CN116360440A - 无人船地面站交互系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无人船地面站交互系统，涉及无人船技术领域，包括信息显示和报警模块、自主导航模块、路径规划模块和协同管理模块；信息显示和报警模块用于通过地面站软件实时对无人船的航行速度、偏航角、位置信息、障碍物方位距离、电池电量、无人船主机以及油量进行监测并显示，对异常状态进行报警；路径规划模块用于管理员规划无人船的任务航线及HOME点的返回位置；自主导航模块用于采集无人船的导航定位信息，并控制无人船按照既定的目标位置航行，做到位置跟踪；协同管理模块用于获取无人船的任务航线和航行途中对应海域的航行环境信息对无人船的最大预计航速进行协同分析，以供管理员对无人船的航速进行调整，提高航行安全。
Description
技术领域
本发明涉及无人船技术领域，具体是无人船地面站交互系统。
背景技术
无人船(Unmanned Surface Vehicle，简称USV)是一种可在各种水域环境下、能够依靠自主方式在水面上航行或执行任务的无人化、智能化移动平台。包括无人船在内的无人设备，都离不开地面站的指挥和控制。无人船地面站是无人设备系统的直观反映，是与无人船以无线通信方式的人机交互的控制端，能够满足用户使用无人船的需求，并且可以实现对无人船实时管控操作。当无人船遇到紧急情况，使用者还可通过遥控器对无人船进行控制。
然而在复杂水情状况下对无人船控制以及路径规划方面还存在一些不足，控制精度不够高，导致船舶常常偏离航线，同时船舶在长时间的航行中可能存在断轴、脱绳、打滑、张紧力下降等意外情况，影响航行安全；为此，本发明提出无人船地面站交互系统。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出无人船地面站交互系统。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出无人船地面站交互系统，包括信息显示和报警模块、路径规划模块、协同管理模块、船舶监测模块以及损耗评估模块；
所述信息显示和报警模块用于通过地面站软件实时对无人船的航行速度、偏航角、位置信息、障碍物方位距离、电池电量、无人船主机以及油量进行监测并显示，对异常状态进行报警；
所述路径规划模块用于管理员在地面站软件上规划无人船的任务航线及HOME点的返回位置，并将规划的任务航线及HOME点的返回位置反馈至自主导航模块；所述自主导航模块用于采集无人船的导航定位信息，并控制无人船按照既定的目标位置航行，做到位置跟踪；
所述协同管理模块用于获取无人船的任务航线和航行途中对应海域的航行环境信息对所述无人船的最大预计航速进行协同分析，并将无人船在各航行时间段内的最大预计航速V1反馈至航速航向控制模块，以供管理员对无人船的航速进行调整；
所述船舶监测模块用于对无人船的航行时序数据进行监测，并将航行时序数据传输至船舶分析模块进行航行系数SJ分析；所述船舶分析模块用于将无人船的航行系数SJ和航行时间段进行统合得到航行记录并存储至云平台；
所述损耗评估模块与云平台相连接，用于根据云平台存储的带有时间戳的航行记录对无人船进行损耗系数SH评估；若损耗系数SH大于预设损耗阈值，则生成损耗信号；以提醒管理员对无人船进行检修养护工作。
进一步地，所述协同管理模块的具体分析步骤为：
获取无人船的任务航线，统计所述任务航线途经的各个海域；根据所述无人船的当前位置统计所述无人船途经各个海域的航行时间段；
通过访问气象平台，获取各航行时间段内对应海域的航行环境信息；所述航行环境信息包括各天气参数的最大预计数据；其中各天气参数包括降雨量、降雪量、雾浓度和风速；
将各天气参数的最大预计数据与数据库中存储的对应天气参数的安全数据进行对比，得到对应天气参数的数据差值；
获取大于零的各天气参数的数据差值，结合数据库中存储的各天气参数对船只海上航行的影响因子，计算得到环境影响系数HX；
获取所述无人船的载重信息并标记为Z1，利用公式XC＝HX×b1+Z1×b2计算得到航速影响系数XC；其中，b1、b2均为系数因子；
根据航速影响系数XC确定无人船的最大预计航速为V1，具体包括：数据库内存储有航速影响系数范围与航速阈值的对照表。
进一步地，所述船舶分析模块的具体分析过程如下：
获取无人船的航行时序数据，分析得到无人船的航行时间段；所述航行时序数据包括同一时刻的无人船载重数据、航速数据和加速度数据；
在所述航行时间段内，将无人船的载重最大值标记为Zt，航速最大值标记为Vt，加速度最大值标记为Gt；统计无人船的航行时长为Tz；
利用公式SJ＝Zt×b3+Vt×b4+Gt×b5+Tz×b6计算得到无人船的航行系数SJ，其中b3、b4、b5、b6均为系数因子。
进一步地，所述损耗评估模块的具体评估过程如下：
根据时间戳，获取预设时间段内无人船的航行记录；统计无人船的航行总次数为C1；将每个航行记录中的航行系数标记为SJi；将相邻航行时间段进行差值计算得到停泊时长DTi；其中SJi与DTi一一对应；
设定若干个停泊时长阈值并标记为Yr，r＝1，……，z；且Y1＜Y2＜……＜Yz；每个停泊时长阈值均对应一个预设航行系数范围，依次分别为(y1，y2]，……，(yr，yr+1]；当SJi∈(yr，yr+1]，则航行系数对应的停泊时长阈值为Yr；将停泊时长DTi与对应的停泊时长阈值Yr相比较；
当DTi小于Yr，则认为无人船没有得到充分休息，产生额外损耗；统计DTi小于Yr的次数为损耗频次P1；当DTi小于Yr时，获取DTi与Yr的差值并求和得到差泊总值TZ；利用公式SH＝η×C1×(P1×a1+TZ×a2)计算得到所述无人船的损耗系数SH，其中a1、a2均为系数因子；η为均衡因子。
进一步地，所述自主导航模块还用于在无人船偏离任务航线时，利用信息显示和报警模块进行报警，以提醒管理员通过航速航向控制模块调整无人船的航向。
进一步地，该系统还包括通信模式切换模块；所述通信模式切换模块用于管理员在地面站软件上控制地面站与无人船的4G网络模式与无线电台模式通信切换。
进一步地，该系统还包括远程开关模块；所述远程开关模块用于管理员通过地面站软件或手持遥控器远程控制无人船发动机的启动或停止以及无人船上导航雷达、激光雷达的开关。
进一步地，该系统还包括视频监视模块；所述视频监视模块包括船载光电设备，用于远程视频监视无人船的周边环境。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中所述信息显示和报警模块用于通过地面站软件实时对无人船的航行速度、偏航角、位置信息、障碍物方位距离、电池电量、无人船主机、油量等状态进行监测并显示，对异常状态进行报警；所述路径规划模块用于管理员在地面站软件上规划无人船的任务航线及HOME点的返回位置；所述自主导航模块用于采集无人船的导航定位信息，并控制无人船按照既定的目标位置航行，做到位置跟踪；
2、本发明中所述协同管理模块用于获取无人船的任务航线和航行途中对应海域的航行环境信息对所述无人船的最大预计航速进行协同分析，并将无人船在各航行时间段内的最大预计航速V1反馈至航速航向控制模块，以便管理员对无人船的航速进行调整，提高航行安全；
3、本发明中所述船舶监测模块用于对无人船的航行时序数据进行监测；所述船舶分析模块用于接收无人船的航行时序数据并进行航行系数分析，然后将无人船的航行系数SJ和航行时间段进行统合得到航行记录；所述损耗评估模块用于根据云平台存储的带有时间戳的航行记录对无人船进行损耗系数评估，若损耗系数SH大于预设损耗阈值，则生成损耗信号以提醒管理员对无人船进行检修养护工作，提高航行安全。
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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明无人船地面站交互系统的系统框图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，无人船地面站交互系统，包括信息显示和报警模块、路径规划模块、自主导航模块、航速航向控制模块、协同管理模块、船舶监测模块、船舶分析模块、云平台以及损耗评估模块；
信息显示和报警模块用于通过地面站软件实时对无人船的航行速度、偏航角、位置信息、障碍物方位距离、电池电量、无人船主机、油量等状态进行监测并显示，对异常状态进行报警；
路径规划模块用于管理员在地面站软件上规划无人船的任务航线及HOME点的返回位置，并将规划的任务航线及HOME点的返回位置反馈至自主导航模块；自主导航模块用于采集无人船的导航定位信息，并控制无人船按照既定的目标位置航行，做到位置跟踪；其中既定的目标位置是指管理员规划的任务航线及HOME点的返回位置；
航速航向控制模块与自主导航模块相连接，用于通过地面站软件、地面站箱体上的旋钮或手持遥控器控制行驶中的无人船的航速航向；
在本实施例中，自主导航模块还用于在无人船偏离任务航线时，利用信息显示和报警模块进行报警，以提醒管理员通过航速航向控制模块调整无人船的航向；
协同管理模块与航速航向控制模块相连接，用于获取无人船的任务航线和航行途中对应海域的航行环境信息对无人船的最大预计航速进行协同分析，具体分析步骤为：
获取无人船的任务航线，统计任务航线途经的各个海域；根据无人船的当前位置统计无人船途经各个海域的航行时间段；
通过访问气象平台，获取各航行时间段内对应海域的航行环境信息；航行环境信息包括各天气参数的最大预计数据；其中各天气参数包括降雨量、降雪量、雾浓度和风速；
将各天气参数的最大预计数据与数据库中存储的对应天气参数的安全数据进行对比，得到对应天气参数的数据差值；若对应天气参数的数据差值小于或等于零，则表明对应天气参数的最大预计数据不影响无人船海上航行；其中天气参数的数据差值包括降雨量差值、降雪量差值、雾浓度差值以及风速差值；
获取大于零的各天气参数的数据差值，结合数据库中存储的各天气参数对船只海上航行的影响因子，计算得到环境影响系数HX；
获取无人船的载重信息并标记为Z1，利用公式XC＝HX×b1+Z1×b2计算得到航速影响系数XC；其中，b1、b2均为系数因子；
根据航速影响系数XC确定无人船的最大预计航速为V1，具体包括：
数据库内存储有航速影响系数范围与航速阈值的对照表；
根据对照表，确定航速影响系数XC所属的航速影响系数范围，再根据航速影响系数范围确定对应的航速阈值，并标记为最大预计航速V1；其中，航速影响系数XC越大，则对应的航速阈值越小；
协同管理模块用于将无人船在各航行时间段内的最大预计航速V1反馈至航速航向控制模块，以便管理员对无人船的航速进行调整，提高航行安全；
船舶监测模块用于对无人船的航行时序数据进行监测，并将监测到航行时序数据传输至船舶分析模块；航行时序数据包括同一时刻的无人船载重数据、航速数据和加速度数据；
船舶分析模块用于接收无人船的航行时序数据并进行航行系数分析，具体分析过程如下：
获取无人船的航行时序数据，分析得到无人船的航行时间段；
在航行时间段内，将无人船的载重最大值标记为Zt，航速最大值标记为Vt，加速度最大值标记为Gt；统计无人船的航行时长为Tz；
利用公式SJ＝Zt×b3+Vt×b4+Gt×b5+Tz×b6计算得到无人船的航行系数SJ，其中b3、b4、b5、b6均为系数因子；
船舶分析模块用于将无人船的航行系数SJ和航行时间段进行统合得到航行记录，并将航行记录打上时间戳存储至云平台；
损耗评估模块与云平台相连接，用于根据云平台存储的带有时间戳的航行记录对无人船进行损耗系数评估，具体评估过程如下：
根据时间戳，获取预设时间段内无人船的航行记录；统计无人船的航行总次数为C1；将每个航行记录中的航行系数标记为SJi；将相邻航行时间段进行差值计算得到停泊时长DTi；其中SJi与DTi一一对应；
设定若干个停泊时长阈值并标记为Yr，r＝1，……，z；且Y1＜Y2＜……＜Yz；每个停泊时长阈值均对应一个预设航行系数范围，依次分别为(y1，y2]，……，(yr，yr+1]；当SJi∈(yr，yr+1]，则航行系数对应的停泊时长阈值为Yr；将停泊时长DTi与对应的停泊时长阈值Yr相比较；
当DTi小于Yr，则认为无人船没有得到充分休息，产生额外损耗；统计DTi小于Yr的次数为损耗频次P1；当DTi小于Yr时，获取DTi与Yr的差值并求和得到差泊总值TZ；利用公式SH＝η×C1×(P1×a1+TZ×a2)计算得到无人船的损耗系数SH，其中a1、a2均为系数因子；η为均衡因子；
将损耗系数SH与预设损耗阈值相比较；若SH大于预设损耗阈值，则生成损耗信号；损耗评估模块用于将损耗信号发送至云平台，以提醒管理员对无人船进行检修养护工作，提高航行安全。
更进一步的技术方案在于：该系统还包括通信模式切换模块；通信模式切换模块用于管理员在地面站软件上控制地面站与无人船的4G网络模式与无线电台模式通信切换；
更进一步的技术方案在于：该系统还包括视频监视模块；视频监视模块包括船载光电设备，用于远程视频监视无人船的周边环境；
更进一步的技术方案在于：该系统还包括远程开关模块；远程开关模块用于管理员通过地面站软件或手持遥控器远程控制无人船发动机的启动或停止以及无人船上导航雷达、激光雷达等传感器的开关。
上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。
本发明的工作原理：
无人船地面站交互系统，在工作时，信息显示和报警模块用于通过地面站软件实时对无人船的航行速度、偏航角、位置信息、障碍物方位距离、电池电量、无人船主机、油量等状态进行监测并显示，对异常状态进行报警；路径规划模块用于管理员在地面站软件上规划无人船的任务航线及HOME点的返回位置；自主导航模块用于采集无人船的导航定位信息，并控制无人船按照既定的目标位置航行，做到位置跟踪；
协同管理模块用于获取无人船的任务航线和航行途中对应海域的航行环境信息对无人船的最大预计航速进行协同分析，并将无人船在各航行时间段内的最大预计航速V1反馈至航速航向控制模块，以便管理员对无人船的航速进行调整，提高航行安全；
船舶监测模块用于对无人船的航行时序数据进行监测；船舶分析模块用于接收无人船的航行时序数据并进行航行系数分析，然后将无人船的航行系数SJ和航行时间段进行统合得到航行记录；损耗评估模块用于根据云平台存储的带有时间戳的航行记录对无人船进行损耗系数评估，若损耗系数SH大于预设损耗阈值，则生成损耗信号以提醒管理员对无人船进行检修养护工作，提高航行安全。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (8)
1.无人船地面站交互系统，其特征在于，包括信息显示和报警模块、路径规划模块、协同管理模块、船舶监测模块以及损耗评估模块；
所述信息显示和报警模块用于通过地面站软件实时对无人船的航行速度、偏航角、位置信息、障碍物方位距离、电池电量、无人船主机以及油量进行监测并显示，对异常状态进行报警；
所述路径规划模块用于管理员在地面站软件上规划无人船的任务航线及HOME点的返回位置，并将规划的任务航线及HOME点的返回位置反馈至自主导航模块；所述自主导航模块用于采集无人船的导航定位信息，并控制无人船按照既定的目标位置航行，做到位置跟踪；
所述协同管理模块用于获取无人船的任务航线和航行途中对应海域的航行环境信息对所述无人船的最大预计航速进行协同分析，并将无人船在各航行时间段内的最大预计航速V1反馈至航速航向控制模块，以供管理员对无人船的航速进行调整；
所述船舶监测模块用于对无人船的航行时序数据进行监测，并将航行时序数据传输至船舶分析模块进行航行系数SJ分析；所述船舶分析模块用于将无人船的航行系数SJ和航行时间段进行统合得到航行记录并存储至云平台；
所述损耗评估模块与云平台相连接，用于根据云平台存储的带有时间戳的航行记录对无人船进行损耗系数SH评估；若损耗系数SH大于预设损耗阈值，则生成损耗信号；以提醒管理员对无人船进行检修养护工作。
2.根据权利要求1所述的无人船地面站交互系统，其特征在于，所述协同管理模块的具体分析步骤为：
获取无人船的任务航线，统计所述任务航线途经的各个海域；根据所述无人船的当前位置统计所述无人船途经各个海域的航行时间段；
通过访问气象平台，获取各航行时间段内对应海域的航行环境信息；所述航行环境信息包括各天气参数的最大预计数据；其中各天气参数包括降雨量、降雪量、雾浓度和风速；
将各天气参数的最大预计数据与数据库中存储的对应天气参数的安全数据进行对比，得到对应天气参数的数据差值；
获取大于零的各天气参数的数据差值，结合数据库中存储的各天气参数对船只海上航行的影响因子，计算得到环境影响系数HX；
获取所述无人船的载重信息并标记为Z1，利用公式XC＝HX×b1+Z1×b2计算得到航速影响系数XC；其中，b1、b2均为系数因子；
根据航速影响系数XC确定无人船的最大预计航速为V1，具体包括：数据库内存储有航速影响系数范围与航速阈值的对照表。
3.根据权利要求1所述的无人船地面站交互系统，其特征在于，所述船舶分析模块的具体分析过程如下：
获取无人船的航行时序数据，分析得到无人船的航行时间段；所述航行时序数据包括同一时刻的无人船载重数据、航速数据和加速度数据；
在所述航行时间段内，将无人船的载重最大值标记为Zt，航速最大值标记为Vt，加速度最大值标记为Gt；统计无人船的航行时长为Tz；
利用公式SJ＝Zt×b3+Vt×b4+Gt×b5+Tz×b6计算得到无人船的航行系数SJ，其中b3、b4、b5、b6均为系数因子。
4.根据权利要求3所述的无人船地面站交互系统，其特征在于，所述损耗评估模块的具体评估过程如下：
根据时间戳，获取预设时间段内无人船的航行记录；统计无人船的航行总次数为C1；将每个航行记录中的航行系数标记为SJi；将相邻航行时间段进行差值计算得到停泊时长DTi；其中SJi与DTi一一对应；
设定若干个停泊时长阈值并标记为Yr，r＝1，……，z；且Y1＜Y2＜……＜Yz；每个停泊时长阈值均对应一个预设航行系数范围，依次分别为(y1，y2]，……，(yr，yr+1]；当SJi∈(yr，yr+1]，则航行系数对应的停泊时长阈值为Yr；将停泊时长DTi与对应的停泊时长阈值Yr相比较；当DTi小于Yr，则认为无人船没有得到充分休息，产生额外损耗；
统计DTi小于Yr的次数为损耗频次P1；当DTi小于Yr时，获取DTi与Yr的差值并求和得到差泊总值TZ；利用公式SH＝η×C1×(P1×a1+TZ×a2)计算得到所述无人船的损耗系数SH，其中a1、a2均为系数因子；η为均衡因子。
5.根据权利要求1所述的无人船地面站交互系统，其特征在于，所述自主导航模块还用于在无人船偏离任务航线时，利用信息显示和报警模块进行报警，以提醒管理员通过航速航向控制模块调整无人船的航向。
6.根据权利要求1所述的无人船地面站交互系统，其特征在于，该系统还包括通信模式切换模块；所述通信模式切换模块用于管理员在地面站软件上控制地面站与无人船的4G网络模式与无线电台模式通信切换。
7.根据权利要求1所述的无人船地面站交互系统，其特征在于，该系统还包括远程开关模块；所述远程开关模块用于管理员通过地面站软件或手持遥控器远程控制无人船发动机的启动或停止以及无人船上导航雷达、激光雷达的开关。
8.根据权利要求1所述的无人船地面站交互系统，其特征在于，该系统还包括视频监视模块；所述视频监视模块包括船载光电设备，用于远程视频监视无人船的周边环境。
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