CN114238443A - 一种基于物联网的无人船测试信息集成采集方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的无人船测试信息集成采集方法，所述方法包括无人船测试信息采集浮标基于网络模式自动选择获取测试区域内行驶过的无人船测试信息；将不同位置的浮标采集到的测试信息集成融合，由各个浮标采集到的测试信息综合得到最终无人船测试结果；浮标将所述无人船测试信息及结果发送至监控系统，由监控系统显示无人船测试信息及结果并保存。所述系统包括无人船测试信息采集网络和监控系统。本发明提出的无人船测试信息集成采集方法具有良好的协同性、兼容性及关联性。

Description

一种基于物联网的无人船测试信息集成采集方法及系统

技术领域

本发明涉及船舶测控技术领域，尤其涉及一种基于物联网的无人船测试信息集成采集方法及系统。

背景技术

随着人工智能技术的发展，无人驾驶技术得到快速发展，无人船无需人员艇上作业，可以很好地完成海上作业任务，无人船得到了广泛应用。

同时对无人船航行性能的评估至关重要，评估无人船自主航行性能需要获得无人船航行过程中的实时位置、航行轨迹等状态信息，倘若把测量仪器直接安装在被测无人船上，被测无人船自主航行性能容易受影响，故需要一种独立于被测无人船的监测手段获取被测无人船航行信息。相对于其它海洋监测手段，以浮标为载体的检测技术在自动化、连续性以及长期等方面具有良好特征表现，是现代海洋环境立体监测系统的重要组成部分。目前浮标主要用于水文气象信息采集观测和海域监控，而针对无人船性能测试的监测浮标研究尚未见报道。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于物联网的无人船测试信息集成采集方法及系统，通过无人船测试信息采集浮标基于网络模式自动选择获取测试区域内行驶过的无人船测试信息，布置在不同位置的各个浮标之间基于物联网通过语义通信进行实时信息交互，将不同位置的浮标采集到的测试信息集成融合，最终由各个浮标采集到的测试信息综合得到最终无人船测试结果；无人船测试信息采集浮标包括海上浮标本体和安装在浮标上的各传感设备，无人船测试信息为由无人船测试信息采集浮标上的各传感设备采集到的无人船运动信息。无人船测试信息采集浮标将所述无人船测试信息及结果发送至所述监控系统，由监控系统显示无人船测试信息及结果并保存；网络模式自动选择为所述无人船测试信息采集网络中不同网络模式的所述无人船测试信息采集设备，根据对所述浮标的探测识别所获得的以下任一或组合的信息对其当前服务使能与服务范围进行自动选择：当前所述浮标的类别权限及工作状态，当前无人船测试信息信息采集任务对服务范围的适合性，当前对无人船测试信息信息采集的所述网络模式的优先性与可获得性，和基于所述无人船测试信息信息采集服务应用模块进行设置所述网络模式自动选择的机制及其切换条件。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种基于物联网的无人船测试信息集成采集方法，包括：

无人船测试信息采集浮标基于网络模式自动选择获取测试区域内行驶过的无人船测试信息；

将不同位置的浮标采集到的测试信息集成融合，由各个浮标采集到的测试信息综合得到最终无人船测试结果；

浮标将所述无人船测试信息及结果发送至监控系统，由监控系统显示无人船测试信息及结果并保存。

一种基于物联网的无人船测试信息集成采集系统，包括：无人船测试信息采集网络和监控系统；

无人船测试信息采集网络由基于智能物联网、移动通讯网平台的与无人船测试信息采集浮标所构成；所述无人船测试信息采集浮标，用于网络模式自动选择获取测试区域内行驶过的无人船测试信息，布置在不同位置的各个浮标之间基于物联网通过语义通信进行实时信息交互，将不同位置的浮标采集到的测试信息集成融合，最终由各个浮标采集到的测试信息综合得到最终无人船测试结果；以及将无人船测试信息及结果发送至所述监控系统；

监控系统，显示无人船测试信息及结果并保存。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

通过放置于测试区域的无人船测试信息采集浮标对行驶过测试区域的无人船进行测试信息集成采集，克服了测量仪器直接安装在被测无人船上测试结果易被影响的缺点，具备响应速度快、对恶劣海况适应性好和测量精度高等优点。

附图说明

图1是基于物联网的无人船测试信息集成采集方法流程图；

图2是无人船测试信息集成采集系统总体框架图；

图3是无人船测试信息集成采集系统软件框架图；

图4是识别浮标障碍物距离测试流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，基于物联网的无人船测试信息集成采集方法流程，包括：

无人船测试信息采集浮标基于网络模式自动选择获取测试区域内行驶过的无人船测试信息；

将不同位置的浮标采集到的测试信息集成融合，由各个浮标采集到的测试信息综合得到最终无人船测试结果；

浮标将所述无人船测试信息及结果发送至监控系统，由监控系统显示无人船测试信息及结果并保存。

所述物联网包括各无人船测试信息采集浮标之间的网络和监控采集设备的监控系统，无人船测试信息采集网络由基于智能物联网、移动通讯网平台与无人船测试采集设备所构成。

所述无人船测试信息采集浮标以正多变形各顶点的形式均匀分布在测试区域内周边不同的位置，不同位置的各个无人船测试信息采集浮标之间基于物联网通过语义通信进行实时信息交互，然后将不同位置的浮标采集到的同一无人船的测试信息集成融合；

所述无人船测试信息采集浮标包括海上浮标本体和安装在浮标上的各传感设备，所述传感设备包括DGPS与三维激光雷达，通过二者融合解算无人船测试信息；

无人船测试信息为：由无人船测试信息采集浮标上的各传感设备采集到的无人船运动信息，包括无人船的速度、无人船在各时刻的位置及无人船的外尺寸。

所述网络模式自动选择为：无人船测试信息采集网络中不同网络模式的浮标，根据浮标的探测识别所获得的任一或组合的信息对当前服务使能与服务范围进行自动选择。

所述语义通信包括语义通信协议和语义通信方法，其中，语义通信协议包括协议包长度字段、发送方标识字段、语义长度字段、语义字段、数据包个数字段和数据部分，紧急程度字段、加密算法描述长度字段、加密算法描述字段、加密算法字段、自定义加密描述长度字段和自定义加密描述字段。

所述语义通信协议进行数据组包和解析，具体包括：

设备加载已定义语义集；

设备间建立连接；

按照语义通信协议进行待发送数据组包，得到语义报文，并发送；

接收语义报文并按照所述语义通信协议进行报文解析。

所述无人船测试信息采集浮标基于网络模式自动选择具有协同处理机制，其中，协同处理机制包括在所述无人船测试信息采集浮标无法连接默认或优先的网络模式或无人船测试信息采集浮标且符合预设条件时，由另一网络模式对浮标启动无人船测试信息采集服务。

所述无人船测试信息采集浮标将无人船测试信息集成采集结果上传至所述监控系统，包括：

无人船测试信息采集浮标与监控系统建立网络数据通讯连接，网络数据通讯以实时数据通讯方式与/或非实时数据同步方式，将所述无人船测试时间范围所对应的无人船测试采集信息的数据包上传至所述监控系统，其中网络数据通讯以实时数据通讯方式与/或非实时数据同步方式上传至所述监控系统；

所述浮标与监控系统通过网络通讯协议接口参数给定无人船测试时间范围。

所述监控系统显示无人船的测试信息及结果，待测无人船在移动过程中，会通过监控系统内的图标在显示屏地图上移动，形成移动轨迹，显示屏地图根据实际需要定义为二维图形或三维图形，待测无人船行驶过测试区域后，在监控系统内的显示屏表格输出测试结果。

无人船测试信息采集网络和监控系统；

无人船测试信息采集网络由基于智能物联网、移动通讯网平台的与无人船测试信息采集浮标所构成；所述无人船测试信息采集浮标，用于网络模式自动选择获取测试区域内行驶过的无人船测试信息，布置在不同位置的各个浮标之间基于物联网通过语义通信进行实时信息交互，将不同位置的浮标采集到的测试信息集成融合，最终由各个浮标采集到的测试信息综合得到最终无人船测试结果；以及将无人船测试信息及结果发送至所述监控系统；

监控系统，显示无人船测试信息及结果并保存。

所述无人船测试信息采集浮标包括海上浮标本体和安装在浮标上的各传感设备，所述无人船测试信息为：由无人船测试信息采集设备上地的各传感设备采集到的无人船运动信息。

所述网络模式自动选择为：无人船测试信息采集网络中不同网络模式的无人船测试信息采集浮标，根据对无人船测试信息采集设备的探测识别所获得的任一或组合的信息对当前服务使能与服务范围进行自动选择，包括：

当前无人船测试信息采集浮标的类别权限及工作状态，当前无人船测试信息信息采集任务对服务范围的适合性，当前对无人船测试信息信息采集的网络模式的优先性与可获得性，和基于无人船测试信息信息采集服务应用模块进行设置网络模式自动选择的机制及其切换条件。

具体实施例

基于物联网的无人船测试信息集成采集系统主要由网络化的多个浮标和监控系统组成。网络中每个浮标是整个测试系统的一个局部节点，在每个浮标上安装测试信息传感采集设备，布置在不同位置的各个无人船测试信息采集浮标之间基于物联网通过语义通信进行实时信息交互，将不同位置的浮标采集到的测试信息集成融合，将监测到的无人船航行数据传入监控系统进行综合分析，从而通过数据对无人船性能进行量化评估。

根据测试系统的控制流程，将无人船测试信息集成采集系统需要完成的功能分为传感数据采集、信息过滤、浮标的运动控制和数据传输。首先浮标测控系统先接收从岸基发送的运动指令，控制推进器运动至相应位置。然后浮标上传感器感知测试海域内所有物体信息，过滤掉所有非无人艇传感数据后，进行传感数据融合解算出无人艇航行数据。浮标在作为静态障碍物时，为浮标克服风浪流的干扰，使其在一个小的区域内达到动态平衡，需要感知浮标自身位姿和位置信息，控制浮标在一个小范围内飘动，从而达到作为静态障碍物的目的。当浮标作为动态障碍物时，同样可从岸基接收运动指令，由浮标独立的测控系统控制浮标运动，从而达到作为动态障碍物的目的。综上所述，可以将移动式浮标测控系统分为信息感知子系统、信息处理子系统、推进子系统、通信子系统和电源子系统，如图2所示。

此测试系统中局部浮标具有独立数据处理器，局部浮标上传感设备感知测试海域内所有物体信息，检测识别出无人船并滤掉无用的数据信息，进而解算出无人船实时航行位置数据，布置在不同位置的各个局部浮标之间基于物联网通过语义通信进行实时信息交互，将不同位置的无人船信息采集设备采集到的测试信息集成融合，传输监控系统。监控系统接收各个局部浮标的数据后加权融合得到无人船避障航行数据，并计算对应的评价技术指标。由于对原始数据滤掉非无人船数据并计算无人船实时位置数据后再传输，混合式测试系统减轻了集中式测试系统的通信压力；针对无人船测试信息集成采集系统需实现的功能，设计软件框架如图3所示。

根据无人船避障性能测试系统架构，首先把各浮标按照测试方案中的测试场景布放在测试海域内，浮标作为无人船避障性能测试过程的障碍物，且感知测试海域内所有物体信息，确保测试海域内的每一处至少能被一个局部浮标系统探测到，即保证在测试海域内不存在整体测试系统的盲区。

为量化评估无人船避障性能，需制定评价指标及其权重，进而建立无人船评价模型。当无人船开始航行时，各局部浮标上的传感设备开始感知测试海域信息，首先根据无人船特征对感知信息进行滤除，把感知到的非无人船信息数据滤除。然后融合计算无人船实时航行位置并发送至岸基数据处理中心。岸基数据处理中心接收到各个局部浮标发送的数据，自适应加权融合得出无人船航行数据。进一步计算评价技术指标，利用评价模型量化评估无人船避障性能，并在上位机软件显示。同时根据避障测试方案的避障场景需要，岸基数据处理中心发送指令至浮标使浮标运动，可更换浮标位置，且可使浮标成为动态障碍物。

选取长度为3-20m，航速规定为5-15kn的无人船为例，结合无人船实际作业场景，借鉴船舶行业标准，对无人船避障性能测试技术方案进行规划。浮标底座直径为1.5m，高2.4m，吃水约为20cm，可将海面上的浮标视为直径1.5m，高2.2m的圆柱体障碍物，此规格障碍物大小适中，可被无人船上的雷达、超声波测距仪和摄像头探测。并且此规格浮标作为障碍物不至于过大而增加测试成本，可移动性强，改善了测试经济性和提高了测试效率。无人船避障性能测试试验条件可分为试验海域和试验海况。

试验海域应有足够的助航距离和回旋余地。除非另有规定，水深应满足公式(1)要求。

式中：

h----试验海域水深的数值，单位为m

T----无人船吃水的数值，单位为m

V_max----试验预计达到的最大航速的数值，单位为kn

L_pp----垂线间长的数值，单位为m

风速小于不超过5.2m/s(蒲氏风标3级)；浪级不超过2级，潮流平稳，没有明显浪涌；试验水域能见度良好，可以清楚地看到被测无人船和浮标。

障碍物感知是无人船避障的前提和基础，优秀的障碍物感知性能使得无人船能及时准确地获取障碍物信息，减少避障时间，并且有利于避障决策。因此，有必要对无人船避障性能感知性能测试，测试结果有助于有针对性地改善无人船避障过程中障碍物感知能力。根据无人船实际作业环境和无人船航速(5-15kn)，倘若无人船未能识别出50m内的障碍物，那么其极有可能与障碍物相撞；在50-100m的距离，无人船倘若能识别障碍物便有足够的时间进行避障行为；可以设置以下测试场景：50-100m区间内的浮标障碍物，无人船能识别障碍物的距离；

无人船识别浮标障碍物的距离测试测试步骤如下：

S1.取d_longest＝50m；

S2.将浮标作为障碍物放置在测试海域内，无人船航行至离浮标约d_longest处。测试无人船是否能识别出障碍物，并让无人船记录浮标的距离和大小。

S3.判断无人船记录的浮标距离和大小是否正确，如果不正确，认为d_longest＝d_longest-5，测试结束。

S4.如果无人船记录的浮标距离和大小正确，取d_longest＝d_longest+5，重复步骤S2-S4。

测试流程框图如图4所示。

在无人船避障性能研发初期，为提高测试效率，直接明了地测试无人船的静态避障性能，规定无人船的初始航线为直线或简单折线。根据障碍物的数量和障碍物在航线中位置，规划以下两种测试方案：单静态障碍物紧急避障和连续静态障碍物紧急避障。所谓紧急避障定义为：无人船按规划的路径自主航行，在路径上出现浮标障碍物，无人船为避开浮标偏离原航径，越过障碍物后回到原路径。

在测试过程中，浮标上的传感器记录无人船航行位置并传输至岸基数据处理中心，岸基数据处理中心分别计算静态避障性能基础衡量数据：静态避障反应距离d_st、静态避障回归距离d_s'_t和避障时间T_st。静态避障性能基础衡量数据的定义计算方式如下：

静态避障反应距离d_st：

d_st定义：无人船在自主航行过程中，探测到前方有静态障碍物，从开始离开原规划路径所在位置与障碍物位置的直线距离。

d_st计算方式：设无人船开始避障位置经纬度为

(前者为经度，后者为纬度，下同)，障碍物经纬度为

那么d_st的计算即为已知两点经纬度求解距离。本文将地球看成椭圆球体，如式(2)所示：

其中，a是地球长半径，b是地球的短半径，本文采用WGS-84椭圆球体：a＝6378137.00m，b＝6356752.314m。

在WGS-84椭圆球体坐标系中，平均每变化1纬度的弧长大致相等，约为111000m。而1经度的弧长和纬度高低相关，越靠近赤道弧长越长，反之越短。如果A和O在同一纬度，则每变化1经度的弧长计算公式如式(3)所示：

其中，λ为A和O纬度，R是地球长半径，r是地球短半径。

如果A和O不在同一纬度，那么可以取A和O所在纬度的每变化1经度的弧长平均值作为计算弧长的参数，如式(4)所示：

综上可得已知两点经纬度求解距离公式如式(5)所示：

静态避障回归距离d′_st：

d′_st定义：无人船在静态避障完成后回到原规划路径所在位置与障碍物的直线距离。

d′_st计算方式：设无人船避障完成后回到原规划航线的经纬度为

障碍物经纬度为

d′_st按照式(5)计算。

避障时间T_st：

T_st定义：无人船在静态避障过程中，从离开原航径至回到原航径所耗时间。

T_st计算方式：无人船回到原航径时间减去离开原航径时间。

单静态障碍物紧急避障测试测试步骤如下：

S1.规划航径为直线，在距离无人船起点L处放置浮标作为障碍物。

S2.规定无人船直线行驶航速为8-13kn，无人船航行后各个局部浮标记录无人船航行位置，并发送至监控系统。

S3.岸基数据处理中心融合行成无人船避障航行轨迹，计算静态避障反应距离d_st、静态避障回归距离d′_st和避障时间T_st。

连续静态障碍物紧急避障测试：

如果一条直线航径上的两个障碍物距离在[d′_st,d′_st+d_st]之间，那么无人船避开单个障碍物后回归到原规划航径路途中，将再次进行避障行为。在本测试中，根据单静态障碍物紧急避障测试中计算的反应距离d_st/single和回归距离d′_st/single设置两个障碍物的距离d_twoOb＝d′_st/single+0.5d_st/single，即可测试无人船在连续静态障碍物避障过程中的性能表现。

连续静态障碍物紧急避障测试步骤如下：

S1.规划航径为直线，在距离无人船起点L₁、L₂处各放置浮标作为障碍物。

S2.规定无人船直线行驶航速为8-13kn，无人船航行后各个局部浮标记录无人船航行位置，并发送至监控系统。

S3.岸基数据处理中心融合行成无人船避障航行轨迹，计算静态避障反应距离d_st、静态避障回归距离d′_st和避障时间T_st。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (13)

1.一种基于物联网的无人船测试信息集成采集方法，其特征在于，包括：

无人船测试信息采集浮标基于网络模式自动选择获取测试区域内行驶过的无人船测试信息；

将不同位置的浮标采集到的测试信息集成融合，由各个浮标采集到的测试信息综合得到最终无人船测试结果；

浮标将所述无人船测试信息及结果发送至监控系统，由监控系统显示无人船测试信息及结果并保存。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的无人船测试信息集成采集方法，其特征在于，所述物联网包括各无人船测试信息采集浮标之间的网络和监控采集设备的监控系统，无人船测试信息采集网络由基于智能物联网、移动通讯网平台与无人船测试采集设备所构成。

3.根据权利要求1所述的基于物联网的无人船测试信息集成采集方法，其特征在于，所述无人船测试信息采集浮标以正多变形各顶点的形式均匀分布在测试区域内周边不同的位置，不同位置的各个无人船测试信息采集浮标之间基于物联网通过语义通信进行实时信息交互，然后将不同位置的浮标采集到的同一无人船的测试信息集成融合。

4.根据权利要求1所述的基于物联网的无人船测试信息集成采集方法，其特征在于，所述无人船测试信息采集浮标包括海上浮标本体和安装在浮标上的各传感设备，所述传感设备包括DGPS与三维激光雷达，通过二者融合解算无人船测试信息；

无人船测试信息为：由无人船测试信息采集浮标上的各传感设备采集到的无人船运动信息，包括无人船的速度、无人船在各时刻的位置及无人船的外尺寸。

5.根据权利要求1所述的基于物联网的无人船测试信息集成采集方法，其特征在于，所述网络模式自动选择为：无人船测试信息采集网络中不同网络模式的浮标，根据浮标的探测识别所获得的任一或组合的信息对当前服务使能与服务范围进行自动选择。

6.根据权利要求4所述的基于物联网的无人船测试信息集成采集方法，其特征在于，所述语义通信包括语义通信协议和语义通信方法，其中，语义通信协议包括协议包长度字段、发送方标识字段、语义长度字段、语义字段、数据包个数字段和数据部分，紧急程度字段、加密算法描述长度字段、加密算法描述字段、加密算法字段、自定义加密描述长度字段和自定义加密描述字段。

7.根据权利要求6所述的基于物联网的无人船测试信息集成采集方法，其特征在于，所述语义通信协议进行数据组包和解析，具体包括：

设备加载已定义语义集；

设备间建立连接；

按照语义通信协议进行待发送数据组包，得到语义报文，并发送；

接收语义报文并按照所述语义通信协议进行报文解析。

8.根据权利要求1所述的基于物联网的无人船测试信息集成采集方法，其特征在于，所述无人船测试信息采集浮标基于网络模式自动选择具有协同处理机制，其中，协同处理机制包括在所述无人船测试信息采集浮标无法连接默认或优先的网络模式或无人船测试信息采集浮标且符合预设条件时，由另一网络模式对浮标启动无人船测试信息采集服务。

9.根据权利要求1所述的基于物联网的无人船测试信息集成采集方法，其特征在于，所述无人船测试信息采集浮标将无人船测试信息集成采集结果上传至所述监控系统，包括：

无人船测试信息采集浮标与监控系统建立网络数据通讯连接，网络数据通讯以实时数据通讯方式与/或非实时数据同步方式，将所述无人船测试时间范围所对应的无人船测试采集信息的数据包上传至所述监控系统，其中网络数据通讯以实时数据通讯方式与/或非实时数据同步方式上传至所述监控系统；

所述浮标与监控系统通过网络通讯协议接口参数给定无人船测试时间范围。

10.根据权利要求1所述的基于物联网的无人船测试信息集成采集方法，其特征在于，所述监控系统显示无人船的测试信息及结果，待测无人船在移动过程中，会通过监控系统内的图标在显示屏地图上移动，形成移动轨迹，显示屏地图根据实际需要定义为二维图形或三维图形，待测无人船行驶过测试区域后，在监控系统内的显示屏表格输出测试结果。

11.一种基于物联网的无人船测试信息集成采集系统，其特征在于，包括：无人船测试信息采集网络和监控系统；

无人船测试信息采集网络由基于智能物联网、移动通讯网平台的与无人船测试信息采集浮标所构成；所述无人船测试信息采集浮标，用于网络模式自动选择获取测试区域内行驶过的无人船测试信息，布置在不同位置的各个浮标之间基于物联网通过语义通信进行实时信息交互，将不同位置的浮标采集到的测试信息集成融合，最终由各个浮标采集到的测试信息综合得到最终无人船测试结果；以及将无人船测试信息及结果发送至所述监控系统；

监控系统，显示无人船测试信息及结果并保存。

12.根据权利要求11所述的无人船测试信息集成采集系统，其特征在于，所述无人船测试信息采集浮标包括海上浮标本体和安装在浮标上的各传感设备，所述无人船测试信息为：由无人船测试信息采集设备上地的各传感设备采集到的无人船运动信息。

13.根据权利要求11所述的无人船测试信息集成采集系统，其特征在于，所述网络模式自动选择为：无人船测试信息采集网络中不同网络模式的无人船测试信息采集浮标，根据对无人船测试信息采集设备的探测识别所获得的任一或组合的信息对当前服务使能与服务范围进行自动选择，包括：

当前无人船测试信息采集浮标的类别权限及工作状态，当前无人船测试信息信息采集任务对服务范围的适合性，当前对无人船测试信息信息采集的网络模式的优先性与可获得性，和基于无人船测试信息信息采集服务应用模块进行设置网络模式自动选择的机制及其切换条件。

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