CN114446106A - 无人船艇自主航行能力虚实融合测试评估方法、实训教学平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无人船艇自主航行能力虚实融合测试评估方法、实训教学平台，本发明方法，包括对智能感知算法、仿人避碰决策算法和自主航行控制算法进行虚拟仿真测试验证并对验证结果进行评估；在评估结果符合自主航行要求条件下，对前述三个算法进行虚拟场景‑实船测试验证并对验证结果进行评估；在评估结果符合自主航行要求的条件下，再对前述三个算法进行实船测试验证并对实船验证结果进行评估。本发明实训教学平台，使学生加深对无人船艇智能感知与自主控制理论知识的理解与掌握，对主要设备进行全方位认识，加强对专业概念的理解和设备结构及无人船艇系统组成的认知，逐步减少和替代传统实船实验操作，以降低实际设备的高成本和高风险。
Description
技术领域
本发明涉及无人船艇自主航行方法的测试验证、评估方法及实训教学技术领域，具体而言，尤其涉及一种无人船艇自主航行能力虚实融合测试评估方法、实训教学平台。
背景技术
随着人工智能、自动化、互联网等新兴技术的快速发展，船舶工业迎来了快速变革期，船艇的智能化、无人化和自主化将是未来船艇发展的必然趋势。其中无人船艇的智能态势感知、仿人避碰决策、自主航行控制相关的自主航行能力更是关键技术和研究热点，截至目前，无人船艇领域尚未形成完整的测试验证方法体系，亟需构建完整的无人船艇航行功能测试验证方法体系，来支撑自主航行系统的研发与应用。
另外值得关注的是，绝大多数船艇仍处于船艇驾驶人员操纵的状态，少部分船艇则属于高度自动化或半自主船艇，随着无人技术在海洋工程领域的普及和推广，无人船艇技术将逐渐替代传统的非自主船艇。而在这个转型阶段，船舶工业和航运业应用型技术人才的培养将面临着新的挑战，一方面为已从事船舶行业和航运业的技术人才如何转型发展为适应市场需求的技术骨干力量，另一方面为培养学生如何快速进行无人船艇相关专业的学习以满足行业的需要。船舶行业和航运业对人才的需求不仅仅注重其专业知识的学习，更注重其实践能力的培养，而海上实践实习资金和时间消耗多，无人船艇系统内部的工作机理也较为抽象，传统的海事类专业人才培养方式在一定程度上制约着行业的快速发展，因此，面向无人船艇技术发展需求的人才教学方式应符合人才培养的时代发展潮流。
发明内容
根据上述提出的技术问题，提供一种无人船艇自主航行能力虚实融合测试评估方法、实训教学平台。本发明主要利用虚实融合实训教学平台，使得学生可以加深对无人船艇智能感知与自主控制理论知识的理解与掌握，并对主要设备进行全方位认识，加强对专业概念的理解和设备结构的认知及无人船艇系统组成的认知，最终通过该虚实融合实训教学平台逐步减少和替代传统实船实验操作，以降低实际设备的高成本和高风险。
本发明采用的技术手段如下：
一种无人船艇自主航行能力虚实融合测试评估方法，包括：
S1、对智能感知算法、仿人避碰决策算法和自主航行控制算法进行虚拟仿真测试验证；
S2、对步骤S1中得到的验证结果进行评估；
S3、在步骤S2的评估结果符合自主航行要求条件下，对智能感知算法、仿人避碰决策算法和自主航行控制算法进行虚拟场景-实船测试验证；
S4、对步骤S3中得到的虚拟场景-实船测试验证结果进行评估；
S5、在步骤S4的评估结果符合自主航行要求的条件下，对智能感知算法、仿人避碰决策算法和自主航行控制算法进行实船测试验证；若不符合要求，则需优化算法，再次进行虚拟场景-实船测试验证；
S6、对步骤S5中得到的实船测试验证结果进行评估；
S7、若步骤S6中得到的评估结果符合自主航行要求的条件，则实船测试结束；若不符合要求，则需优化算法，再次进行实船测试验证，在真实海洋测试场内将海洋航行环境信息作为智能感知算法、仿人避碰决策算法、自主航行控制算法的输入，相关算法根据输入信息操控实船运动。
进一步地，所述步骤S1中，所述虚拟仿真测试验证，具体是：
采用三维建模技术设计三维虚拟船艇模型、海上助航航标三维虚拟物标模型、三维虚拟港口建筑模型，构建虚拟测试场景，其中为三维虚拟船艇添加Nomoto/Norrbin/MMG操纵运动数学模型；将虚拟测试场景内的环境信息作为智能感知算法、仿人避碰决策算法、自主航行控制算法的输入，相关算法的输出操控虚拟船艇自主航行。
进一步地，所述步骤S3和步骤S5中的虚拟场景-实船测试验证，具体是：
在虚拟仿真测试验证的基础上，将智能感知算法、仿人避碰决策算法、自主航行控制算法操控船艇由虚拟无人船艇替换成实际无人船艇，将虚拟测试场景内信息作为算法的输入端，算法将输入信息融合处理后对实船进行操控。
进一步地，所述步骤S2、步骤S4和步骤S6中，对验证结果进行评估具体是：
对智能态势感知算法、仿人避碰决策算法、自主航行控制算法的单项基本评估和综合高级评估；评估过程包括：
对评估指标的权重确定，根据评估规则得到评估矩阵，对测试结果数据的量化处理，将处理得到的结果与权重进行合成得到最终评估结果；
对评估指标进行重要度标定，形成判断矩阵，对判断矩阵进行归一化处理得到权重向量，对权重进行一致性检验。
本发明还提供了一种基于上述无人船艇自主航行能力虚实融合测试评估方法的无人船艇虚实融合实训教学平台，包括五层结构，且每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟实验教学环境的构建，五层结构分别为数据层、支撑层、通用服务层、仿真层以及应用层，其中：
所述数据层，用于实现对相应数据的存放和管理，相应数据包括仿真模型库、课程库、场景库、试题及答案库、规则库、实验数据以及用户信息；
所述支撑层，用于整个基础系统的运行、维护和管理，支撑层的功能子系统包括安全管理、服务容器、数据管理、资源管理与监控、域管理、域间信息服务；
所述通用服务层，用于提供虚拟实验教学环境的通用支持组件，包括学生端管理平台、教师端管理平台和管理员端管理平台；
所述仿真层，用于为所述通用服务层提供实验结果数据的格式化输出，进行相应的船艇建模、测试场景构建、虚拟仪器开发、提供通用的仿真器；
所述应用层，用于底层的服务，最终实现无人船艇虚实融合实训教学，包括教学平台、实训平台、测试评估平台和考核平台。
进一步地，所述通用服务层中：
所述学生端管理平台，包括消息通知模块、签到模块、发送与接收模块、互动答疑模块、课务查询模块、平台选择模块；其中，消息通知模块用于接收来自教师端和管理员端发送的相关通知和消息；签到模块用于学生课前课后签到或缺课请假；发送与接收模块用于学生接收课件资料、文本文档等或提交作业；互动答疑模块，用于学生与学生之间或学生与老师之间的互动答疑和学术交流；课务查询模块，用于学生查阅课程计划、教务安排、考核成绩；平台选择模块用于学生根据实际需求选择对应的平台，包括教学平台、实训平台、测试评估平台、考核平台；
所述教师端管理平台，包括消息通知模块、课业管理模块、发送与接收模块、互动答疑模块、教师信息模块、平台选择模块；其中，消息通知模块用于接收管理员端发送的相关通知和消息或向学生端发送相关通知和消息；课业管理模块用于备课、学生签到管理、考核成绩管理；发送与接收模块用于教师向学生发送课件资料、文本文档等或接收学生提交的作业；互动答疑模块用于老师与学生之间的互动答疑和学术交流；教师信息模块用于教师更新个人主页信息；平台选择模块用于学生根据实际需求选择对应的平台，包括教学平台、实训平台、考核平台；
所述管理员端管理平台，包括消息通知模块、用户管理模块，教务管理模块、平台管理模块、综合保障模块；其中，消息通知模块用于管理员端向教师端和学生端发送相关通知和消息；用户管理模块用于管理员对学生和教师的注册、管理和授权；教务管理模块用于管理员对教务、课时、审批、实验等进行安排和管理；平台管理模块，用于管理员对教学平台、实训平台、考核平台进行系统维护、功能升级；综合保障模块用于管理员对除用户管理、教务管理和平台管理事务外的其他事务的管理和支持工作。
进一步地，所述教学平台用于在虚拟教学模式下教师向学生讲解与演示无人船艇感知与控制系统，包括离线课堂模块和在线课堂模块，其中：
所述离线课堂模块，用于非上课时间段的学生自主学习，包括教学资源共享单元和学术文献共享单元；其中，教学资源共享单元用于学生课前课后自主学习专业知识和教师上传的课程资源，包括无人船艇的智能感知与自主控制方面的课件、指导书及视频资源；学术文献共享单元，用于师生共同分享学术论文及专业前沿知识；
所述在线课堂模块，用于教师在线教授学生相关知识，包括艇载设备与仪器教学单元、船艇运动与建模教学单元、无人船艇智能感知教学单元、无人船艇自主控制教学单元；其中，艇载设备与仪器教学单元包括船艇常用感知设备与仪器的原理讲解、设备外观、设备组成部分、设备操作以及感知过程的动画演示信息；船艇运动与建模教学单元包括船艇的结构、运动、以及船艇操纵航行理论与建模控制原理讲解；无人船艇智能感知教学单元，包括船艇常用感知设备与仪器的工作原理讲解及感知过程的动画演示信息；无人船艇自主控制教学单元，包括船艇自主航行原理讲解。
进一步地，所述实训平台，用于学生对无人船艇智能感知与自主控制相关知识的基础实验、虚拟仿真实验和实船实验，包括基础实验模块、开放实验模块和外接设备管理模块，其中：
所述基础实验模块，用于学生熟悉掌握船载仪器设备的使用方法及工作原理，包括船艇感知设备与仪器使用训练、船艇控制设备与装置使用训练；其中，船艇感知设备与仪器使用训练，用于训练学生对于无人船艇感知设备与仪器如电子海图、雷达、声呐等设备的工作原理、设备组成部分以及设备操作等技能；船艇控制设备与装置使用训练，用于训练学生对于无人船艇控制设备与装置的工作原理、设备组成部分及设备操作使用方面的技能；
所述开放实验模块，用于学生进行无人船艇相关的虚拟仿真实验操作，包括船艇建模实验、船艇自主航行实验、感知与控制算法开发实验；其中，船艇建模实验，用于学生对无人船艇的船体、艇载传感器进行三维虚拟仿真建模实验；船艇自主航行实验，是将虚拟船艇交由自主航行算法控制，使其在真实世界投影的虚拟世界中，操控虚拟船艇，进行避碰、航向控制、航迹跟踪等自主航行操纵；感知与控制算法开发实验，用于学生进行无人船艇的感知算法开发和控制算法开发实验；
所述外接设备管理模块，用于外接设备的统一管理，包括实船、感知设备与仪器、控制设备与装置、数据输入与输出接口、算法程序开发单元；其中，实船，用于船艇自主航行实验的海上控制对象、与测试评估平台进行虚拟场景-实船实验和实船实验的数据链路通信；感知设备与仪器，用于船艇感知设备如摄像头、雷达、声呐等仪器与测试评估平台进行虚拟场景-实船实验和实船实验的数据链路通信；控制设备与装置，用于控制设备与装置与测试评估平台进行虚拟场景-实船实验和实船实验的数据链路通信；算法程序开发单元，用于集成算法开发软件，进行算法开发。
进一步地，所述测试评估平台，用于对无人船艇开发的算法进行虚拟仿真测试、虚拟场景-实船测试、实船测试并对测试结果进行评估，包括航迹跟踪与避碰算法测试、实时感知与动态路径规划算法测试、船载传感器目标检测算法测试；其中：
所述航迹与避碰算法测试，用于算法的航迹控制测试评估和算法的避碰控制的测试与评估，包括航向控制测试、航迹控制测试、避碰控制测试；航向控制测试是验证所开发算法能否对无人船艇实时操控，将船艇实际航向快速、准确、稳定地调整至参考航向的测试与评估；航迹控制测试是验证所开发算法能否对无人船艇实时操控，使船艇以尽量准确地沿参考航线航行的测试与评估；避碰控制测试是验证所开发算法能否自动识别海上会遇态势并给出合理的避碰方案实现自主航行的测试与评估；实时感知与动态路径规划算法测试用于验证算法的实时感知能力和动态路径规划能力进行测试与评估，包括水面静态目标感知综合测试、水面动态目标感知综合测试、路径规划能力测试；其中，水面静态目标感知综合能力测试，是验证所开发算法能否对静态干扰目标和静态待识别目进行准确识别和感知能力的测试与评估；水面动态目标感知综合能力测试，是验证所开发算法能否对动态干扰目标和动态待识别目标进行准确识别和感知能力的测试与评估；路径规划能力测试，是验证所开发算法能否对无人船艇的航路、航速进行合理规划能力的测试与评估。
进一步地，所述考核平台，用于对学生用户在教学平台内所掌握的知识进行在线考核、对虚拟仿真实验进行考核同时输出考核成绩，包括理论考核和实训考核；其中：
所述理论考核，包括无人船艇感知理论考核和无人船艇控制理论考核；其中，无人船艇感知理论考核，用于考查学生对无人船艇感知系统相关知识的掌握情况；无人船艇控制理论考核，用于考查学生对无人船艇控制系统相关知识的掌握情况；
所述实训考核，包括无人船艇感知算法实验考核、无人船艇控制算法实验考核；其中，无人船艇感知算法实验考核，用于考查学生对感知算法开发情况；无人船艇控制算法实验考核，用于考查学生对控制算法的开发情况。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的无人船艇自主航行能力虚实融合测试评估方法、实训教学平台，使得学生可以加深对无人船艇智能感知与自主控制理论知识的理解与掌握。
2、本发明提供的无人船艇自主航行能力虚实融合测试评估方法、实训教学平台，能够使学生对主要设备进行全方位认识，加强对专业概念的理解和设备结构的认知及无人船艇系统组成的认知。
3、通过本发明提供的无人船艇自主航行能力虚实融合测试评估方法、实训教学平台，逐步减少和替代传统实船实验操作，以降低实际设备的高成本和高风险。
基于上述理由本发明可在无人船艇自主航行方法的测试验证、评估方法及实训教学等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
图1为本发明无人船艇自主航行能力虚实融合测试评估方法流程图。
图2为本发明无人船艇虚实融合实训教学平台的总体架构图。
图3为本发明管理平台的功能结构图。
图4为本发明教学平台的功能结构图。
图5为本发明实训平台的功能结构图。
图6为本发明测试评估平台的功能结构图。
图7为本发明考核平台的功能结构图。
图8为本发明实施例提供的测试与评估平台应用原理图。
图9为本发明实施例提供的预先设定的指标评估体系。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明提供了一种无人船艇自主航行能力虚实融合测试评估方法，包括：
S1、对智能感知算法、仿人避碰决策算法和自主航行控制算法进行虚拟仿真测试验证；
S2、对步骤S1中得到的验证结果进行评估；
S3、在步骤S2的评估结果符合自主航行要求条件下，对智能感知算法、仿人避碰决策算法和自主航行控制算法进行虚拟场景-实船测试验证；
S4、对步骤S3中得到的虚拟场景-实船测试验证结果进行评估；
S5、在步骤S4的评估结果符合自主航行要求的条件下，对智能感知算法、仿人避碰决策算法和自主航行控制算法进行实船测试验证；若不符合要求，则需优化算法，再次进行虚拟场景-实船测试验证；
S6、对步骤S5中得到的实船测试验证结果进行评估；
S7、若步骤S6中得到的评估结果符合自主航行要求的条件，则实船测试结束；若不符合要求，则需优化算法，再次进行实船测试验证，在真实海洋测试场内将海洋航行环境信息作为智能感知算法、仿人避碰决策算法、自主航行控制算法的输入，相关算法根据输入信息操控实船运动。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1中，所述虚拟仿真测试验证，具体是：
采用三维建模技术设计三维虚拟船艇模型、海上助航航标三维虚拟物标模型、三维虚拟港口建筑模型，构建虚拟测试场景，其中为三维虚拟船艇添加Nomoto/Norrbin/MMG操纵运动数学模型；将虚拟测试场景内的环境信息作为智能感知算法、仿人避碰决策算法、自主航行控制算法的输入，相关算法的输出操控虚拟船艇自主航行。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S3和步骤S5中的虚拟场景-实船测试验证，具体是：
在虚拟仿真测试验证的基础上，将智能感知算法、仿人避碰决策算法、自主航行控制算法操控船艇由虚拟无人船艇替换成实际无人船艇，将虚拟测试场景内信息作为算法的输入端，算法将输入信息融合处理后对实船进行操控。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S2、步骤S4和步骤S6中，对验证结果进行评估具体是：
对智能态势感知算法、仿人避碰决策算法、自主航行控制算法的单项基本评估和综合高级评估；评估过程包括：
对评估指标的权重确定，根据评估规则得到评估矩阵，对测试结果数据的量化处理，将处理得到的结果与权重进行合成得到最终评估结果；
对评估指标进行重要度标定，形成判断矩阵，对判断矩阵进行归一化处理得到权重向量，对权重进行一致性检验。
如图2所示，本发明还提供了一种基于上述无人船艇自主航行能力虚实融合测试评估方法的无人船艇虚实融合实训教学平台，包括五层结构，且每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟实验教学环境的构建，五层结构分别为数据层、支撑层、通用服务层、仿真层以及应用层，其中：
所述数据层，用于实现对相应数据的存放和管理，相应数据包括仿真模型库、课程库、场景库、试题及答案库、规则库、实验数据以及用户信息；
所述支撑层，是无人船艇虚实融合实训教学平台的的核心框架，是实验项目正常开放运行的基础，用于整个基础系统的运行、维护和管理，支撑层的功能子系统包括安全管理、服务容器、数据管理、资源管理与监控、域管理、域间信息服务；
所述通用服务层，即虚实融合实训教学管理平台，用于提供虚拟实验教学环境的通用支持组件，以便用户能够快速在虚拟实验环境完成虚拟仿真实验，该层面向不同的用户开放不同的功能，可分为学生端管理平台、教师端管理平台和管理员端管理平台；同时提供相应集成接口工具，以便该平台能够方便集成第三方的虚拟实验软件进入统一管理。
所述仿真层，主要针对该虚实融合实训教学平台进行相应的船艇建模、测试场景构建、虚拟仪器开发、提供通用的仿真器，最后为所述通用服务层提供实验结果数据的格式化输出；
所述应用层，用于底层的服务，最终实现无人船艇虚实融合实训教学，包括教学平台、实训平台、测试评估平台和考核平台。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图3所示，为通用服务层即虚实融合实训教学管理平台的功能结构图，所述通用服务层中：
所述学生端管理平台，包括消息通知模块、签到模块、发送与接收模块、互动答疑模块、课务查询模块、平台选择模块；其中，消息通知模块用于接收来自教师端和管理员端发送的相关通知和消息；签到模块用于学生课前课后签到或缺课请假；发送与接收模块用于学生接收课件资料、文本文档等或提交作业；互动答疑模块，用于学生与学生之间或学生与老师之间的互动答疑和学术交流；课务查询模块，用于学生查阅课程计划、教务安排、考核成绩；平台选择模块用于学生根据实际需求选择对应的平台，包括教学平台、实训平台、测试评估平台、考核平台；
所述教师端管理平台，包括消息通知模块、课业管理模块、发送与接收模块、互动答疑模块、教师信息模块、平台选择模块；其中，消息通知模块用于接收管理员端发送的相关通知和消息或向学生端发送相关通知和消息；课业管理模块用于备课、学生签到管理、考核成绩管理；发送与接收模块用于教师向学生发送课件资料、文本文档等或接收学生提交的作业；互动答疑模块用于老师与学生之间的互动答疑和学术交流；教师信息模块用于教师更新个人主页信息；平台选择模块用于学生根据实际需求选择对应的平台，包括教学平台、实训平台、考核平台；
所述管理员端管理平台，包括消息通知模块、用户管理模块，教务管理模块、平台管理模块、综合保障模块；其中，消息通知模块用于管理员端向教师端和学生端发送相关通知和消息；用户管理模块用于管理员对学生和教师的注册、管理和授权；教务管理模块用于管理员对教务、课时、审批、实验等进行安排和管理；平台管理模块，用于管理员对教学平台、实训平台、考核平台进行系统维护、功能升级；综合保障模块用于管理员对除用户管理、教务管理和平台管理事务外的其他事务的管理和支持工作。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图4所示，为教学平台的功能结构图，所述教学平台用于在虚拟教学模式下教师向学生讲解与演示无人船艇感知与控制系统，包括离线课堂模块和在线课堂模块，其中：
所述离线课堂模块，用于非上课时间段的学生自主学习，包括教学资源共享单元和学术文献共享单元；其中，教学资源共享单元用于学生课前课后自主学习专业知识和教师上传的课程资源，包括无人船艇的智能感知与自主控制方面的课件、指导书及视频资源；学术文献共享单元，用于师生共同分享学术论文及专业前沿知识；
所述在线课堂模块，用于教师在线教授学生相关知识，包括艇载设备与仪器教学单元、船艇运动与建模教学单元、无人船艇智能感知教学单元、无人船艇自主控制教学单元；其中，艇载设备与仪器教学单元包括船艇常用感知设备与仪器的原理讲解、设备外观、设备组成部分、设备操作以及感知过程的动画演示信息；船艇运动与建模教学单元包括船艇的结构、运动、以及船艇操纵航行理论与建模控制原理讲解；无人船艇智能感知教学单元，包括船艇常用感知设备与仪器的工作原理讲解及感知过程的动画演示信息；无人船艇自主控制教学单元，包括船艇自主航行原理讲解。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图5所示，为实训平台的功能结构图，所述实训平台，用于学生对无人船艇智能感知与自主控制相关知识的基础实验、虚拟仿真实验和实船实验，包括基础实验模块、开放实验模块和外接设备管理模块，其中：
所述基础实验模块，用于学生熟悉掌握船载仪器设备的使用方法及工作原理，包括船艇感知设备与仪器使用训练、船艇控制设备与装置使用训练；其中，船艇感知设备与仪器使用训练，用于训练学生对于无人船艇感知设备与仪器如电子海图、雷达、声呐等设备的工作原理、设备组成部分以及设备操作等技能；船艇控制设备与装置使用训练，用于训练学生对于无人船艇控制设备与装置的工作原理、设备组成部分及设备操作使用方面的技能；
所述开放实验模块，用于学生进行无人船艇相关的虚拟仿真实验操作，包括船艇建模实验、船艇自主航行实验、感知与控制算法开发实验；其中，船艇建模实验，用于学生对无人船艇的船体、艇载传感器进行三维虚拟仿真建模实验；船艇自主航行实验，是将虚拟船艇交由自主航行算法控制，使其在真实世界投影的虚拟世界中，操控虚拟船艇，进行避碰、航向控制、航迹跟踪等自主航行操纵；感知与控制算法开发实验，用于学生进行无人船艇的感知算法开发和控制算法开发实验；
所述外接设备管理模块，用于外接设备的统一管理，包括实船、感知设备与仪器、控制设备与装置、数据输入与输出接口、算法程序开发单元；其中，实船，用于船艇自主航行实验的海上控制对象、与测试评估平台进行虚拟场景-实船实验和实船实验的数据链路通信；感知设备与仪器，用于船艇感知设备如摄像头、雷达、声呐等仪器与测试评估平台进行虚拟场景-实船实验和实船实验的数据链路通信；控制设备与装置，用于控制设备与装置与测试评估平台进行虚拟场景-实船实验和实船实验的数据链路通信；算法程序开发单元，用于集成算法开发软件，进行算法开发。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图6所示，为测试评估平台的功能结构图，所述测试评估平台，用于对无人船艇开发的算法进行虚拟仿真测试、虚拟场景-实船测试、实船测试并对测试结果进行评估，包括航迹跟踪与避碰算法测试、实时感知与动态路径规划算法测试、船载传感器目标检测算法测试；其中：
所述航迹与避碰算法测试，用于算法的航迹控制测试评估和算法的避碰控制的测试与评估，包括航向控制测试、航迹控制测试、避碰控制测试；航向控制测试是验证所开发算法能否对无人船艇实时操控，将船艇实际航向快速、准确、稳定地调整至参考航向的测试与评估；航迹控制测试是验证所开发算法能否对无人船艇实时操控，使船艇以尽量准确地沿参考航线航行的测试与评估；避碰控制测试是验证所开发算法能否自动识别海上会遇态势并给出合理的避碰方案实现自主航行的测试与评估；实时感知与动态路径规划算法测试用于验证算法的实时感知能力和动态路径规划能力进行测试与评估，包括水面静态目标感知综合测试、水面动态目标感知综合测试、路径规划能力测试；其中，水面静态目标感知综合能力测试，是验证所开发算法能否对静态干扰目标和静态待识别目进行准确识别和感知能力的测试与评估；水面动态目标感知综合能力测试，是验证所开发算法能否对动态干扰目标和动态待识别目标进行准确识别和感知能力的测试与评估；路径规划能力测试，是验证所开发算法能否对无人船艇的航路、航速进行合理规划能力的测试与评估。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图7所示，为考核平台的功能结构图，所述考核平台，用于对学生用户在教学平台内所掌握的知识进行在线考核、对虚拟仿真实验进行考核同时输出考核成绩，包括理论考核和实训考核；其中：
所述理论考核，包括无人船艇感知理论考核和无人船艇控制理论考核；其中，无人船艇感知理论考核，用于考查学生对无人船艇感知系统相关知识的掌握情况；无人船艇控制理论考核，用于考查学生对无人船艇控制系统相关知识的掌握情况；
所述实训考核，包括无人船艇感知算法实验考核、无人船艇控制算法实验考核；其中，无人船艇感知算法实验考核，用于考查学生对感知算法开发情况；无人船艇控制算法实验考核，用于考查学生对控制算法的开发情况。
实施例
如图8所示，本发明提供的无人船艇自主航行能力虚实融合测试评估方法、实训教学平台应用原理图，进行虚拟测试时，首先为虚拟无人船艇进行模型参数选择，然后选择将要航行的虚拟海洋场景；其次用自主航行算法控制虚拟无人船舶在虚拟海洋中的自主航行，并根据测试要求执行特定的测试任务；在执行任务的构成中，结合如图9所示的预先设定的指标评估体系对采集的航行数据进行相关的指标计算处理，最终实现对无人船艇自主航行能力的虚拟测试评估。进一步的，进行虚实融合测试，选择待测自主航行算法将要驱动的实船并置于平静宽阔水域内，然后再平台端选择将要航行的虚拟海洋场景；其次用优化后的自主航行算法控制实船，虚拟海洋场景中的环境数据将实施传输给实船控制算法输入端，按照测试要求执行特定的测试任务，在执行任务的构成中，结合预先设定的指标评估体系对采集的航行数据进行相关的指标计算处理，最终实现对无人船艇自主航行能力的虚实融合测试评估。
综上所述，本发明提供的技术方案首先是公开了一种无人船艇自主航行虚实融合测试与评估方法，具体包括：对智能感知算法、仿人避碰决策算法和自主航行控制算法进行虚拟仿真测试验证；对验证结果进行评估；在评估结果符合自主航行要求条件下，对智能感知算法、仿人避碰决策算法和自主航行控制算法进行虚拟场景-实船测试验证；对验证结果进行评估；在评估结果符合自主航行要求的条件下，对智能感知算法、仿人避碰决策算法和自主航行控制算法进行实船测试验证；对实船验证结果进行评估。
其次是通过搭建无人船艇虚实融合实训教学平台，设备是相应的计算机和显示屏等，通过构造虚拟仿真模型进行虚拟仿真教学。虚实融合实训教学主要是用计算机启动无人船艇虚实融合实训教学平台，采用鼠标操作等步骤，完成对相关设备的虚拟操作，熟悉工作原理、设备结构等内容。本平台的主要教学目的在于，通过虚实结合教学使学生了解熟悉无人船艇智能感知与自主控制系统方面的专业知识，引起学生的学习兴趣，让学生在思考中去培养解决实际问题的能力，锻炼学生的逻辑思维能力，学生概括能力，总结、分析、解决问题的能力。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种无人船艇自主航行能力虚实融合测试评估方法，其特征在于，包括：
S1、对智能感知算法、仿人避碰决策算法和自主航行控制算法进行虚拟仿真测试验证；
S2、对步骤S1中得到的验证结果进行评估；
S3、在步骤S2的评估结果符合自主航行要求条件下，对智能感知算法、仿人避碰决策算法和自主航行控制算法进行虚拟场景-实船测试验证；
S4、对步骤S3中得到的虚拟场景-实船测试验证结果进行评估；
S5、在步骤S4的评估结果符合自主航行要求的条件下，对智能感知算法、仿人避碰决策算法和自主航行控制算法进行实船测试验证；若不符合要求，则需优化算法，再次进行虚拟场景-实船测试验证；
S6、对步骤S5中得到的实船测试验证结果进行评估；
S7、若步骤S6中得到的评估结果符合自主航行要求的条件，则实船测试结束；若不符合要求，则需优化算法，再次进行实船测试验证，在真实海洋测试场内将海洋航行环境信息作为智能感知算法、仿人避碰决策算法、自主航行控制算法的输入，相关算法根据输入信息操控实船运动。
2.根据权利要求1所述的无人船艇自主航行能力虚实融合测试评估方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述虚拟仿真测试验证，具体是：
采用三维建模技术设计三维虚拟船艇模型、海上助航航标三维虚拟物标模型、三维虚拟港口建筑模型，构建虚拟测试场景，其中为三维虚拟船艇添加Nomoto/Norrbin/MMG操纵运动数学模型；将虚拟测试场景内的环境信息作为智能感知算法、仿人避碰决策算法、自主航行控制算法的输入，相关算法的输出操控虚拟船艇自主航行。
3.根据权利要求1所述的无人船艇自主航行能力虚实融合测试评估方法，其特征在于，所述步骤S3和步骤S5中的虚拟场景-实船测试验证，具体是：
在虚拟仿真测试验证的基础上，将智能感知算法、仿人避碰决策算法、自主航行控制算法操控船艇由虚拟无人船艇替换成实际无人船艇，将虚拟测试场景内信息作为算法的输入端，算法将输入信息融合处理后对实船进行操控。
4.根据权利要求1所述的无人船艇自主航行能力虚实融合测试评估方法，其特征在于，所述步骤S2、步骤S4和步骤S6中，对验证结果进行评估具体是：
对智能态势感知算法、仿人避碰决策算法、自主航行控制算法的单项基本评估和综合高级评估；评估过程包括：
对评估指标的权重确定，根据评估规则得到评估矩阵，对测试结果数据的量化处理，将处理得到的结果与权重进行合成得到最终评估结果；
对评估指标进行重要度标定，形成判断矩阵，对判断矩阵进行归一化处理得到权重向量，对权重进行一致性检验。
5.一种基于上述权利要求1-4中任意一项所述无人船艇自主航行能力虚实融合测试评估方法的无人船艇虚实融合实训教学平台，其特征在于，包括五层结构，且每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟实验教学环境的构建，五层结构分别为数据层、支撑层、通用服务层、仿真层以及应用层，其中：
所述数据层，用于实现对相应数据的存放和管理，相应数据包括仿真模型库、课程库、场景库、试题及答案库、规则库、实验数据以及用户信息；
所述支撑层，用于整个基础系统的运行、维护和管理，支撑层的功能子系统包括安全管理、服务容器、数据管理、资源管理与监控、域管理、域间信息服务；
所述通用服务层，用于提供虚拟实验教学环境的通用支持组件，包括学生端管理平台、教师端管理平台和管理员端管理平台；
所述仿真层，用于为所述通用服务层提供实验结果数据的格式化输出，进行相应的船艇建模、测试场景构建、虚拟仪器开发、提供通用的仿真器；
所述应用层，用于底层的服务，最终实现无人船艇虚实融合实训教学，包括教学平台、实训平台、测试评估平台和考核平台。
6.根据权利要求5所述的无人船艇虚实融合实训教学平台，其特征在于，所述通用服务层中：
所述学生端管理平台，包括消息通知模块、签到模块、发送与接收模块、互动答疑模块、课务查询模块、平台选择模块；其中，消息通知模块用于接收来自教师端和管理员端发送的相关通知和消息；签到模块用于学生课前课后签到或缺课请假；发送与接收模块用于学生接收课件资料、文本文档等或提交作业；互动答疑模块，用于学生与学生之间或学生与老师之间的互动答疑和学术交流；课务查询模块，用于学生查阅课程计划、教务安排、考核成绩；平台选择模块用于学生根据实际需求选择对应的平台，包括教学平台、实训平台、测试评估平台、考核平台；
所述教师端管理平台，包括消息通知模块、课业管理模块、发送与接收模块、互动答疑模块、教师信息模块、平台选择模块；其中，消息通知模块用于接收管理员端发送的相关通知和消息或向学生端发送相关通知和消息；课业管理模块用于备课、学生签到管理、考核成绩管理；发送与接收模块用于教师向学生发送课件资料、文本文档等或接收学生提交的作业；互动答疑模块用于老师与学生之间的互动答疑和学术交流；教师信息模块用于教师更新个人主页信息；平台选择模块用于学生根据实际需求选择对应的平台，包括教学平台、实训平台、考核平台；
所述管理员端管理平台，包括消息通知模块、用户管理模块，教务管理模块、平台管理模块、综合保障模块；其中，消息通知模块用于管理员端向教师端和学生端发送相关通知和消息；用户管理模块用于管理员对学生和教师的注册、管理和授权；教务管理模块用于管理员对教务、课时、审批、实验等进行安排和管理；平台管理模块，用于管理员对教学平台、实训平台、考核平台进行系统维护、功能升级；综合保障模块用于管理员对除用户管理、教务管理和平台管理事务外的其他事务的管理和支持工作。
7.根据权利要求5所述的无人船艇虚实融合实训教学平台，其特征在于，所述教学平台用于在虚拟教学模式下教师向学生讲解与演示无人船艇感知与控制系统，包括离线课堂模块和在线课堂模块，其中：
所述离线课堂模块，用于非上课时间段的学生自主学习，包括教学资源共享单元和学术文献共享单元；其中，教学资源共享单元用于学生课前课后自主学习专业知识和教师上传的课程资源，包括无人船艇的智能感知与自主控制方面的课件、指导书及视频资源；学术文献共享单元，用于师生共同分享学术论文及专业前沿知识；
所述在线课堂模块，用于教师在线教授学生相关知识，包括艇载设备与仪器教学单元、船艇运动与建模教学单元、无人船艇智能感知教学单元、无人船艇自主控制教学单元；其中，艇载设备与仪器教学单元包括船艇常用感知设备与仪器的原理讲解、设备外观、设备组成部分、设备操作以及感知过程的动画演示信息；船艇运动与建模教学单元包括船艇的结构、运动、以及船艇操纵航行理论与建模控制原理讲解；无人船艇智能感知教学单元，包括船艇常用感知设备与仪器的工作原理讲解及感知过程的动画演示信息；无人船艇自主控制教学单元，包括船艇自主航行原理讲解。
8.根据权利要求5所述的无人船艇虚实融合实训教学平台，其特征在于，所述实训平台，用于学生对无人船艇智能感知与自主控制相关知识的基础实验、虚拟仿真实验和实船实验，包括基础实验模块、开放实验模块和外接设备管理模块，其中：
所述基础实验模块，用于学生熟悉掌握船载仪器设备的使用方法及工作原理，包括船艇感知设备与仪器使用训练、船艇控制设备与装置使用训练；其中，船艇感知设备与仪器使用训练，用于训练学生对于无人船艇感知设备与仪器如电子海图、雷达、声呐等设备的工作原理、设备组成部分以及设备操作等技能；船艇控制设备与装置使用训练，用于训练学生对于无人船艇控制设备与装置的工作原理、设备组成部分及设备操作使用方面的技能；
所述开放实验模块，用于学生进行无人船艇相关的虚拟仿真实验操作，包括船艇建模实验、船艇自主航行实验、感知与控制算法开发实验；其中，船艇建模实验，用于学生对无人船艇的船体、艇载传感器进行三维虚拟仿真建模实验；船艇自主航行实验，是将虚拟船艇交由自主航行算法控制，使其在真实世界投影的虚拟世界中，操控虚拟船艇，进行避碰、航向控制、航迹跟踪等自主航行操纵；感知与控制算法开发实验，用于学生进行无人船艇的感知算法开发和控制算法开发实验；
所述外接设备管理模块，用于外接设备的统一管理，包括实船、感知设备与仪器、控制设备与装置、数据输入与输出接口、算法程序开发单元；其中，实船，用于船艇自主航行实验的海上控制对象、与测试评估平台进行虚拟场景-实船实验和实船实验的数据链路通信；感知设备与仪器，用于船艇感知设备如摄像头、雷达、声呐等仪器与测试评估平台进行虚拟场景-实船实验和实船实验的数据链路通信；控制设备与装置，用于控制设备与装置与测试评估平台进行虚拟场景-实船实验和实船实验的数据链路通信；算法程序开发单元，用于集成算法开发软件，进行算法开发。
9.根据权利要求5所述的无人船艇虚实融合实训教学平台，其特征在于，所述测试评估平台，用于对无人船艇开发的算法进行虚拟仿真测试、虚拟场景-实船测试、实船测试并对测试结果进行评估，包括航迹跟踪与避碰算法测试、实时感知与动态路径规划算法测试、船载传感器目标检测算法测试；其中：
所述航迹与避碰算法测试，用于算法的航迹控制测试评估和算法的避碰控制的测试与评估，包括航向控制测试、航迹控制测试、避碰控制测试；航向控制测试是验证所开发算法能否对无人船艇实时操控，将船艇实际航向快速、准确、稳定地调整至参考航向的测试与评估；航迹控制测试是验证所开发算法能否对无人船艇实时操控，使船艇以尽量准确地沿参考航线航行的测试与评估；避碰控制测试是验证所开发算法能否自动识别海上会遇态势并给出合理的避碰方案实现自主航行的测试与评估；实时感知与动态路径规划算法测试用于验证算法的实时感知能力和动态路径规划能力进行测试与评估，包括水面静态目标感知综合测试、水面动态目标感知综合测试、路径规划能力测试；其中，水面静态目标感知综合能力测试，是验证所开发算法能否对静态干扰目标和静态待识别目进行准确识别和感知能力的测试与评估；水面动态目标感知综合能力测试，是验证所开发算法能否对动态干扰目标和动态待识别目标进行准确识别和感知能力的测试与评估；路径规划能力测试，是验证所开发算法能否对无人船艇的航路、航速进行合理规划能力的测试与评估。
10.根据权利要求5所述的无人船艇虚实融合实训教学平台，其特征在于，所述考核平台，用于对学生用户在教学平台内所掌握的知识进行在线考核、对虚拟仿真实验进行考核同时输出考核成绩，包括理论考核和实训考核；其中：
所述理论考核，包括无人船艇感知理论考核和无人船艇控制理论考核；其中，无人船艇感知理论考核，用于考查学生对无人船艇感知系统相关知识的掌握情况；无人船艇控制理论考核，用于考查学生对无人船艇控制系统相关知识的掌握情况；
所述实训考核，包括无人船艇感知算法实验考核、无人船艇控制算法实验考核；其中，无人船艇感知算法实验考核，用于考查学生对感知算法开发情况；无人船艇控制算法实验考核，用于考查学生对控制算法的开发情况。
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