CN114115264A - 无人船测绘航行系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人船测绘航行系统及其控制方法，其系统包括定位模块、决策控制单元、运动控制单元、环境感知单元、海事雷达、激光雷达和毫米波雷达；所述定位模块接收导航设备数据，获取无人船的位姿状态，位姿状态包括所述无人船的经纬度、高度、航速、航向和转向率；所述决策控制单元根据计划线、定位信息以及感知的水岸分界线信息，规划目标轨迹，并传输至所述运动控制单元。本发明能有效降低无人船测绘航行中的撞岸、搁浅风险，切能提高无人船测绘工作效率。

Description

无人船测绘航行系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及无人船领域，更具体地说，涉及一种无人船测绘航行系统及其控制方法。

背景技术

水下地形测绘是测绘工作的一个重要组成部分，测绘获得河道纵横断面、水深等水下地形数据。此数据的完整性和准确性直接影响包括水域施工、水下救援、河道疏浚等工作的正常开展。

水下地形测绘，特别是河道测量，经历了从传统手工测量，到有人船只搭载测深仪测量，再到近期使用无人船搭载测深仪遥控或自动测量的阶段。测量效率逐步提高，降低了测量人员劳动强度和涉水风险。

水深测量作业中，测量单位设计江河计划测线，测绘船只搭载定位模块以及水深测量设备，在江河中跟踪计划测线航行，同时搭载测深设备实时记录位置和水深数据，最终采用软件或人工计算的方式生成水下地形数据。

计划测线作为测量目标，用于长期监测江河断面变化。江河水量变化引起的水位变化导致在丰水期和枯水期的实际水岸分界线位置变化很大，经常出现测线端点在无法航行的浅滩、陆地情况。

目前，江河无人船测量过程主要采用以下手段，正式测绘前手动遥控船只航行，通过船只航行轨迹认为判定当前河道水岸分界线位置。测量人员根据水岸分界线位置调整无人船航行目标轨迹，控制无人船在调整后的测线航行。测线调整一致性差，工作量大，可靠性较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种能有效降低无人船测绘航行中的撞岸、搁浅风险，切能提高无人船测绘工作效率的无人船测绘航行系统及其控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种无人船测绘航行系统，包括定位模块、决策控制单元、运动控制单元、环境感知单元、海事雷达、激光雷达和毫米波雷达；

所述定位模块接收导航设备数据，获取无人船的位姿状态，位姿状态包括所述无人船的经纬度、高度、航速、航向和转向率；

所述决策控制单元根据计划线、定位信息以及感知的水岸分界线信息，规划目标轨迹，并传输至所述运动控制单元；

所述运动控制单元接收所述决策控制单元发送的无人船的目标轨迹，结合所述定位模块计算的所述位姿信息，实时计算无人船所需动力分配并执行反馈，控制执行机构输出合适的无人船前进推力及转向力，驱动无人船按目标轨迹运动；

所述环境感知单元接收传感器数据包括：海事雷达回波图像信息、激光雷达三维点云信息和毫米波雷达回波分布，结合定位模块位姿数据，计算无人船附近水岸线分界线在大地坐标系中二维投影，并生成多点线段包络水岸分界线。

按上述方案，所述定位模块接收多系统卫星导航信号，并采用定点RTK或网络差分实时修正定位精度，并结合惯性传感器采集的多轴加速度、角速度的信息，深度耦合后输出精准无人船的位置、航向、速度、转向率。

本发明还提供一种无人船测绘航行系统的控制方法，包括如下步骤：

S1、所述决策控制单元实时计算无人船的当前位置与附近所有水岸分界线的最近距离；

S2、所述决策控制单元实时计算无人船的目标航线与附近水岸分界线的穿越关系；

S3、所述决策控制单元判断无人船距水岸分界线距离小于安全距离，且目标航线穿越水岸分界线，决策所述控制单元放弃当前目标航点，执行后续任务；

S4、所述决策控制单元判断无人船距水岸分界线距离小于安全距离，且目标航线不穿越水岸分界线，所述决策控制单元规划远离岸线轨迹，驱动无人船向目标位置航行。

按上述方案，所述步骤S1具体为：

S101、所述决策控制单元获取无人船实时位置；

S102、计算无人船位置到水岸分界线各线段距离；

S103、当无人船的当前位置到线段投影落在线段内，将投影距离记为到水岸分界线各线段距离；

S104、当无人船的当前位置到线段投影落在线段外，将位置到线段两端点距离的较小值11记为到此线段距离；

S105、所述决策控制单元寻找无人船到各线段距离的最小值，记为无人船到水岸分界线距离。

按上述方案，所述步骤S2具体为：

S201、所述决策控制单元获取无人船的目标位置，与当前位置连线形成目标航线；

S202、计算目标航线与水岸分界线各线段穿越关系，存在至少一条线段与目标航线为穿越关系，判定目标航线与水岸分界线存在穿越。

按上述方案，所述步骤S3具体为：

S301、所述决策控制单元识别无人船的当前位置与水岸分界线距离小于设定的安全阈值时，启动水岸分界线保护子程序，其中安全阈值依据无人船回转半径设定，

S302、目标航线与水岸分界线存在穿越关系，判定当前目标位置无人船不可到达，放弃当前目标航线，继续执行后续目标位置导航控制。

按上述方案，所述步骤S4具体为：

S401、所述决策控制单元识别无人船的当前位置与水岸分界线距离小于设定的安全阈值时，启动水岸分界线保护子程序；

S402、目标航线与水岸分界线不存在穿越关系，无人船的当前目标位置可以到达，保护子程序实时规划运动方向，向目标航点运动，同时无人船保持与水岸分界线安全距离；

S403、计算目标轨迹航向，判定目标轨迹与水岸分界线距离小于安全阈值，调整目标轨迹，使无人船与水岸分界线距离始终大于安全阈值。

实施本发明的无人船测绘航行系统，具有以下有益效果：

本发明无人船测绘航行系统及其控制方法为无人船测绘过程提供实时获得水岸分界线信息，决策控制单元依据水岸分界线自主选择航线转换或循岸航行，避免由于计划测线位置水深过浅引起的搁浅风险以及计划测线延伸到岸上导致的撞岸风险，提高了无人船测绘的安全性和工作效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明无人船测绘航行系统的结构示意图；

图2为水岸分界线距离计算示意图；

图3为水岸分界线与目标航线关系示意图；

图4为无人船测绘航行轨迹示意图；

图5为系统控制方法流程图；

1、无人船；2、定位模块；3、环境感知单元；4、决策控制单元；5、运动控制单元；6、海事雷达；7、激光雷达；8、毫米波雷达；9、水岸分界；10、识别的水岸分界线；11、无人船到线段投影距离；12、无人船到线段端点距离；13、目标航线。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-5所示，本发明的无人船测绘航行系统包括定位模块2、决策控制单元4、运动控制单元5、环境感知单元3、海事雷达6、激光雷达7和毫米波雷达8。

定位模块2接收导航设备数据，获取无人船位姿状态，位姿状态包括所述无人船经纬度、高度、航速、航向和转向率。其中，定位模块接收多系统卫星导航信号，并采用定点RTK或网络差分实时修正定位精度；定位模块结合惯性传感器采集的多轴加速度、角速度等信息，深度耦合后输出精准的位置、航向、速度、转向率等信息，供其他计算单元使用。

决策控制单元4根据计划线、定位信息以及感知的水岸分界线信息，规划目标轨迹，并传输至运动控制单元5；运动控制单元5根据目标轨迹，控制动力系统驱动无人船1航行。

运动控制单元5接收决策控制单元4发送的无人船1的目标轨迹，结合定位模块2计算的位姿信息，实时计算无人船1所需动力分配并执行反馈，控制执行机构输出合适的无人船1前进推力及转向力，驱动无人船1按目标轨迹运动。

环境感知单元3用于接收海事雷达6、激光雷达7以及毫米波雷达8的实时数据，结合定位模块2结果，实时计算无人船1周围水岸分界线信息、并将计算结果传输至决策控制单元4。环境感知单元3接收传感器的数据包括：海事雷达6的回波图像信息、激光雷达7的三维点云信息和毫米波雷达8的回波分布，结合定位模块2的位姿数据，计算无人船1附近水岸线分界线在大地坐标系中二维投影，并生成多点线段包络水岸分界线。如图2所示，识别的水岸分界线10多点线段完全包络水岸分界9。

本发明的无人船测绘航行系统的控制方法，决策控制单元4根据计划线、定位信息以及感知的水岸分界线信息，规划目标轨迹，包括如下步骤：

S1、决策控制单元4实时计算无人船1的当前位置与附近所有水岸分界线的最近距离；具体包括如下内容：

S101、决策控制单元4获取无人船1实时位置；

S102、计算无人船1位置到水岸分界线各线段距离；

S103、当无人船1的当前位置到线段投影落在线段内，将投影距离记为到水岸分界线各线段距离；

S104、当无人船1的当前位置到线段投影落在线段外，将位置到线段两端点距离的较小值记为到此线段距离；

S105、决策控制单元4寻找无人船1到各线段距离的最小值，记为无人船1到水岸分界线距离。

S2、决策控制单元4实时计算无人船1的目标航线13与附近水岸分界线的穿越关系；具体包括如下内容：

S201、决策控制单元4获取无人船1的目标位置，与当前位置连线形成目标航线13；

S202、计算目标航线13与水岸分界线各线段穿越关系，存在至少一条线段与目标航线13为穿越关系，判定目标航线13与水岸分界线存在穿越。

S3、决策控制单元4判断无人船1距水岸分界线距离小于安全距离，且目标航线13穿越水岸分界线，决策控制单元4放弃当前目标航点，执行后续任务；具体包括如下内容：

S301、决策控制单元4识别无人船1的当前位置与水岸分界线距离小于设定的安全阈值时，启动水岸分界线保护子程序，其中安全阈值依据无人船1回转半径设定，

S302、目标航线13与水岸分界线存在穿越关系，判定当前目标位置无人船1不可到达，放弃当前目标航线13，继续执行后续目标位置导航控制。

S4、决策控制单元4判断无人船1距水岸分界线距离小于安全距离，且目标航线13不穿越水岸分界线，决策控制单元4规划远离岸线轨迹，驱动无人船1向目标位置航行，具体包括如下内容：

S401、决策控制单元4识别无人船1的当前位置与水岸分界线距离小于设定的安全阈值时，启动水岸分界线保护子程序；

S402、目标航线13与水岸分界线不存在穿越关系，无人船1的当前目标位置可以到达，保护子程序实时规划运动方向，向目标航点运动，同时无人船1保持与水岸分界线安全距离；

S403、计算目标轨迹航向，判定目标轨迹与水岸分界线距离小于安全阈值，调整目标轨迹，使无人船1与水岸分界线距离始终大于安全阈值。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种无人船测绘航行系统，其特征在于，包括定位模块、决策控制单元、运动控制单元、环境感知单元、海事雷达、激光雷达和毫米波雷达；

所述定位模块接收导航设备数据，获取无人船的位姿状态，位姿状态包括所述无人船的经纬度、高度、航速、航向和转向率；

所述决策控制单元根据计划线、定位信息以及感知的水岸分界线信息，规划目标轨迹，并传输至所述运动控制单元；

所述运动控制单元接收所述决策控制单元发送的无人船的目标轨迹，结合所述定位模块计算的所述位姿信息，实时计算无人船所需动力分配并执行反馈，控制执行机构输出合适的无人船前进推力及转向力，驱动无人船按目标轨迹运动；

所述环境感知单元接收的传感器数据包括：海事雷达回波图像信息、激光雷达三维点云信息和毫米波雷达回波分布，所述环境感知单元结合定位模块位姿数据，计算无人船附近水岸线分界线在大地坐标系中二维投影，并生成多点线段包络水岸分界线。

2.根据权利要求1所述的无人船测绘航行系统，其特征在于，所述定位模块接收多系统卫星导航信号，并采用定点RTK或网络差分实时修正定位精度，并结合惯性传感器采集的多轴加速度、角速度的信息，深度耦合后输出无人船的位置、航向、速度、转向率。

3.一种利用权利要求1所述的无人船测绘航行系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、所述决策控制单元实时计算无人船的当前位置与附近所有水岸分界线的最近距离；

S2、所述决策控制单元实时计算无人船的目标航线与附近水岸分界线的穿越关系；

S3、所述决策控制单元判断无人船距水岸分界线距离小于安全距离，且目标航线穿越水岸分界线，决策所述控制单元放弃当前目标航点，执行后续任务；

S4、所述决策控制单元判断无人船距水岸分界线距离小于安全距离，且目标航线不穿越水岸分界线，所述决策控制单元规划远离岸线轨迹，驱动无人船向目标位置航行。

4.根据权利要求3所述的无人船测绘航行系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

S101、所述决策控制单元获取无人船实时位置；

S102、计算无人船位置到水岸分界线各线段距离；

S103、当无人船的当前位置到线段投影落在线段内，将投影距离记为到水岸分界线各线段距离；

S104、当无人船的当前位置到线段投影落在线段外，将位置到线段两端点距离的较小值记为到此线段距离；

S105、所述决策控制单元寻找无人船到各线段距离的最小值，记为无人船到水岸分界线距离。

5.根据权利要求3所述的无人船测绘航行系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

S201、所述决策控制单元获取无人船的目标位置，与当前位置连线形成目标航线；

S202、计算目标航线与水岸分界线各线段穿越关系，存在至少一条线段与目标航线为穿越关系，判定目标航线与水岸分界线存在穿越。

6.根据权利要求3所述的无人船测绘航行系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

S301、所述决策控制单元识别无人船的当前位置与水岸分界线距离小于设定的安全阈值时，启动水岸分界线保护子程序，其中安全阈值依据无人船回转半径设定；

S302、目标航线与水岸分界线存在穿越关系，判定当前目标位置无人船不可到达，放弃当前目标航线，继续执行后续目标位置导航控制。

7.根据权利要求3所述的无人船测绘航行系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：

S401、所述决策控制单元识别无人船的当前位置与水岸分界线距离小于设定的安全阈值时，启动水岸分界线保护子程序；

S402、目标航线与水岸分界线不存在穿越关系，无人船的当前目标位置可以到达，保护子程序实时规划运动方向，向目标航点运动，同时无人船保持与水岸分界线安全距离；

S403、计算目标轨迹航向，判定目标轨迹与水岸分界线距离小于安全阈值，调整目标轨迹，使无人船与水岸分界线距离始终大于安全阈值。

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