一種水面無人艇導(dǎo)航與控制遙操作平臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水面無人艇導(dǎo)航與控制遙操作平臺，包括導(dǎo)航雷達、自動識別系統(tǒng)、航姿參考系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速與舵角傳感器、車舵控制模塊、艇載工控計算機以及岸基/母船控制計算機，岸基/母船控制計算機與艇載工控計算機通過TCP/IP或UDP協(xié)議雙向連接，導(dǎo)航雷達和自動識別系統(tǒng)通過RS422/485模塊與岸基/母船控制計算機連接，自動識別系統(tǒng)、航姿參考系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速與舵角傳感器分別連接艇載工控計算機，艇載工控計算機通過車舵控制模塊連接轉(zhuǎn)速與舵角傳感器，岸基/母船控制計算機分別連接基于滑阻的車鐘與舵令傳感器和轉(zhuǎn)速及舵角表盤顯示模塊，本發(fā)明在引導(dǎo)航行過程中，能夠通過雷達跟蹤數(shù)據(jù)及自動識別系統(tǒng)參數(shù)實時分析艇周目標與無人艇的碰撞危險并給出試操船避讓方案。
【專利說明】
一種水面無人艇導(dǎo)航與控制遙操作平臺
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及無人艇控制技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種水面無人艇導(dǎo)航與控制遙操作平 臺。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著機器人技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、計算機技術(shù)以及航海技術(shù)的迅猛發(fā)展，無人艇逐 漸應(yīng)用于海面環(huán)境監(jiān)測、海上事故搜尋救助、海上交通疏導(dǎo)、協(xié)助維護海上交通秩序、近遠 程目標識別與追蹤等領(lǐng)域。目前，水面無人艇的操作方式主要分為全自動操作和由人工遙 控操作兩種形式，或者可以手動操控和自主航行雙模操控。
[0003] 在過去20年中，無人裝備尤其是無人機的軍事應(yīng)用取得了突飛猛進的發(fā)展，各國 對無人艇技術(shù)的研究也逐年加強。當前的無人艇主要由美國、英國、法國、加拿大、以色列、 日本等10余個國家研制，能夠完成情報搜集、物理表征、反水雷、海事安全和訓(xùn)練測試等方 面任務(wù)。單純無人艇制導(dǎo)研究主要包含:一、路徑規(guī)劃方面研究，已經(jīng)有了一定的研究成果， 主要是基于給定的海洋環(huán)境信息(通?；陔娮雍D）來獲取無人艇所經(jīng)過區(qū)域的靜態(tài)障 礙物信息的大范圍離線路徑規(guī)劃，主要方法有:柵格法、勢場法、路徑尋優(yōu)Dijkstra算法、遺 傳算法、A*算法以及這幾種算法改進的組合方法等;二、智能或在線支持避碰方法研究，主 要是基于雷達和AIS獲取附近船舶信息的小范圍在線路徑動態(tài)規(guī)劃。常用的方法有:遺傳算 法、模糊理論、進化算法、粒子群算法、智能學習機制、基于避碰規(guī)則的確定性協(xié)同路徑規(guī)劃 算法以及組合算法等。三、數(shù)據(jù)鏈建立及運動控制方法研究，目前一般基于無線遙控器的低 端控制距離較短，不適合超視距遙控，且數(shù)據(jù)傳輸帶寬也較小，存在著小艇失控而無法回收 的風險。對于船艇智能自動舵的控制方法理論研究成果比較豐富，包括模糊控制、專家控 制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、仿人智能控制、多種控制方法組合起來的混合智能控制等。但很多技術(shù) 的產(chǎn)業(yè)化還處于早期階段，用于無人艇運動控制還很少見，大都是仿真實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種水面無人艇導(dǎo)航與控制遙操作平臺，以解決上述背景 技術(shù)中提出的問題。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:一種水面無人艇導(dǎo)航與控制遙操作 平臺，包括導(dǎo)航雷達、自動識別系統(tǒng)、航姿參考系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速與舵角傳感器、車舵控制模塊、艇 載工控計算機以及岸基/母船控制計算機，所述岸基/母船控制計算機與艇載工控計算機通 過TCP/IP或UDP協(xié)議雙向連接，所述導(dǎo)航雷達和自動識別系統(tǒng)通過RS422/485模塊與岸基/ 母船控制計算機連接，所述自動識別系統(tǒng)、所述航姿參考系統(tǒng)、所述轉(zhuǎn)速與舵角傳感器分別 連接艇載工控計算機，所述艇載工控計算機通過車舵控制模塊連接轉(zhuǎn)速與舵角傳感器，所 述岸基/母船控制計算機還分別連接基于滑阻的車鐘與舵令傳感器和轉(zhuǎn)速及舵角表盤顯示 模塊。
[0006] 優(yōu)選的，所述岸基/母船控制計算機包括電子海圖航線設(shè)計模塊、雷達與自動識別 系統(tǒng)目標軌跡融合模塊、碰撞危險判斷模塊、試操船方案及出界判斷模塊、控制算法及操縱 指令模塊以及艇載參數(shù)采集與顯示模塊，所述電子海圖航線設(shè)計模塊依次連接雷達與自動 識別系統(tǒng)目標軌跡融合模塊、碰撞危險判斷模塊、試操船方案及出界判斷模塊、控制算法及 操縱指令模塊，所述控制算法及操縱指令模塊與艇載參數(shù)采集與顯示模塊雙向連接。
[0007] 優(yōu)選的，所述碰撞危險判斷模塊評判算法如下：已知目標位置Q:(各,#)，無人艇位 置，目標真航向、航速(Qjv.O,艇向、航速分步求取目標相對艇的方位、距 離(?，戽);進一步計算目標危險系數(shù)，步驟如下:A、計算目標東、北向航速：
其中，剩余距離、時間表示緊迫程度，最近會遇距離表示對艇危險程度，若小于安全閾， 系統(tǒng)報警并提示或給出參考避讓方案，方案算法與碰撞危險判斷模塊評判算法相同，即：給 出假定的艇向與艇速參與上述技術(shù)，直至最近會遇距離大于設(shè)定閾。
[0008] 優(yōu)選的，所述試操船方案及出界判斷模塊算法如下:設(shè)無人艇位置P為:(4,?)，預(yù) 設(shè)航線包含航路點為：，航線含分段：其中任一分段：，（為；=>Vl. Λ，民.巧..__:>^， C= Xp *知），其中：化..=.4，；)^ Ε.'?%，若為^￡.(為-1，4:]，.(〇:.<:.名女)，則無人艇 位置P偏離計劃航線距離為= [4X+ + |//V + ，若士>為預(yù)設(shè)允 許偏航距離），系統(tǒng)給出警告；同理，設(shè)置多變形極限可航范圍，構(gòu)建多邊形各邊方法與航線 構(gòu)建方法相同，最后一條邊為最后一個端點與第一端點的封閉，構(gòu)建的多邊形無論是凸殼 還是凹殼多邊形，只要邊不自交，以艇位置為起點構(gòu)建向下的射線u = 妁），與多 邊形各邊交點數(shù)為奇數(shù)時，則艇位置在極限可航范圍內(nèi)，否則，出界，給出危險報警，算法 為:遍歷多邊形各邊，若則構(gòu)建射線與該段無交點；若;代 入該邊函數(shù)4,解得:?映射解跑>，若^· S飾，判斷有交點，并得交點坐標df.^p.)，交點計數(shù) 變量加1;反之，與該邊無交點；累計交點數(shù)，除2取余計算后，余數(shù)為1判為奇數(shù)，得艇位置在 界內(nèi)，反之越界。
[0009] 優(yōu)選的，所述基于滑阻的車鐘與舵令傳感器包括電源模塊、單片機、傳感器以及串 口通信模塊，所述單片機分別連接電源模塊、傳感器以及串口通信模塊，所述單片機采用 STC12C5A60S單片機，所述傳感器采用滑阻式或磁敏式角位移傳感器。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明在引導(dǎo)航行過程中，系統(tǒng)通過雷達 跟蹤數(shù)據(jù)及自動識別系統(tǒng)參數(shù)實時分析艇周目標與無人艇的碰撞危險并給出試操船避讓 方案，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)基于4G網(wǎng)絡(luò)的艇上傳感器數(shù)據(jù)回傳并將對艇車舵遙操作指令發(fā)送到 艇，艇收令后利用PELCO-D指令驅(qū)動艇上車舵設(shè)備，本發(fā)明還可以進一步實現(xiàn)航行及避碰的 全程自動化，搭載任務(wù)模塊亦可完成專項任務(wù)，系統(tǒng)研究對抵近搜索偵察、險惡環(huán)境仿人作 業(yè)具有一定意義。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖； 圖2為本發(fā)明的控制流程圖； 圖3為本發(fā)明的基于滑阻的車鐘與舵令傳感器控制原理框圖。
【具體實施方式】
[0012] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0013] 請參閱圖1-3,本發(fā)明提供一種技術(shù)方案：一種水面無人艇導(dǎo)航與控制遙操作平 臺，包括導(dǎo)航雷達1、自動識別系統(tǒng)2、航姿參考系統(tǒng)3、轉(zhuǎn)速與舵角傳感器4、車舵控制模塊 5、艇載工控計算機6以及岸基/母船控制計算機7,所述岸基/母船控制計算機7與艇載工控 計算機6通過TCP/IP或UDP協(xié)議雙向連接，所述導(dǎo)航雷達1和自動識別系統(tǒng)2通過RS422/485 模塊與岸基/母船控制計算機7連接，所述自動識別系統(tǒng)2、所述航姿參考系統(tǒng)3、所述轉(zhuǎn)速與 舵角傳感器4分別連接艇載工控計算機6,所述艇載工控計算機6通過車舵控制模塊5連接轉(zhuǎn) 速與舵角傳感器4,所述岸基/母船控制計算機7還分別連接基于滑阻的車鐘與舵令傳感器8 和轉(zhuǎn)速及舵角表盤顯示模塊9,岸基/母船控制計算機7包括電子海圖航線設(shè)計模塊10、雷達 與自動識別系統(tǒng)目標軌跡融合模塊11、碰撞危險判斷模塊12、試操船方案及出界判斷模塊 13、控制算法及操縱指令模塊14以及艇載參數(shù)采集與顯示模塊15,所述電子海圖航線設(shè)計 模塊10依次連接雷達與自動識別系統(tǒng)目標軌跡融合模塊11、碰撞危險判斷模塊12、試操船 方案及出界判斷模塊13、控制算法及操縱指令模塊14,所述控制算法及操縱指令模塊14與 艇載參數(shù)采集與顯示模塊15雙向連接，其中，船用導(dǎo)航雷達及自動識別系統(tǒng)功能:通過雷達 顯控單元內(nèi)的TRACK CONTROL和自動識別系統(tǒng)接口一站式采集雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)、雷達目標跟 蹤數(shù)據(jù)、自動識別系統(tǒng)目標數(shù)據(jù)，獲取艇及艇周目標的位置及運動參數(shù);雷達與自動識別系 統(tǒng)目標軌跡融合模塊:利用位置參數(shù)與運動參數(shù)進行目標數(shù)據(jù)融合，設(shè)定雷達目標與自動 識別系統(tǒng)目標的偏離閾，實現(xiàn)雷達目標與自動識別系統(tǒng)目標的時空對準，對同一目標實現(xiàn) 數(shù)據(jù)歸一;碰撞危險判斷模塊:利用監(jiān)控基站獲取的艇周目標及艇的位置與運動數(shù)據(jù)，計算 艇周目標與艇的碰撞危險參數(shù);試操船方案及出界判斷模塊、控制算法及操縱指令模塊:若 目標與艇存在碰撞危險，利用假定航向、航速反推法，計算出合理的改向改速避讓措施，隨 后，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)車舵指令遠程傳輸，艇獲令后在正常航行與避讓過程中，根據(jù)艇上傳回的 位置與運動數(shù)據(jù)，監(jiān)控實際偏航距離，進一步，監(jiān)控艇位是否越出可航邊界，進一步拓展可 根據(jù)現(xiàn)實位置與航向航速預(yù)測是否會越界及越界時機，以此為基礎(chǔ)調(diào)整導(dǎo)航與避讓方案； 基于滑阻的車鐘與舵令傳感器、轉(zhuǎn)速與舵角傳感器:基站利用模塊仿實船操船裝置給出遙 控操船指令，同樣方式，轉(zhuǎn)速與舵角模塊回傳艇的操船響應(yīng)參數(shù)；以移動4G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)利用 TCP/IP或UDP協(xié)議實現(xiàn)聊天室式基站與艇數(shù)據(jù)互傳;艇載工控計算機:在遙指令下實現(xiàn)對艇 車舵驅(qū)動，采集艇位置、航向、航速、艇姿態(tài)等參數(shù)回傳;轉(zhuǎn)速及舵角表盤顯示模塊:實現(xiàn)各 參數(shù)數(shù)值、虛擬儀表顯示、局面態(tài)勢可視化的綜合顯示。
[0014] 本發(fā)明的實現(xiàn)流程為:監(jiān)控基站系統(tǒng)通過遙指令控制無人艇沿規(guī)劃路徑航行，航 行中通過雷達、自動識別系統(tǒng)等手段及數(shù)據(jù)融合技術(shù)追蹤到無人艇及艇周目標位置與航向 航速等運動參數(shù)，判斷是否是未知的移動障礙物(默認為在航船舶），根據(jù)船舶避碰規(guī)則，實 時計算艇與移動船舶的最近會遇距離DCPA與最小會遇時間TCPA，若有碰撞危險則推算避碰 方案，避讓中，結(jié)合電子海圖預(yù)設(shè)的無人艇運動全局路徑規(guī)劃、允許的偏航距離、極限可航 范圍等信息，分析有無嚴重偏航甚至越界的危險，若有調(diào)整避碰方案，盡量以減速直至停船 避讓，讓請移動障礙物后，復(fù)航至原規(guī)劃路線，若有碰撞危險，重復(fù)試操船及避讓環(huán)節(jié)，直至 航行至終點。
[0015] 本實施例中，碰撞危險判斷模塊12評判算法如下：已知目標位置Q:(冬,?)，無人艇 位置p: d辦)，目標真航向、航速D，艇向、航速(心「/)，分步求取目標相對艇的方位、 距離(備；);進一步計算目標危險系數(shù)，步驟如下:A、計算目標東、北向航速：
其中，剩余距離、時間表示緊迫程度，最近會遇距離表示對艇危險程度，若小于安全閾， 系統(tǒng)報警并提示或給出參考避讓方案，方案算法與碰撞危險判斷模塊評判算法相同，即：給 出假定的艇向與艇速參與上述技術(shù)，直至最近會遇距離大于設(shè)定閾。
[0016] 本實施例中，試操船方案及出界判斷模塊13算法如下:設(shè)無人艇位置P為:(心,你)， 預(yù)設(shè)航線包含航路點為：航線含分段：其中任一分段：（為：.，巧..==. ，其中：? = =碑，若 4￡(4-1，4]，(0<^4)，則無人艇 位置Ρ偏離計劃航線距離為d = hx+ + ，若?ΚΖ祝為預(yù)設(shè)允 許偏航距離），系統(tǒng)給出警告；同理，設(shè)置多變形極限可航范圍，構(gòu)建多邊形各邊方法與航線 構(gòu)建方法相同，最后一條邊為最后一個端點與第一端點的封閉，構(gòu)建的多邊形無論是凸殼 還是凹殼多邊形，只要邊不自交，以艇位置為起點構(gòu)建向下的射線Γ<1)，與多 邊形各邊交點數(shù)為奇數(shù)時，則艇位置在極限可航范圍內(nèi)，否則，出界，給出危險報警，算法 為：遍歷多邊形各邊，若則構(gòu)建射線與該段無交點；若為代 入該邊函數(shù)4，解得Λ映射解跑·，若4講，判斷有交點，并得交點坐標(土,·^)，交點計數(shù) 變量加1;反之，與該邊無交點；累計交點數(shù)，除2取余計算后，余數(shù)為1判為奇數(shù)，得艇位置在 界內(nèi)，反之越界。
[0017] 本實施例中，基于滑阻的車鐘與舵令傳感器8包括電源模塊16、單片機17、傳感器 18以及串口通信模塊19，所述單片機17分別連接電源模塊16、傳感器18以及串口通信模塊 19,所述單片機17采用STC12C5A60S單片機，所述傳感器18采用滑阻式或磁敏式角位移傳感 器，本發(fā)明的STC12C5A60S單片機的8路10位A/D轉(zhuǎn)換可實現(xiàn)多路角度（電壓DC:0~+5V)信號 數(shù)字化，本發(fā)明的單片機中采用P1.6，P1.7通道保證兩路互為備用采集舵令或舵角信號，傳 感器實現(xiàn)140°~220°測角與+1.945~+3.055VDC的線性映射，運用Keil uVision編程巡檢 式輸出傳感器1 〇位二進制工位數(shù)，對應(yīng)測角(-40°~+40° )由上位機解算。同理，實現(xiàn)車鐘令 及艇上油門搖柄(電動推進手柄)位置反饋采集。
[0018] 本發(fā)明在引導(dǎo)航行過程中，系統(tǒng)通過雷達跟蹤數(shù)據(jù)及自動識別系統(tǒng)參數(shù)實時分析 艇周目標與無人艇的碰撞危險并給出試操船避讓方案，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)基于4G網(wǎng)絡(luò)的艇上 傳感器數(shù)據(jù)回傳并將對艇車舵遙操作指令發(fā)送到艇，艇收令后利用PELC0-D指令驅(qū)動艇上 車舵設(shè)備，本發(fā)明還可以進一步實現(xiàn)航行及避碰的全程自動化，搭載任務(wù)模塊亦可完成專 項任務(wù)，系統(tǒng)研究對抵近搜索偵察、險惡環(huán)境仿人作業(yè)具有一定意義。
[0019] 盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以 理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換 和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。
【主權(quán)項】
1. 一種水面無人艇導(dǎo)航與控制遙操作平臺，包括導(dǎo)航雷達、自動識別系統(tǒng)、航姿參考 系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速與艙角傳感器、車艙控制模塊、艇載工控計算機W及岸基/母船控制計算機，其特 征在于:所述岸基/母船控制計算機與艇載工控計算機通過TCP/IP或UDP協(xié)議雙向連接，所 述導(dǎo)航雷達和自動識別系統(tǒng)通過RS422/485模塊與岸基/母船控制計算機連接，所述自動識 別系統(tǒng)、所述航姿參考系統(tǒng)、所述轉(zhuǎn)速與艙角傳感器分別連接艇載工控計算機，所述艇載工 控計算機通過車艙控制模塊連接轉(zhuǎn)速與艙角傳感器，所述岸基/母船控制計算機還分別連 接基于滑阻的車鐘與艙令傳感器和轉(zhuǎn)速及艙角表盤顯示模塊。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水面無人艇導(dǎo)航與控制遙操作平臺，其特征在于:所述岸 基/母船控制計算機包括電子海圖航線設(shè)計模塊、雷達與自動識別系統(tǒng)目標軌跡融合模塊、 碰撞危險判斷模塊、試操船方案及出界判斷模塊、控制算法及操縱指令模塊W及艇載參數(shù) 采集與顯示模塊，所述電子海圖航線設(shè)計模塊依次連接雷達與自動識別系統(tǒng)目標軌跡融合 模塊、碰撞危險判斷模塊、試操船方案及出界判斷模塊、控制算法及操縱指令模塊，所述控 制算法及操縱指令模塊與艇載參數(shù)采集與顯示模塊雙向連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種水面無人艇導(dǎo)航與控制遙操作平臺，其特征在于:所述碰 撞危險判斷模塊評判算法如下：已知目標位置Q:(%譚)，無人艇位置譚〕，目標真航向、 航速解，碼，艇向、航速貸馬)，分步求取目標相對艇的方位、距離獨誠);進一步計算目標危險 系數(shù)，步驟如下： 計算目標東、北向航速：D、移動目標至最近會遇點的剩余距離和所需時間：其中，剩余距離、時間表示緊迫程度，最近會遇距離表示對艇危險程度，若小于安全闊， 系統(tǒng)報警并提示或給出參考避讓方案，方案算法與碰撞危險判斷模塊評判算法相同，即：給 出假定的艇向與艇速參與上述技術(shù)，直至最近會遇距離大于設(shè)定闊。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種水面無人艇導(dǎo)航與控制遙操作平臺，其特征在于:所述試 操船方案及出界判斷模塊算法如下:設(shè)無人艇位置Ρ為:噸·'斟，預(yù)設(shè)航線包含航路點為：，航線 含分段：其中任一分段：，（《*知Γ滿，S抑的心，C ? ~ .Fw 4 % )，其中：冷。為，汾。游，若 ，夢病竭，則無人艇位置P偏離計劃航線距離為戶:冰揮巧，若 (iTi?為預(yù)設(shè)允許偏航距離），系統(tǒng)給出警告；同理，設(shè)置多變形極限可航范圍，構(gòu)建多邊形各 邊方法與航線構(gòu)建方法相同，最后一條邊為最后一個端點與第一端點的封閉，構(gòu)建的多邊 形無論是凸殼還是凹殼多邊形，只要邊不自交，W艇位置為起點構(gòu)建向下的射線（ 終)，與多邊形各邊交點數(shù)為奇數(shù)時，貝幌位置在極限可航范圍內(nèi)，否則，出界，給出 危險報警，算法為:遍歷多邊形各邊，若菩6<魂4，.餐i，則構(gòu)建射線與該段無交點；若4 € (為..;，為：!， 4代入該邊函數(shù)4,解得4映射解論，若船巧，判斷有交點，并得交點坐標(4,般)，交點計數(shù) 變量加1;反之，與該邊無交點；累計交點數(shù)，除2取余計算后，余數(shù)為1判為奇數(shù)，得艇位置在 界內(nèi)，反之越界。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水面無人艇導(dǎo)航與控制遙操作平臺，其特征在于:所述基 于滑阻的車鐘與艙令傳感器包括電源模塊、單片機、傳感器W及串口通信模塊，所述單片機 分別連接電源模塊、傳感器W及串口通信模塊，所述單片機采用STC12C5A60S單片機，所述 傳感器采用滑阻式或磁敏式角位移傳感器。
【文檔編號】G05B19/042GK106094606SQ201610335413
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】馮愛國, 吳煒, 陳婷婷
【申請人】南通航運職業(yè)技術(shù)學院