CN115963843A - 一种船舶自主行进控制系统和船舶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶自主行进控制系统和船舶，所述船舶自主行进控制系统包括数据管理模块、数据传输模块和控制模块；所述数据管理模块，用于获取船端运动信息和载荷信息，并对所述运动信息和载荷信息进行存储及调用；所述数据传输模块，用于将所述运动信息和载荷信息传输至所述数据管理模块；所述控制模块，用于根据所述运行信息和载荷信息，确定船舶的航行方向改变值和航行速度改变值；所述数据传输模块，还用于将所述航行方向改变值和航行速度改变值发送至船端。本发明实现了实时获取和存储船舶航行数据，以及通过控制模块控制船舶航行方向和速度的目的。

Description

一种船舶自主行进控制系统和船舶

技术领域

本发明涉及智能船艇技术领域，具体涉及一种船舶自主行进控制系统和船舶。

背景技术

智能船艇是一种能够自主行进和智能作业的无人驾驶小型智能船艇。与常规的有人驾驶船艇相比，智能船艇具有船体尺度较小、操纵较灵活、成本较低、易于实验等优点。

智能船艇现在航行时仍然存在各种安全隐患，信息存储不及时，在发生意外事件时会造成数据丢失，难以查询到原因，不方便寻找船体，对于船艇运动状态不够直观等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种船舶自主行进控制系统和船舶，解决现有技术中智能船舶行驶存在安全隐患，以及不能实时反馈及存储数据的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种船舶自主行进控制系统，包括：数据管理模块、数据传输模块和控制模块；

所述数据管理模块，用于获取船端运动信息和载荷信息，并对所述运动信息和载荷信息进行存储及调用；

所述数据传输模块，用于将所述运动信息和载荷信息传输至所述数据管理模块；

所述控制模块，用于根据所述运行信息和载荷信息，确定船舶的航行方向改变值和航行速度改变值；

所述数据传输模块，还用于将所述航行方向改变值和航行速度改变值发送至船端。

在一些实施例中，所述数据管理模块包括数据采集单元、数据存储单元和数据调用单元；

所述数据采集单元，用于采集船端的运动信息和载荷信息，并将所述运动信息和载荷信息分别发送至所述数据存储单元和数据调用单元；

所述数据存储单元，用于接收所述运动信息和载荷信息，并存储所述运动信息和载荷信息；

所述数据调用单元，用于将所述运动信息和载荷信息通过所述数据传输模块传输至所述控制模块。

在一些实施例中，所述控制模块包括航线规划单元和航速控制单元；

所述航线规划单元，用于根据实时获取的所述运动信息，基于预设的转向装置，对船舶的航行轨迹进行实时调整，确定船舶航行轨迹；

所述航速控制单元，用于根据实时获取的所述载荷信息、所述运动信息和所述船舶航行轨迹，基于预设的速度调节装置，对船舶的航行速度进行实时调整。

在一些实施例中，所述控制模块还包括人机交互单元，所述人机交互单元用于接收操作指令，并将所述操作指令发送至所述航线规划单元和航速控制单元。

在一些实施例中，所述船舶自主行进控制系统还包括可视化模块，所述可视化模块用于显示和监控所述载荷信息、船舶航行轨迹和运动信息。

在一些实施例中，所述数据传输模块至少包括图传通信单元和数传通信单元，所述数据管理模块还用于获取船舶航行时的实时动态视频；

所述图传通信单元，用于提取所述载荷信息和运动信息中的视频信号，并将所述实时动态视频和视频信号传输至所述可视化模块和控制模块；

所述数传通信单元，用于将所述运动信息和载荷信息传输至所述可视化模块和控制模块。

在一些实施例中，所述数据传输模块还包括4G通信单元和5G通信单元；

所述4G通信单元，用于将所述控制模块发送的指令传输至船端；

所述5G通信单元，用于将所述数据管理模块采集的载荷信息和运动信息传输至所述控制模块。

在一些实施例中，所述船舶自主行进控制系统还包括电池状态监测模块，所述电池状态监测模块用于监测船端和所述船舶自主行进控制系统中的电池的状态，确定电池损耗程度数据，并将所述电池损耗程度数据传输至所述控制模块。

在一些实施例中，所述数据采集单元至少包括温度传感器、压力传感器、水质传感器、摄像头和雷达系统。

另一方面，本发明还提供了一种船舶，所述船舶包括如上述所述的任一项所述的船舶自主行进控制系统和船舶本体。

与现有技术相比，本发明提供的船舶自主行进控制系统和船舶，通过数据管理模块采集船舶的运动信息和载荷信息，并对船舶的运行信息和载荷信息进行存储、管理和调用，实现了对船舶状态的实时监控，随后通过数据传输模块将运动信息传输至控制模块，控制模块根据运动信息和载荷信息对船舶的运动状态进行监测和控制，通过调整船舶的运动方向和运动速度，并将调整后的速度变化值和航向变化值通过数据传输模块回传至船端，实现了通过控制模块改变船舶航行路线的目的。

附图说明

图1是本发明提供的船舶自主行进控制系统和船舶的一实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的船舶自主行进控制系统和船舶中，数据管理模块一实施例的结构示意图；

图3是本发明提供的船舶自主行进控制系统和船舶中，控制模块一实施例的结构示意图；

图4是本发明提供的船舶自主行进控制系统和船舶中，数据传输模块一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由于智能船艇航行时存在安全性隐患，信息存储不及时，在发生意外事件时会造成数据丢失，难以查询到原因，不方便寻找船体，对于船艇运动状态不够直观等问题。因此需要通过船舶自主行进控制系统对于智能船艇的状态进行实时监测，在复杂多变的情况下进行人为干预，保障智能船艇的航行安全和任务完成。同时能够对于智能船艇当时所处工作状态、位置等数据的记录，方便查找到原因，有利于船艇的救助和定位，同时便于直观观测船艇行进路线和状态等。

本方面提供的船舶自主行进控制系统具有适用性强，体积重量适宜，方便搬运，可随意带至任务地点，工业化程度高，具有防尘防水防碰撞等特点；船舶自主行进控制系统拥有人机交互界面，使得可以在岸上通过上位指挥端系统实时并且直观观测通过数图传通信传输的船艇周围环境信息、自身状态信息和船艇任务信息等；在船艇由于信号干扰无法自主航行或者由于船艇距离岸边太远，遥控器无法遥控时，在上位指挥端人为通过航速和航向控制设备发控制指令，通过数图传通信将控制指令发送至船端，介入船艇运动，保证航行安全；在由于天气或者其他意外情况使得船艇不能继续执行作业时，可以通过船舶自主行进控制系统人机交互界面人为介入，关闭任务作业，并且在运动控制界面中的地图界面选择返程位置，得到返程位置坐标，再通过数图传通信发送至船端，使得船端返程；当船艇所执行作业的信号数据丢失时，船舶自主行进控制系统可以通过数图传通信将船艇所执行的任务信息和自身的状态信息实时接收并记录保存，使得在突发情况下仍然可以保存信息，方便后期的原因查找。

并且在上位端指挥系统人机交互界面船艇运动控制模块中，根据实际需要，通过在地图中规划设计合适路线，得到相应经纬度坐标，将所得到的坐标通过数传通信和5G通信发送至工控机中，工控机再实时更新船艇运动的目标坐标，根据经纬度坐标工控机给驱动板下发相应脉冲信号，从而改变船艇运动状态，如此来达到实时更改航行线路的目的。

本发明实施例提供一种船舶自主行进控制系统1，请参阅图1，包括数据管理模块11、数据传输模块12和控制模块13；

所述数据管理模块11，用于获取船端运动信息和载荷信息，并对所述运动信息和载荷信息进行存储及调用；

所述数据传输模块12，用于将所述运动信息和载荷信息传输至所述数据管理模块；

所述控制模块13，用于根据所述运行信息和载荷信息，确定船舶的航行方向改变值和航行速度改变值；

所述数据传输模块12，还用于将所述航行方向改变值和航行速度改变值发送至船端。

在本发明实施例中，通过数据管理模块采集船舶的运动信息和载荷信息，并对船舶的运行信息和载荷信息进行存储、管理和调用，实现了对船舶状态的实时监控，随后通过数据传输模块将运动信息传输至控制模块，控制模块根据运动信息和载荷信息对船舶的运动状态进行监测和控制，通过调整船舶的运动方向和运动速度，并将调整后的速度变化值和航向变化值通过数据传输模块回传至船端，实现了通过控制模块改变船舶航行路线的目的。

需要说明的是，船舶自主行进控制系统GCS-RPRO专业级仿真型地面站包括专业仿真飞行控制器，聚丙烯复合材料，IP67防尘防水，开盖即使用，合盖三防运输，内置拉杆的控制箱，PC主机，内置远距离图数船模块，带高亮液晶屏显示1080P，实时接收显示多种重要的智能船艇操纵数据，内置锂电池、外界充电器；船端模块包括智能船艇、设备架、监测摄像头、激光雷达、RTK信号天线、RTK 4G天线、4G模块4G天线、2.4G遥控器信号天线、数图传通信模块天线、智能船艇左右舷灯、风扇、动力电池和设备电池开关、三元锂电池、电源监测模块、RTK接收机、工控机、数图传通信模块、4G模块、激光雷达接收机、分线盒、交换机、驱动微处理器、定位以及姿态测量传感器、驱动电机、水质采样仪、水质分析仪、水质传感器、声纳等。

在一个具体的实施例中，地面站箱体合盖尺寸730*500*320mm，整体重量25kg，外壳材质是聚丙烯复合材料，防护等级是IP67防尘防水，工作温度是-10℃～50℃，具有开关即合，合盖三防，内置拉杆的便携特点；操作系统的工作频率2.4GHZ\433MHZ，摇杆设备是专业级仿真飞行控制器，油门数量2个，键帽数量44个，信号范围2.4gFcc 7KM CE 4KM 433FCC60KM CE40KM，发射功率是600mw-2w,通过遥杆进行人机交互；操作面板材质是3K碳纤维，接口支持USB/HDMI/SDI/AV/PPM/RJ45/VGA/RS232/DC，摇杆设备是专业级仿真飞行控制器，油门数量1个，按键数量是5个按键，1个拇指开关，1个安全开关，2个八方向、帽式开关，1个模式选择开关，其他设备包括工业散热风扇，防水金属按钮，设备指示灯；开关参数包括总电源、PC主机、图传系统、遥控系统；显示分配包括双路HDMI同屏显示，画中画显示，主副切换；天线包括上面板4个SMA,下面版3个SMA/2个N头公座；PC主机参数有intel I5-5500处理器，4GB DDR4 2133mhz内存，128G SSD硬盘，Intel 100；Q170芯片组，HDMI USB2.0 USB3.0 RJ-45AUX接口，Intel I219LM网卡；主显示屏28英寸，1080*1920分辨率，16：9屏幕比例，LED背光灯，最大亮度1000nit，支持1080P格式，输入接口有HDMI/VGA/AV/DP，100％SRGB颜色标准，显示分配有双路HDMI同屏显示、画中画显示、主副切换，1080P图传，900+数传；界面显示系统显示智能船艇视角180°视频、智能船艇位置图像显示、智能船艇航速、航向、坐标位置、各个电池的状态参数以及其他传感器采集数据，例如搭载水质采样设备信息，水质分析系统信息，包括PH值、溶解氧、温度、电导率和浊率等。

在一些实施例中，请参阅图2，所述数据管理模块包括数据采集单111、数据存储单元112和数据调用单元113；

所述数据采集单元111，用于采集船端的运动信息和载荷信息，并将所述运动信息和载荷信息分别发送至所述数据存储单元和数据调用单元；

所述数据存储单元112，用于接收所述运动信息和载荷信息，并存储所述运动信息和载荷信息；

所述数据调用单元113，用于将所述运动信息和载荷信息通过所述数据传输模块传输至所述控制模块。

在本实施例中，通过数据采集单元采集船端的运动信息和载荷信息，并由数据调用单元将采集的信息发送至控制模块，并且经由数据存储单元存储运行信息和载荷信息，便于后续调用查看。

具体的，在对传感器数据采样时，按照传感器的采集频率将传感器采集到的数据通过TCP、CAN、RS485和RS232等方式传输至船艇工控机中，再通过5G和数图传通信发送至数据调用单元和数据存储单元，从而进行智能船艇任务数据和船艇状态信息的实时监测数据和保存；通过人机交互界面可以直观地观测到船艇的任务状态和自身状态，在智能船艇实现动态避障和巡线等任务时会实时显示船艇状态信息和周围环境信息，例如在动态避障时，船艇所设计的全局规划路径和局部规划路径以及实时运动的路径都会通过激光雷达、RTK和IMU的组合使用，并且通过算法计算出船艇的全局规划路径和局部规划路径以及实时运动的路径坐标，再通过数传通信和5G通信将坐标发送至控制模块，并将路径坐标转化为航行路线在人机交互界面的地图上显现出不同颜色的路线规划。

在一些实施例中，请参阅图3，所述控制模块13包括航线规划单元131和航速控制单元132；

所述航线规划单元131，用于根据实时获取的所述运动信息，基于预设的转向装置，对船舶的航行轨迹进行实时调整，确定船舶航行轨迹；

所述航速控制单元132，用于根据实时获取的所述载荷信息、所述运动信息和所述船舶航行轨迹，基于预设的速度调节装置，对船舶的航行速度进行实时调整。

在本实施例中，通过接收数据管理模块采集的运动信息和载荷信息并根据运动信息和载荷信息反映的船舶的运动状态，对船舶的实时航行做出响应，预判船舶的航行轨迹并通过控制模块调整航行的方向，同时根据周围环境信息和航向通过航速控制单元调整船舶的航速。

需要说明的是，所述航线规划单元131和所述航速控制单元132是在地面站对于智能船艇运动航线的规划，选取智能船艇运动的航线数据，在地面站做出航线规划，形成任务数据。

在一些实施例中，请参阅图3，所述控制模块还包括人机交互单元133，所述人机交互单元用于接收操作指令，并将所述操作指令发送至所述航线规划单元和航速控制单元。

在一些实施例中，请参阅图1，所述船舶自主行进控制系统还包括可视化模块14，所述可视化模块用于显示和监控所述载荷信息、船舶航行轨迹和运动信息。

在本实施例中，所述可视化模块为高亮液晶拓展显示屏，通过图传通信将船端摄像头的数据流信息传输到显示屏上显示，通过图传通信将其他设备的动态信息传输到显示屏上显示，通过数传通信将智能船艇的运动轨迹包括人为对智能船艇的航行路线的选择、智能船艇自主避障全局路线的规划和局部路径的实时更新和实时路径的显示都在显示屏的地图上进行显示，其中对智能船艇的航行路线的选择是通过在可视化模块中船艇运动模块地图上对船艇航线进行设计，地图上的航线会转化成经纬度坐标，再将经纬度坐标通过数传通信和5G通信发送至船艇工控机中，通过算法使得船艇追踪目标坐标，如此完成对智能船艇的航行路线的选择，智能船艇自主避障全局路线的规划和局部路径的实时更新和实时路径的显示是船艇根据实际任务需要，通过激光雷达、RTK和IMU设备的组合使用，再通过算法计算出船艇的全局规划路径和局部规划路径以及实时运动的路径坐标，再通过数传通信和5G通信将坐标发送至控制模块，并将路径坐标转化为航行路线在上位端指挥系统人机交互界面的地图上显现出不同颜色的路线规划。

在一些实施例中，请参阅图4，所述数据传输模块12至少包括图传通信单元121和数传通信单元122，所述数据管理模块还用于获取船舶航行时的实时动态视频；

所述图传通信单元121，用于提取所述载荷信息和运动信息中的视频信号，并将所述实时动态视频和视频信号传输至所述可视化模块和控制模块；

所述数传通信单元122，用于将所述运动信息和载荷信息传输至所述可视化模块和控制模块。

在本实施例中，图传通信单元和数传通信单元指数字化的图家信号经信源编码和信道编码，通过数字信道(电缆、微波、卫星和光纤等)传输，或通过数字存储、记录装置存储的过程。它们具有如下效果：

1)使用方便，只需在智能船艇上安装，在上位端指挥系统人机交互界面显示；

2)图像传输质量高，可达到1080p；

3)传输距离可以达到2公里；

4)实时性高，延时低。可以实时观看智能船艇装载的摄像头回传的图像数据，监测船身周围环境以及其他传感器信号数据流的传输；

5)稳定性高，一体化设计比较美观。

在一些实施例中，请参阅图4，所述数据传输模块12还包括4G通信单元123和5G通信单元124；

所述4G通信单元123，用于将所述控制模块发送的指令传输至船端；

所述5G通信单元124，用于将所述数据管理模块采集的载荷信息和运动信息传输至所述控制模块。

在本实施例中，船端通过数传通信和5G通信将智能船艇的各种数据包括智能船艇运动状态参数和任务载荷动态信息等进行采集、存储、管理，并根据需要提供数据调用、回溯等，通过4G通信对控制模块进行软件更新和数据管理。

在一些实施例中，所述船舶自主行进控制系统还包括电池状态监测模块，所述电池状态监测模块用于监测船端和所述船舶自主行进控制系统中的电池的状态，确定电池损耗程度数据，并将所述电池损耗程度数据传输至所述控制模块。

在本实施例中，所述的电源监测系统是地面站对于智能船艇上五块三元锂电池状态的监测，包括电池的电压、总容量、剩余容量、输出电流、输入电流和电芯温度。

在一些实施例中，所述数据采集单元至少包括温度传感器、压力传感器、水质传感器、摄像头和雷达系统。

基于上述船舶自主行进控制系统，本发明还提供了一种船舶，所述船舶包括如权利要求1-8所述的任一项所述的船舶自主行进控制系统和船舶本体。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种船舶自主行进控制系统，其特征在于，包括：数据管理模块、数据传输模块和控制模块；

所述数据管理模块用于获取船端运动信息和载荷信息，并对所述运动信息和载荷信息进行存储及调用；

所述数据传输模块用于将所述运动信息和载荷信息传输至所述数据管理模块；

所述控制模块用于根据所述运行信息和载荷信息，确定船舶的航行方向改变值和航行速度改变值；

所述数据传输模块还用于将所述航行方向改变值和航行速度改变值发送至船端。

2.根据权利要求1所述的船舶自主行进控制系统，其特征在于，所述数据管理模块包括数据采集单元、数据存储单元和数据调用单元；

所述数据采集单元用于采集船端的运动信息和载荷信息，并将所述运动信息和载荷信息分别发送至所述数据存储单元和数据调用单元；

所述数据存储单元用于接收所述运动信息和载荷信息，并存储所述运动信息和载荷信息；

所述数据调用单元用于提供调用端口以使所述数据传输模块将所述运动信息和载荷信息传输至所述控制模块。

3.根据权利要求2所述的船舶自主行进控制系统，其特征在于，所述控制模块包括航线规划单元和航速控制单元；

所述航线规划单元用于根据实时获取的所述运动信息，基于预设的转向装置，对船舶的航行轨迹进行实时调整，确定船舶航行轨迹；

所述航速控制单元用于根据实时获取的所述载荷信息、所述运动信息和所述船舶航行轨迹，基于预设的速度调节装置，对船舶的航行速度进行实时调整。

4.根据权利要求3所述的船舶自主行进控制系统，其特征在于，所述控制模块还包括人机交互单元；

所述人机交互单元用于接收操作指令，并将所述操作指令发送至所述航线规划单元和航速控制单元。

5.根据权利要求1所述的船舶自主行进控制系统，其特征在于，所述船舶自主行进控制系统还包括可视化模块；

所述可视化模块用于显示和监控所述载荷信息、船舶航行轨迹和运动信息。

6.根据权利要求5所述的船舶自主行进控制系统，其特征在于，所述数据传输模块至少包括图传通信单元和数传通信单元，所述数据管理模块还用于获取船舶航行时的实时动态视频；

所述图传通信单元用于提取所述载荷信息和运动信息中的视频信号，并将所述实时动态视频和视频信号传输至所述可视化模块和控制模块；

所述数传通信单元用于将所述运动信息和载荷信息传输至所述可视化模块和控制模块。

7.根据权利要求6所述的船舶自主行进控制系统，其特征在于，所述数据传输模块还包括4G通信单元和5G通信单元；

所述4G通信单元用于将所述控制模块发送的指令传输至船端；

所述5G通信单元用于将所述数据管理模块采集的载荷信息和运动信息传输至所述控制模块。

8.根据权利要求1所述的船舶自主行进控制系统，其特征在于，所述船舶自主行进控制系统还包括电池状态监测模块；

所述电池状态监测模块用于监测船端和所述船舶自主行进控制系统中的电池的状态，确定电池损耗程度数据，并将所述电池损耗程度数据传输至所述控制模块。

9.根据权利要求1所述的船舶自主行进控制系统，其特征在于，所述数据采集单元至少包括温度传感器、压力传感器、水质传感器、摄像头和雷达系统。

10.一种船舶，其特征在于，包括：如权利要求1-9所述的任一项所述的船舶自主行进控制系统和船舶本体。

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