CN104267723A - 远洋船舶导航自动航行***及导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远洋船舶导航自动航行***及导航方法，自动航行***包括自动航行控制器、触摸屏、轨迹球、三维电子海图模块、GPS模块、船舶雷达模块、AIS模块、罗盘模块、计程模块、风向风速测量模块、测深模块、4G无线网络通讯模块；所述触摸屏、轨迹球、三维电子海图模块、GPS模块、船舶雷达模块、AIS模块、罗盘模块、计程模块、风向风速测量模块、测深模块、4G无线网络通讯模块分别与自动航行控制器相连。本发明的导航方法在电子海图上标记起点和终点，自动安排最佳路线，自动航行期间回避路线中的障碍物和航行船只，自动驾驶船舶行进到指定终点，降低船舶的人员配置，减轻船员的工作强度。

Description

远洋船舶导航自动航行***及导航方法

技术领域

本发明涉及一种自动航行***，尤其涉及一种远洋船舶自动航行***及其导航方法，属于船舶设备技术领域。

背景技术

船舶远洋航海操控和飞机航天操控一样，需要操控员具有丰富的知识体系，专业的操控技术，尤其需要操控员精神高度集中，实时观察船舶航行中的各种状况。现在飞行自动驾驶技术已经广泛应用到航空航天领域，飞行自动驾驶设备可以大幅降低飞行员的工作强度，简化飞行操作的难度。同样船舶导航自动航行技术可以精减船舶的操作人员，降低人员的工作强度，简化操作难度。

自从美国建成“子午仪”卫星导航***后，世界各国都在大力发展各自的导航卫星***。目前，俄罗斯、法国、日本、中国都建立了各自的卫星导航***。卫星导航***立体覆盖全球空间，可以实现精确的三维定位和实时测速，并且具有抗干扰性强，实时性优异的特点。随着卫星导航***的飞速发展，电子地图也在日新月异的进化。目前配备GPS(全球定位***)、电子罗盘仪的智能手持电子设备已经深入人们的日常生活。这类设备具有小型化、高精度、可民用等一系列优点。

综上所述，如果开发一款只需在电子地图上标示出起点和终点，就可以自动设置最佳的行驶路线，根据GPS(全球定位***)数据、三维电子地图数据、航线天气数据、航线水文数据、船舶雷达数据、AIS(船舶自动应答***)数据等，实时监测船舶的行驶状况，自动修正船舶的最佳路线，并将当前航线和预测航线上报给相关管理部门备案，使得船舶快捷、安全、自动行驶到指定终点的设备将具有极大的意义。这种自动航行设备可以提高船舶操控的自动化水平，最主要的是可以精减驾驶人员，极大降低驾驶人员的工作强度。随着高精度，高动态传感器的发展，自动导航技术正处于一个快速发展的上升期，因此研制船舶导航自动航行装置不仅符合自动导航技术的发展状况，在弥补船舶自动导航驾驶领域的相关空白也具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种远洋船舶导航自动航行设备及导航方法，该设备实时整合各方面的数据，自动操纵船舶安全可靠地行驶到目的地。这种船舶自动航行装置可以降低工作人员的工作强度，减少船舶人员的配置人数。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种远洋船舶导航自动航行***，包括自动航行控制器、触摸屏、轨迹球、三维电子海图模块、GPS模块、船舶雷达模块、AIS模块、罗盘模块、计程模块、风向风速测量模块、测深模块、4G无线网络通讯模块；所述触摸屏、轨迹球、三维电子海图模块、GPS模块、船舶雷达模块、AIS模块、罗盘模块、计程模块、风向风速测量模块、测深模块、4G无线网络通讯模块分别与自动航行控制器相连。

一种远洋船舶导航自动航行***的导航方法，包括以下步骤：

S1：通过触摸屏或轨迹球输入自动航行的出发点和目的地；

S2：求取出发点与目的地之间的最短航行路线；

S3：计算船舶航行平均速度，预计船舶的理论航线，结合理论航线中的天气、水文情况，修正最短航行路线得到理论最佳航行路线；

S4：通过GPS模块定位船舶当前实际位置，并结合罗盘模块、计程模块、风向风速测量模块和4G无线网络通信模块得到的理论最佳航行路线后几天航线中的天气、水文预计信息，判断后几天的航行状态，进而修正理论最佳航行路线得到实际最佳航行路线；

S5：根据船舶雷达模块的扫描信息和测深模块的水深信息，实时观测礁石或暗礁的情况，进一步修正实际最佳航行路线；

S6：根据雷达模块的扫描信息和AIS(船舶自动应答***)模块的数据与来船自动交换信息，实现避让动作；

S7：将实际航行的实际最佳航行路线备份并通过4G无线网络通信将最新的实际最佳航行路线上报给航管部门更新备案。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

前述远洋船舶导航自动航行***的导航方法，其中步骤S2求取出发点与目的地之间的最短航行路线的方法为：

首先，在电子海图中标记出起点和终点；第二，计算起点和终点之间的之间直线最短航线；第三，判断直线最短航线中是否存在障碍物；第四，如果存在障碍物，判断最短航线与障碍物的交点，并在该交点出作垂线，垂线的长度＝垂线方向的障碍物长度+安全距离；第五，连接该段起点和垂线最短的一端，该段称为最短航线_i，i为段编号；第六，将此段终点，即垂线最短的一端定义为下一个判断周期的起点；循环到第二步，以新定义的起点作出和终点之间的直线最短航线，继续判断直线最短航线中是否存在障碍物；第七，只有直线最短航线中不再存在障碍物，依次逐段连接最短航线_i，就可以得到出发点和终点之间的最短航线路线。

前述远洋船舶导航自动航行***的导航方法，其中步骤S4中修正理论最佳航行路线得到实际最佳航行路线的方法为：将天气恶劣和水文恶劣情况视为障碍物进行规避。

前述远洋船舶导航自动航行***的导航方法，其中步骤S6中实现避让动作的方法为：

首先，船舶雷达模块以船舶为中心扫描周围情况，在避让距离发现有来船；第二，AIS模块向来船发出应答信号；第三，判断来船是否应答自船所发出的应答信号；第四，如果来船不应答自船所发出的应答信号，***发出警报，切换到人工控制；第五，如果来船应答自船所发出的应答信号，***互相交换行驶路线，判断自船航线中，来船是否和自船保持安全距离；第六，如果自船航线中，来船和自船可以保持安全距离，自船无需改变自身的航线，正常行驶即可；第七，如果自船航线中，来船和自船不能保持安全距离，***使自船和来船进行通信，确认自船和来船的避让方向，两艘船的避让方向必须相反；第八，雷达模块扫描来船，确认自船和来船之间的距离；第九，***在两船之间选择避让点；第十，在避让点处以安全距离作等距垂线，并连接自船、来船及等距垂线的两端，使之构成一个四边形；第十一，判断四边形任意一条边是否与障碍物相交；第十二，如果四边形任意一条边都不与障碍物相交，则两船按照约定的避让方向，先向等距垂线的一端，再向对方船的位置行驶，进行避让动作；第十三，如果四边形任意一条边与障碍物相交，需要判断选择避让点是否超过一定的次数；第十四，如果选择避让点超过一定的次数，说明无论如何选择避让点，都不能使得自船和来船以会车的行驶通过该航道，需要AIS模块联系自船和来船，实行自船或者来船的等待避让动作；第十五，如果选择避让点没有超过一定的次数，说明可能存在安全会车的避让点，重新选择新的避让点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明只需在电子海图上标记起点和终点，就可以自动安排最佳路线，自动驾驶船舶行进到指定终点。自动航行期间可以自动判断路线，回避路线中的障碍物和航行船只，降低船舶的人员配置，减轻船员的工作强度。

附图说明

图1是本发明船舶导航自动航行设备***结构图；

图2是本发明船舶导航自动航行程序流程图；

图3是计算最短航行路线示例图；

图4是最短航行路线计算流程图；

图5是将理论最佳航行路线修正为实际最佳航行路线示例图；

图6是根据雷达模块的扫描信息和AIS模块进行自动避让的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，是本发明提出的船舶导航自动航行装置的***结构图。船舶导航自动航行装置最重要的是自动航行控制器，自动航行控制器是设备的核心。触摸屏是***的输入输出设备，轨迹球可以辅助***进行输入；三维电子海图向自动航行控制器提供海域的地理、水文、天气等自然信息；4G无线网络通信模块负责船舶和控制台之间的数据交换，可以实时更新航道海域的地理、水文、天气、船舶航线等相关信息；GPS(全球定位***)模块用来实时准确定位船舶的经纬度；船舶雷达以船舶为中心扫描周边海域，实时监测周边海域的情况(岛屿、礁石、暗礁、船舶)，保证所有障碍物都在船舶航线的安全距离之外；AIS(船舶自动应答)模块用于自船和来船交换信息，控制船舶会车的行驶；罗盘模块用于确定船舶的方位；计程模块用于记录船舶航行的路线和里程数；风向测量模块用于测量风向及风速；测深模块用于测量船舶周围的水文信息。

本发明所提出的船舶导航自动航行装置，关键在于计算导航算法，只需在电子海图上标记起点和终点，船舶导航自动航行装置就可以自动安排最佳路线，自动驾驶船舶行进到指定终点。自动航行期间可以自动选择路线，回避路线中的障碍物和航行船只，极大得降低船舶的人员配置，减轻船员的工作强度。因此这种船舶导航自动航行装置具有重要的应用意义和经济价值。

如图2所示，图2是本发明提出的船舶导航自动航行***的程序流程图。步骤如下：

S1：通过触摸屏或轨迹球输入自动航行的出发点和目的地；

通过触摸屏或轨迹球在三维电子海图中标志出航行的起点和终点，这里触摸屏不仅起到输入作用还起到显示航行路线、显示相关信息的输出作用。

S2：自动航行控制器求取出发点与目的地之间的最短航行路线；

最短航行路线的计算，原则是根据船舶当前的船身吃水数据，避免三维电子海图中所有障碍物，如岛屿，礁石，暗礁等。避免三维电子海图中的障碍物时，以最小的目标偏移角度为准则。

图3是在电子海图上标示起点和终点，并计算最短航行路线的一个实例。

如图3所示，首先在三维电子海图上标志出起点和终点，点虚线a1为起点到终点的直线最短距离，点虚线a1与障碍物“永兴岛”相交；取其交点作垂线a2，垂线的长度＝垂线方向的障碍物长度+安全距离；判断垂线最短端，此端为下一个最短航行路线判断周期中的起点；连接起点和垂线最短端，得到虚线a3，虚线a3为此段航程中的最短航行路线；以下一个最短航行路线判断周期中的起点向终点做直线，继续判断此直线航线中是否存在障碍物，如果存在障碍物，就需要重复上述的判断，求取直线航线和障碍物的交点，交点处作垂线，判断垂线最短的一端，连接该段起点和垂线最短的一端得到该段最短航线路线，如此得到线段a4～a10。

图4是最短航行路线计算流程图。首先，需要在电子海图中标记出起点和终点；第二，计算起点和终点之间的之间直线最短航线；第三，判断直线最短航线中是否存在障碍物；第四，如果存在障碍物，判断最短航线与障碍物的交点，并在该交点出作垂线，垂线的长度＝垂线方向的障碍物长度+安全距离；第五，连接该段起点和垂线最短端，该段称为最短航线_i，i为段编号；第六，将此段终点，即垂线最短端定义为下一个判断周期的起点；循环到第二步，以新定义的起点作出和终点之间的之间直线最短航线，继续判断直线最短航线中是否存在障碍物；第七，只有直线最短航线中不再存在障碍物，依次逐段连接最短航线_i，就可以得到出发点和终点之间的最短航线路线。

S3：计算船舶航行平均速度，预计船舶的理论航线，结合理论航线中的天气，水文情况，修正最短航行路线得到理论最佳航行路线；

集合计程模块计算船舶航行的平均速度，预测船舶的理论航行线路，即何时船舶可以航行到何处，根据预测的天气、水文情况，结合船舶预测的理论航行路线，调整最短航行路线，得到理论最佳航行路线。

S4：进一步修正理论最佳航行路线得到实际最佳航行路线；

通过GPS(全球定位***)模块定位船舶当前实际位置，并结合罗盘、计程、风向风速测量模块和4G无线网络通信得到的理论最佳航行路线中今后几天的气象和水文预测信息，修正航行路线，对今后几天中水文恶劣、气象恶劣的海域进行预测规避，从而进一步修正理论最佳航行路线得到实际最佳航行路线。

如图5所示，图5是将理论最佳航行路线进一步修正为实际最佳航行路线。路线修正的过程和最短航行路线计算流程比较相似，主要区别在于修正过程紧密结合未来几天预测的气象、水文情况，将气象恶劣和水文恶劣情况视为障碍物进行规避。对比图3和图5，图5中圆圈代表气象恶劣或者水文恶劣情况，在实际最佳航行路线规划时需要进行规避，规避的流程和图4中最短航行路线计算流程一样。

图5中，b10表示b8垂线的最短端(b9实际最佳航行路线的终点/b12实际最佳航行路线的起点)到终点的理论最佳航行路线，由于圆圈(代表气象恶劣或者水文恶劣海域)的存在，船舶的理论最佳航行路线被阻碍。b10与圆圈相交；取其交点做垂线b11，垂线的长度＝垂线方向的障碍物长度+安全距离；判断垂线最短的一端，此端为下一个实际最佳航行路线修正周期中的起点，连接b8垂线的最短端和b11垂线的最短端，得到实际最佳航行路线段b12。同理依次可以得到b13～b16，连接b3，b6，b9，b12，b15，b16，得到修正过后的实际最佳航行路线。

S5：根据雷达模块的扫描信息和测深模块的水深信息，实时观测礁石或暗礁的情况，进一步修正实际最佳航行路线；

雷达和测深模块实时扫描船舶周围的地理和水文情况，防止三维电子海图上面没有标注的信息以及实时变化的水深情况，保证船舶周围的安全区域。

S6：根据雷达模块的扫描信息和AIS(船舶自动应答***)模块的数据与来船自动交换信息，实现避让动作；

如图6所示，图6是根据雷达模块的扫描信息和AIS(船舶自动应答***)模块进行自动避让的流程。首先，雷达以船舶为中心扫描周围情况，在避让距离发现有来船；第二，AIS(船舶自动应答***)向来船发出应答信号；第三，判断来船是否应答自船所发出的应答信号；第四，如果来船不应答自船所发出的应答信号，***发出警报，通知值班船员，需要提高警惕，切换到人工控制；第五，如果来船应答自船所发出的应答信号，***互相交换行驶路线，判断自船航线中，来船是否和自船保持安全距离；第六，如果自船航线中，来船和自船可以保持安全距离，自船无需改变自身的航线，正常行驶即可；第七，如果自船航线中，来船和自船不能保持安全距离，***使自船和来船进行通信，确认自船和来船的避让方向，两艘船的避让方向必须相反；第八，雷达模块扫描来船，确认自船和来船之间的距离；第九，***在两船之间选择避让点；第十，在避让点处以安全距离作等距垂线，并连接自船、来船及等距垂线的两端，使之构成一个四边形；第十一，判断四边形任意一条边是否与障碍物相交；第十二，如果四边形任意一条边都不与障碍物相交，则两船按照约定的避让方向，先向等距垂线的一端，再向对方船的位置行驶，进行避让动作；第十三，如果四边形任意一条边与障碍物相交，需要判断选择避让点是否超过一定的次数；第十四，如果选择避让点超过一定的次数，说明无论如何选择避让点，都不能使得自船和来船以会车的行驶通过该航道，需要AIS(船舶自动应答***)联系自船和来船，实行自船或者来船的等待避让动作；第十五，如果选择避让点没有超过一定的次数，说明可能存在安全会车的避让点，重新选择新的避让点。

S7：一段时间之后，将实际航行的实际最佳航行路线备份并通过4G无线网络通信将最新的实际最佳航行路线上报给航管部门更新备案。

通过4G无线无线网络通信模块将最新得到实际最佳航行路线预报给航管部门进行备案备查。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种远洋船舶导航自动航行***，其特征在于，包括自动航行控制器、触摸屏、轨迹球、三维电子海图模块、GPS模块、船舶雷达模块、AIS模块、罗盘模块、计程模块、风向风速测量模块、测深模块、4G无线网络通讯模块；所述触摸屏、轨迹球、三维电子海图模块、GPS模块、船舶雷达模块、AIS模块、罗盘模块、计程模块、风向风速测量模块、测深模块、4G无线网络通讯模块分别与自动航行控制器相连。

2.一种如权利要求1所述的远洋船舶导航自动航行***的导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过触摸屏或轨迹球输入自动航行的出发点和目的地；

S2：求取出发点与目的地之间的最短航行路线；

S3：计算船舶航行平均速度，预计船舶的理论航线，结合理论航线中的天气、水文情况，修正最短航行路线得到理论最佳航行路线；

S4：通过GPS模块定位船舶当前实际位置，并结合罗盘模块、计程模块、风向风速测量模块和4G无线网络通信模块得到的理论最佳航行路线后几天航线中的天气、水文预计信息，判断后几天的航行状态，进而修正理论最佳航行路线得到实际最佳航行路线；

S5：根据船舶雷达模块的扫描信息和测深模块的水深信息，实时观测礁石或暗礁的情况，进一步修正实际最佳航行路线；

S6：根据雷达模块的扫描信息和AIS模块的数据与来船自动交换信息，实现避让动作；

S7：将实际航行的实际最佳航行路线备份并通过4G无线网络通信将最新的实际最佳航行路线上报给航管部门更新备案。

3.如权利要求2所述的远洋船舶导航自动航行***的导航方法，其特征在于，所述步骤S2求取出发点与目的地之间的最短航行路线的方法为：

首先，在电子海图中标记出起点和终点；第二，计算起点和终点之间的之间直线最短航线；第三，判断直线最短航线中是否存在障碍物；第四，如果存在障碍物，判断最短航线与障碍物的交点，并在该交点出作垂线，垂线的长度＝垂线方向的障碍物长度+安全距离；第五，连接该段起点和垂线最短的一端，该段称为最短航线_i，i为段编号；第六，将此段终点，即垂线最短的一端定义为下一个判断周期的起点；循环到第二步，以新定义的起点作出和终点之间的直线最短航线，继续判断直线最短航线中是否存在障碍物；第七，只有直线最短航线中不再存在障碍物，依次逐段连接最短航线_i，就可以得到出发点和终点之间的最短航线路线。

4.如权利要求2所述的远洋船舶导航自动航行***的导航方法，其特征在于，所述步骤S4中修正理论最佳航行路线得到实际最佳航行路线的方法为：将天气恶劣和水文恶劣情况视为障碍物进行规避。

5.如权利要求2所述的远洋船舶导航自动航行***的导航方法，其特征在于，所述步骤S6中实现避让动作的方法为：

首先，船舶雷达模块以船舶为中心扫描周围情况，在避让距离发现有来船；第二，AIS模块向来船发出应答信号；第三，判断来船是否应答自船所发出的应答信号；第四，如果来船不应答自船所发出的应答信号，***发出警报，切换到人工控制；第五，如果来船应答自船所发出的应答信号，***互相交换行驶路线，判断自船航线中，来船是否和自船保持安全距离；第六，如果自船航线中，来船和自船可以保持安全距离，自船无需改变自身的航线，正常行驶即可；第七，如果自船航线中，来船和自船不能保持安全距离，***使自船和来船进行通信，确认自船和来船的避让方向，两艘船的避让方向必须相反；第八，雷达模块扫描来船，确认自船和来船之间的距离；第九，***在两船之间选择避让点；第十，在避让点处以安全距离作等距垂线，并连接自船、来船及等距垂线的两端，使之构成一个四边形；第十一，判断四边形任意一条边是否与障碍物相交；第十二，如果四边形任意一条边都不与障碍物相交，则两船按照约定的避让方向，先向等距垂线的一端，再向对方船的位置行驶，进行避让动作；第十三，如果四边形任意一条边与障碍物相交，需要判断选择避让点是否超过一定的次数；第十四，如果选择避让点超过一定的次数，说明无论如何选择避让点，都不能使得自船和来船以会车的行驶通过该航道，需要AIS模块联系自船和来船，实行自船或者来船的等待避让动作；第十五，如果选择避让点没有超过一定的次数，说明可能存在安全会车的避让点，重新选择新的避让点。