠系泊系统及其控制方法 |
| CN113050652A (zh) * | 2021-03-25 | 2021-06-29 | 上海海事大学 | 一种用于智能船舶自动靠泊的轨迹规划方法 |
-
2021
- 2021-11-10 CN CN202111325190.0A patent/CN114089750A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005076372A (ja) * | 2003-09-02 | 2005-03-24 | Shipbuilding Research Centre Of Japan | バースシステム |
| KR20100097586A (ko) * | 2009-02-26 | 2010-09-03 | 한국과학기술원 | 선박 접안 시스템, 선박 접안 장치, 및 선박 접안 방법 |
| CN109285389A (zh) * | 2018-09-18 | 2019-01-29 | 广州中国科学院沈阳自动化研究所分所 | 一种无人船自动靠泊系统及方法 |
| CN110427038A (zh) * | 2019-08-29 | 2019-11-08 | 广州中国科学院沈阳自动化研究所分所 | 一种无人船全自动靠泊系统及靠泊方法 |
| CN111498055A (zh) * | 2020-05-09 | 2020-08-07 | 智慧航海（青岛）科技有限公司 | 用于对智能船舶自动靠离泊测试的测试装置及测试方法 |
| KR102223363B1 (ko) * | 2020-06-16 | 2021-03-05 | 이상창 | 선박 자동정박 시스템 |
| CN113009909A (zh) * | 2021-02-03 | 2021-06-22 | 武汉理工大学 | 船岸协同单船自主靠系泊系统及其控制方法 |
| CN113050652A (zh) * | 2021-03-25 | 2021-06-29 | 上海海事大学 | 一种用于智能船舶自动靠泊的轨迹规划方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 陈耀林: "港船协同作业一体化安全监测技术研究", 《工程科技Ⅰ辑》, pages 17 - 21 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114253278A (zh) * | 2022-03-02 | 2022-03-29 | 山东科技大学 | 一种基于多天线的船舶进港停泊辅助系统、方法 |
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