CN116068942A - 一种无人船协同控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人船协同控制系统，包括，总控台，与所述总控台通讯连接的无人船组网，所述无人船组网包括至少2艘无人船，距离所述总控台最近的一艘无人船A作为主连接点，其他任意无人船B作为次连接点，其中主连接点直接与总控台连接，其他次连接点与所述主连接点通信连接；若其他任意无人船B距离距离所述总控台最近，则系统将次连接点变更为主连接点。采用同频组网、多跳中继的方式，所有的船只都互相连接，组合成一张去中心化的局域网络。每个节点设备都可随机快速移动，系统拓扑可随之快速变化更新且不影响系统传输，提供可靠、及时的信号传输。

Description

一种无人船协同控制系统

技术领域

本发明属于水域中的无人船作业中的控制相关技术领域，涉及一种无人船协同控制系统。

背景技术

近年来，随着城区水域面积逐年增加，在绿化、美化人居环境的同时，水域安全以及水域智能化管理也成为政府管理者的迫切需求。

全自主水域检测与巡检无人船应该具备自主路径规划，危险水域行人检测警告，实时水质检测及预警，实时图像回传，应急报警救援等功能。

无人船是船舶智能化发展的产物，作为一种现代工具已广泛应用于情报收集、监视侦察、搜寻救助、水文地理勘察、中继通信等任务中。为提高作业效率，形成规模化效应，多无人船编队协同作业得到广泛研究。多无人船编队协同关键技术领域中，编队安全控制技术是重要组成部分，探索多无人船编队安全控制技术具有重要意义。

针对目前的水域作业问题，亟需一种无人船协同控制系统。

发明内容

本发明目的在于提供一种无人船协同控制系统，采用同频组网、多跳中继的方式，所有的船只都互相连接，组合成一张去中心化的局域网络。每个节点设备都可随机快速移动，系统拓扑可随之快速变化更新且不影响系统传输。整个系统部署便捷、使用灵活、操作简单、维护方便，能够在快速移动、障碍物遮蔽、非视距等复杂应用场景下，提供可靠、及时的信号传输。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现。

一种无人船协同控制系统，包括，

总控台，

与所述总控台通讯连接的无人船组网，所述无人船组网包括至少2艘无人船，距离所述总控台最近的一艘无人船A作为主连接点，其他任意无人船B作为次连接点，其中主连接点直接与总控台连接，其他次连接点与所述主连接点通信连接；

若其他任意无人船B距离距离所述总控台最近，则系统将次连接点变更为主连接点。

在本发明的一个优选实施例中，作为次连接点的无人船均作为通信的网络节点，所有的无人船都互相连接，构成去中心化的局域网络。

在本发明的一个优选实施例中，所述若干无人船采用同频组网、多跳中继的方式，构成一张去中心化的局域网络。

在本发明的一个优选实施例中，所述无人船包括若干传感器，所述传感器包括陀螺仪，地磁传感器，速度传感器测出无人船的运动状态与位置变化，以及通过风速仪测出外界风力、风速、波浪、海流干扰因素的大小与方向，利用计算机进行实时计算，并控制无人船的推力装置产生适当的推力与力矩，以抵消风浪的扰动，使无人船保持在目标位置。

在本发明的一个优选实施例中，所述无人船出现故障时，离故障点最近的无人船将作为替换者，在替换者处进行位置信息融合，引导若干无人船重新构建通信网络。

在本发明的一个优选实施例中，所述无人船通过搭载的陀螺仪，地磁传感器，采集无人船的姿态，经过运算处理后可以得出无人船的倾斜角度和朝向。

在本发明的一个优选实施例中，遥控器发过来的控制指令作为期望数值，比如摇杆向右拨动一点，希望无人船右转20度，无人船可以在控制推进器的同时比对自己的朝向，以闭环的方式控制推进器的动力输出，从而避免风浪造成的难以控制的影响。

在本发明的一个优选实施例中，所述每个无人船包括第一控制组件，所述第一控制组件包括路线设计组件以及图像采集组件，所述路线设计组件包括地图构建组件、避障组件以及路径规划组件，所述图像采集组件包括无人船外周环境的环境图像采集组件以及双目视觉采集组件；

第二控制组件，所述第二控制组件包括动力调节组件，所述动力调节组件通过将数据采集组件采集的数据进行动力分配调节，使得全局力度等动态调节；

所述数据采集组件包括通过动力分配调节直接作用控制的推进器，定位组件和/或姿态传感组件以及电量等模拟信号采集组件；

所述第一控制组件与第二控制组件互相通讯连接。

在本发明的一个优选实施例中，还包括控制单元，所述控制单元包括自动驾驶单元以及手动驾驶单元，所述自动驾驶单元通过接收第一控制组件的指令，沿路径规划组件规划的路径运动；所述手动驾驶单元通过遥控器与第一控制组件以及第二控制组件连接。

作为本发明的进一步改进，还包括服务器构成的数据中转站，所述数据中转站用于存储第一控制组件和\或第二控制组件的数据，并将数据传输至终端设备。

附图说明

图1为本发明中一种无人船协同控制系统的电路原理图；

图2为本发明中一种无人船协同控制系统的硬件框图；

附图标记：

100、第一控制组件；110、路线设计组件；111、地图构建组件；112、避障组件；113、路径规划组件；120、图像采集组件；121、环境图像采集组件；122、双目视觉采集组件；200、第二控制组件；210、动力调节组件；300、数据采集组件；310、推进器；320、定位组件；330、姿态传感组件；340、电量等模拟信号采集组件；400、控制单元；410、自动驾驶单元；420、手动驾驶单元；421、遥控器；500、数据中转站；600、终端设备。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1所示，一种无人船协同控制系统，包括，总控台，与所述总控台通讯连接的无人船组网，所述无人船组网包括至少2艘无人船，距离所述总控台最近的一艘无人船A作为主连接点，其他任意无人船B作为次连接点，其中主连接点直接与总控台连接，其他次连接点与所述主连接点通信连接；若其他任意无人船B距离距离所述总控台最近，则系统将次连接点变更为主连接点。

在本发明的一个优选实施例中，作为次连接点的无人船均作为通信的网络节点，所有的无人船都互相连接，构成去中心化的局域网络。

在本发明的一个优选实施例中，所述若干无人船采用同频组网、多跳中继的方式，构成一张去中心化的局域网络。

在本发明的一个优选实施例中，所述无人船包括若干传感器，所述传感器包括陀螺仪，地磁传感器，速度传感器测出无人船的运动状态与位置变化，以及通过风速仪测出外界风力、风速、波浪、海流干扰因素的大小与方向，利用计算机进行实时计算，并控制无人船的推力装置产生适当的推力与力矩，以抵消风浪的扰动，使无人船保持在目标位置。

在本发明的一个优选实施例中，所述无人船出现故障时，离故障点最近的无人船将作为替换者，在替换者处进行位置信息融合，引导若干无人船重新构建通信网络。

在本发明的一个优选实施例中，所述无人船通过搭载的陀螺仪，地磁传感器，采集无人船的姿态，经过运算处理后可以得出无人船的倾斜角度和朝向。

在本发明的一个优选实施例中，遥控器发过来的控制指令作为期望数值，比如摇杆向右拨动一点，希望无人船右转20度，无人船可以在控制推进器的同时比对自己的朝向，以闭环的方式控制推进器的动力输出，从而避免风浪造成的难以控制的影响。

参照附图2所示，本实施例中一种无人船协同控制系统，包括，

第一控制组件100，所述第一控制组件包括路线设计组件110以及图像采集组件120，所述路线设计组件110包括地图构建组件111、避障组件112以及路径规划组件113，所述图像采集组件120包括无人船外周环境的环境图像采集组件121以及双目视觉采集组件122；

第二控制组件200，所述第二控制组件200包括动力调节组件210，所述动力调节组件210通过将数据采集组件300采集的数据进行动力分配调节，使得全局力度等动态调节；

所述数据采集组件300包括通过动力分配调节直接作用控制的推进器310，定位组件320和/或姿态传感组件330以及电量等模拟信号采集组件340；

所述第一控制组件100与第二控制组件200互相通讯连接。

本实施例中，还包括控制单元400，所述控制单元400包括自动驾驶单元410以及手动驾驶单元420，所述自动驾驶单元410通过接收第一控制组件100的指令，沿路径规划组件113规划的路径运动；所述手动驾驶单元420通过遥控器421与第一控制组件100以及第二控制组件200连接。

为了提高效率，本实施例中还包括服务器构成的数据中转站500，所述数据中转站500用于存储第一控制组件100和\或第二控制组件200的数据，并将数据传输至终端设备600。

为了实现多个无人船的同时控制，所述终端设备600包括客户端和\或网页前端，所述终端设备与若干个一种无人船协同控制系统通信连接，并构建形成局域网，所述局域网连接有VPN通道。

为了减少障碍，提高整个的运行速度等，还包括数据缓存区以及SRAM存储区，所述数据缓冲区的刷新率为90-110ms，所述SRAM存储区设有逻辑代码区以及数据缓存区。

为了确保正常的避障，所述第一控制组件100中，所述路径规划组件113，通过获取避障组件的数据信息，结合图像采集组件120采集的图像信息，在地图构建组件111构建的地图中，经路径规划组件113规划带有避障任务的路径。

本实施例中，避障分为好几种类型的避障，具体地，所述避障任务中的避障包括扫描结果与调试软件扫描结果的偏移角度避障、带有避让逻辑的路径避障以及动态调整油门的控制避障。

首先，避障主要是由于图像采集组件扫描得出的扫描结果与官方的调试扫描结果的差异，导致有效数据有限，而根据调试输出信息来看，是因为偏移角度计算的问题，导致某些数据会重叠，故此时的避障是所述扫描结果与调试软件扫描结果的偏移角度避障具体为根据调试软件扫描的输出信息，计算偏移角度，删除重叠数据。进而完成对应的避障。

其次，所述带有避让逻辑的路径避障包括直线型障碍、L型障碍和死胡同障碍。针对这种路线本身造成的障碍，后面的实施例具体进行了阐述。

再次，还包括由于与机器视觉主控制板之间的协调造成的障碍，此时，所述动态调整油门的控制避障具体为通过与双目视觉采集组件之间的协调，通过动态调整总控制油门大小，实现复杂地段的避障。

本实施例中，在构建控制系统的结构时，具体通过以下逻辑层构成整个的无人船的控制。

首先，位于最底层的传感器通用接口、GNSS定位和姿态传感器，电量等模拟信号以及推进器310，这些底层的元件大多以硬件为主进行展示，此时构成的数据采集组件300。

其次，第二控制组件200，其包括总线访问、DMA双缓存接收处理以及动力分配调节，具体地，传感器通用接口通过485MOUDBUS与总线访问互通，GNSS定位和姿态传感器通过UART分析后进入DMA双缓存接收处理中，而电量等模拟信号通过ADC得到平均值，这些数据井管动力分配调节，转换为全局力度等动态调节量转换为PWM后，控制推进器。

再次，第二控制组件200通过USB和UART与第一控制组件100互相通讯连接，而第一控制组件100中，利用LiDAR-16、双目视觉等，进行地图构建、避障以及路径规划等，这一部分可以选用NVIDIA等芯片进行分析。

最后，云服务器等与终端设备600连接，其又与第一控制组件100进行互相通讯连接。

本实施例中的控制系统，其网络构架包括无线网桥，所述无线网桥包括天线设备、预留外网接口以及局域网接口，而上述这些通讯分别又连接有若干的无人船、固定宽度、4G\5G、调试员以及用户等，进而统以水域下多个无人船实现了数据共享，进而在客户端和\或网页前端进行展示。

本实施例中的控制系统，具有如下特点：

1、在没有任何外部参与的情况下，无人船应当自启动应用程序，和天线设备组件一个小型局域网以便多个船只或设备进行互相通信，如智慧路灯。

2、在指定地点加入一个小范围的WiFi路由器，为调试人员和局域网用户提供接入口。

3、当使用宽带接入互联网时，程序应该自动连接服务器，且用户能在远程通过VPN通道接入局域网。

参照附图2所示，本实施例中的硬件框图可以看出，在STM32芯片的输入端，连接有锂离子电池构成的电源管理，而电源管理中还连接有CPU版以及DC-DC转换器，还设置有SWD接口，而双向通讯中，则包含北斗、九轴传感器、MODBUS传感器、RJ45接口等，同时其控制有电机开关继电器、LED、遥控器、推进器以及语音模块，语音模块用于语音提示，其可以是预先存储的语音提示，也可以是临时发出的语音提示。

本实施例中的硬件要求如下：

推进器

推进器决定了整船的供电电压，是水桶中最短的一根。目前参数：

电压：12V

电流：<40A

直径：90mm

推力：3-5公斤

定位设备

使用ATGM332D三星多模定位模块和三星七频蘑菇天线，硬件上支持GPS+北斗+GLONASS同时定位。

本发明中的控制系统，在软件逻辑及需求上，具体实现的需求如下：

首先，通信

无人船向服务器实时上报自身定位及姿态数据，以及传感器数据。同时做好随时接收服务器数据的准备。

服务器作为数据中转站。

PC端及web端可以直接读取局域网数据或调用后端程序读取无人船发来的数据进行可视化处理。同时提供一个可向无人船发送数据的接口。

其次，控制

无人船的一端，分为自动驾驶和手动驾驶两种模式，打开手持遥控器后遥控器会自动连接无人船，此时如果按下”控制”键即可切换无人船工作模式，在手动驾驶模式下无人船不响应除遥控器外任何指令。在自动驾驶模式下，无人船需要按照预先设定的任务进行工作。

最后，本实施例中，核心在于避障，详细的避免障碍措施包括以下几方面：

第一，整个的核心在于，提高数据处理精度，具体的措施包括：

1)将缓存区调整到1000字节后，雷达数据刷新率可达到100ms左右，提高了刷新率，加快了周围环境变化时的反馈速度；

2)SRAM总空间64KB，目前仅使用了10KB，还有大量内存未使用，此时，可以写非常多的逻辑代码和数据缓存进去，进而增加逻辑代码；

第二，在硬件配置方面，利用激光雷达避障逻辑，主要包括以下三个方面的任务：

任务1，提高雷达扫描准确度，目前扫描到的结果和官方的调试软件扫描的结果有不同，有效数据不多，根据调试输出信息来看，是因为偏移角度计算的问题，导致某些数据会重叠，进而完成；

任务2，包括根据数据判断路径以及避让逻辑两个方向。

具体地，所述根据数据判断路径包括直线型障碍、L型障碍和死胡同三种类型，详细障碍的解决如下；

针对所述直线型障碍，又包括以下两种情况：

1)如果与直线的角度等于90度，又包括计算周围的障碍类型，使用最快的速度转弯，避免撞击；或向空阔的一边转弯，直至与直线障碍平行，以实现离散数据的直线拟合；还可以通过设置带有旋转角度的路线，进行直线拟合。

2)如果以直线障碍的角度小于90度，则计算转弯力度，此时，如果因为惯性是一大问题，在判断是否可以合理利用惯性进行解决，比如提早关闭动力，滑行至近处后转弯，或可以有效节约一部分能耗；如果是原本的快速转换模式导致的，(一边停转，另一边慢速(相对于总控制油门)，在特定情况下并不能及时转弯，需要测试两种方式)，针对这种，又分为在转弯时不基于总控制油门计算，而是基于螺旋桨最大功率，或使用暴力转弯，一边倒转一边加速。

针对L型障碍，其可以从来的那边的另一边转出去。

针对死胡同障碍，具体包括以下情况：

面向L型弯，U型弯，先刹车，然后原地旋转，这三种死胡同类型的障碍，具体地，可以通过寻找中心点进行旋转的方案。

针对避让逻辑，具体包括以直线航线为测量标准，只要正前方航线没有障碍就直行；如果前方有障碍，计算拟合直线，找到角度最小的一根线；或直线型障碍。

任务3，与机器视觉主控板之间的协调，包括在什么程度的障碍下将控制权归还给主控板；如果在一个地形复杂的地方有垃圾，主控板发送了转弯信息，如何以安全的方式到达目的地(动态调整总控制油门的大小，即总速度)。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种无人船协同控制系统，其特征在于，包括，

总控台，

与所述总控台通讯连接的无人船组网，所述无人船组网包括至少2艘无人船，距离所述总控台最近的一艘无人船A作为主连接点，其他任意无人船B作为次连接点，其中主连接点直接与总控台连接，其他次连接点与所述主连接点通信连接；

若其他任意无人船B距离距离所述总控台最近，则系统将次连接点变更为主连接点。

2.根据权利要求1所述的一种无人船协同控制系统，其特征在于，作为次连接点的无人船均作为通信的网络节点，所有的无人船都互相连接，构成去中心化的局域网络。

3.根据权利要求2所述的一种无人船协同控制系统，其特征在于，所述若干无人船采用同频组网、多跳中继的方式，构成一张去中心化的局域网络。

4.根据权利要求1所述的一种无人船协同控制系统，其特征在于，所述无人船包括若干传感器，所述传感器包括陀螺仪，地磁传感器，速度传感器测出无人船的运动状态与位置变化，以及通过风速仪测出外界风力、风速、波浪、海流干扰因素的大小与方向，利用计算机进行实时计算，并控制无人船的推力装置产生适当的推力与力矩，以抵消风浪的扰动，使无人船保持在目标位置。

5.根据权利要求1所述的一种无人船协同控制系统，其特征在于，所述无人船出现故障时，离故障点最近的无人船将作为替换者，在替换者处进行位置信息融合，引导若干无人船重新构建通信网络。

6.根据权利要求1所述的一种无人船协同控制系统，其特征在于，所述无人船通过搭载的陀螺仪，地磁传感器，采集无人船的姿态，经过运算处理后可以得出无人船的倾斜角度和朝向。

7.根据权利要求1所述的一种无人船协同控制系统，其特征在于，遥控器发过来的控制指令作为期望数值，比如摇杆向右拨动一点，希望无人船右转20度，无人船可以在控制推进器的同时比对自己的朝向，以闭环的方式控制推进器的动力输出，从而避免风浪造成的难以控制的影响。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种无人船协同控制系统，其特征在于，所述每个无人船包括第一控制组件，所述第一控制组件包括路线设计组件以及图像采集组件，所述路线设计组件包括地图构建组件、避障组件以及路径规划组件，所述图像采集组件包括无人船外周环境的环境图像采集组件以及双目视觉采集组件；

第二控制组件，所述第二控制组件包括动力调节组件，所述动力调节组件通过将数据采集组件采集的数据进行动力分配调节，使得全局力度等动态调节；

所述数据采集组件包括通过动力分配调节直接作用控制的推进器，定位组件和/或姿态传感组件以及电量等模拟信号采集组件；

所述第一控制组件与第二控制组件互相通讯连接。

9.根据权利要求8所述的一种无人船协同控制系统，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元包括自动驾驶单元以及手动驾驶单元，所述自动驾驶单元通过接收第一控制组件的指令，沿路径规划组件规划的路径运动；所述手动驾驶单元通过遥控器与第一控制组件以及第二控制组件连接。

10.根据权利要求9所述的一种无人船协同控制系统，其特征在于，还包括服务器构成的数据中转站，所述数据中转站用于存储第一控制组件和\或第二控制组件的数据，并将数据传输至终端设备。

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