CN105387858B - 一种游艇智能导航***及工作方法 - Google Patents

一种游艇智能导航***及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种游艇智能导航***，包括主控单元、无线通信单元、图像采集单元、动力控制单元、GPS单元和供电单元；主控单元分别与无线通信单元、图像采集单元、动力控制单元、GPS单元以及供电单元连接；图像采集单元，用于采集外部图像信息并进行图像识别算法处理获取外部环境状态信息；动力控制单元，用于获取游艇运行状态信息并分析处理；GPS单元，用于获取游艇的GPS定位参数信息；主控单元，用于根据上述单元获取游艇运行状态信息和外部环境状态并进行信息处理，获取游艇的运行状态结果信息；本发明的有益效果是：可实现自主GPS导航、近海惯性导航驾驶、躲避水面及水下障碍物，保证自动驾驶的平稳、安全，保证了乘客驾乘的舒适感和人身安全。

Description

一种游艇智能导航***及工作方法
技术领域
本发明涉及控制***技术领域，尤其是一种游艇智能导航***及工作方法。
背景技术
目前，随着智能控制技术的发展，智能导航***能在无人干预的情况下对外界环境做出反应，实现控制目标的自动控制。信息技术、计算机技术的快速发展以及其他学科的发展相互渗透，互相融合，推动了控制科学与工程研究的不断深入。控制***向智能控制发展已经成为了一种趋势。
惯性导航技术在军用领域已经趋于成熟，但由于传感器价格过高，精密度要求等限制，长此以来不适用于民用领域。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种游艇智能导航***及工作方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种游艇智能导航***，包括主控单元、图像采集单元、避障传感器单元、无线通信单元、动力控制单元、GPS单元和供电单元；主控单元分别与图像采集单元、避障传感器单元、无线通信单元、动力控制单元、GPS单元以及供电单元连接；
图像采集单元，用于采集外部图像并进行图像识别算法以获取外部图像信息；
避障传感器单元，用于采集游艇周围障碍物信息、水下障碍物信息；
无线通信单元，用于将主控单元获取的游艇运行状态信息进行无线传输；
动力控制单元，用于获取游艇运行状态并进行信号处理，获取游艇当前姿态信息；
GPS单元，用于获取游艇GPS定位参数信息；
主控单元，用于根据图像采集单元、动力控制单元、避障传感器单元、GPS单元获取的外部图像信息、游艇当前姿态信息以及游艇GPS定位参数信息，以获取游艇运行状态结果信息，并对游艇速度、加速度以及方向进行控制；
供电单元，用于向主控单元、图像采集单元、无线通信单元、动力控制单元以及GPS单元供电。
优选的，所述主控单元，包括微处理器、与微处理器连接并受微处理器控制的DSP单元。
优选的，所述避障传感器单元，包括超声波传感器、声纳传感器以及***电路，超声波传感器用于采集水面五十到两百米内的障碍物信息，声纳传感器用于采集水深、礁石信息，并将采集的信息用于避障动作。
优选的，所述图像采集单元，包括摄像单元和***摄像电路单元，摄像单元用于采集外部图像，并将所述外部图像信息进行图像识别算法处理获得外部图像信息；
所述外部图像信息包括水面及水面障碍物信息。
优选的，所述控制***还包括人机交互单元，用于接收主控单元通过无线通信单元发送的控制指令，控制游艇运行。
优选的，所述动力控制单元，包括惯性传感器单元和外部传感器电路单元，用于获取游艇运行状态并对游艇运行状态进行姿态结算处理，以获取游艇当前姿态信息。
进一步优选的，所述惯性传感器单元，包括设置于游艇内部水平位置的陀螺仪、加速度计、罗盘以及***电路。
进一步优选的，所述游艇当前姿态信息包括游艇运行速度、游艇倾斜角度、游艇运行加速度和游艇地磁方向。
优选的，所述控制***还包括与主控单元连接的报警单元，用于在游艇运行发生故障时由驾驶员控制实现报警。
优选的，所述惯性传感器单元还包括设置于惯性传感器单元输出端的负反馈回路，即舒拉回路、陀螺罗盘回路和傅科回路，通过设置所述负反馈回路，可以使得DSP单元通过负反馈电路修正所述位置误差，以获得较精确的位置数据。
本发明还公开了一种游艇智能导航的工作方法,步骤如下：
步骤一：惯性传感器单元的传感器获取游艇当前姿态信息，图像采集单元通过摄像单元的摄像头拍摄外部图像信息，GPS单元获取游艇GPS定位参数信息，避障传感器单元采集水面障碍物信息，微处理器接收游艇当前姿态信息、外部图像信息、GPS定位参数信息和水面障碍物信息；
步骤二：微处理器利用DSP单元获取游艇当前姿态信息、外部图像信息、GPS定位参数信息和水面障碍物信息，并对上述信息进行DSP解算处理，以获取游艇运行状态结果信息；
步骤三：微处理器根据所述游艇运行状态结果信息做出相应的自动躲避障碍物或者自动靠岸的操作，以实现自动靠岸或者自动出海。
本发明的有益效果是：
1.该***可实时分析处理各种传感器的数据，完成对游艇姿态和位置的分析，同时可依据摄像单元获取水面及水面障碍物信息。
2.该***可实现自主GPS导航、近海惯性导航驾驶、躲避水面及水下障碍物，根据路径算法规划相关航线，在动力控制上可根据游艇动力情况建立具体模型，保证自动驾驶的平稳、安全，保证了乘客驾乘的舒适感和人身安全。
附图说明
图1是本发明游艇智能导航***的结构框图；
图2是本发明游艇智能导航***的具体结构图；
图3是本发明游艇智能导航***的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种游艇智能导航***，包括主控单元、图像采集单元、避障传感器单元、无线通信单元、动力控制单元、GPS单元和供电单元；主控单元分别与图像采集单元、避障传感器单元、无线通信单元、动力控制单元、GPS单元以及供电单元连接；
图像采集单元，用于采集外部图像并进行图像识别算法以获取外部图像信息；
避障传感器单元，用于采集游艇周围障碍物信息、水下障碍物信息；
无线通信单元，用于将主控单元获取的游艇运行状态信息进行无线传输；
动力控制单元，用于获取游艇运行状态并进行信号处理，获取游艇当前姿态信息；
GPS单元，用于获取游艇GPS定位参数信息；
主控单元，用于根据图像采集单元、动力控制单元、避障传感器单元、GPS单元获取的外部图像信息、游艇当前姿态信息以及游艇GPS定位参数信息，以获取游艇运行状态结果信息，并对游艇速度、加速度以及方向进行控制；
供电单元，用于向主控单元、图像采集单元、无线通信单元、动力控制单元以及GPS单元供电。
进一步，所述主控单元，包括微处理器、与微处理器连接并受微处理器控制的DSP单元。
如图2所示，所述避障传感器单元，包括超声波传感器、声纳传感器以及***电路，超声波传感器用于采集水面五十到两百米内的障碍物信息，声纳传感器用于采集水深、礁石信息，并将采集的信息用于避障动作。
进一步，所述图像采集单元，包括摄像单元和***摄像电路单元，摄像单元用于采集外部图像，并将所述外部图像信息进行图像识别算法处理获得外部图像信息；
所述外部图像信息包括水面及水面障碍物信息。
进一步，所述控制***还包括人机交互单元，用于接收主控单元通过无线通信单元发送的控制指令，控制游艇运行。
进一步，所述动力控制单元，包括惯性传感器单元和外部传感器电路单元，用于获取游艇运行状态并对游艇运行状态进行姿态结算处理，以获取游艇当前姿态信息。
进一步优选的，所述惯性传感器单元，包括设置于游艇内部水平位置的陀螺仪、加速度计、罗盘以及***电路。
进一步优选的，所述游艇当前姿态信息包括游艇运行速度、游艇倾斜角度、游艇运行加速度和游艇地磁方向。
进一步，所述控制***还包括与主控单元连接的报警单元，用于在游艇运行发生故障时由驾驶员控制实现报警。
进一步，所述惯性传感器单元还包括设置于惯性传感器单元输出端的负反馈回路，即舒拉回路、陀螺罗盘回路和傅科回路，通过设置所述负反馈回路，可以使得DSP单元通过负反馈电路修正所述位置误差，以获得较精确的位置数据。
实施例：如图3所示，一种游艇智能导航***，各单元连接方式如下：主控单元中，微处理器采用MTK7620N，微处理器与DPS单元采用串口模式连接，微处理器的IO口与报警单元输入连接，且微处理器通过通信总线与陀螺仪、加速度计和电子罗盘以及GPS单元连接，微处理器与上述单元可进行双向通信；微处理器PWM输出与发电机连接。
摄像单元采用摄像头，且摄像头通过USB协议与微处理器进行信息传输。
微处理器运行Linux***，对外部图像信息进行图像识别获取图像识别信息。
所述惯性传感器单元，包括直接固定在船内的水平位置的三轴数字陀螺仪、三轴数字加速度计、三轴数字罗盘以及相关***电路。
微处理器根据摄像头获取水面及水面障碍物信息，并根据惯性传感器单元获取游艇当前姿态信息，通过DSP单元对前姿态信息进行解算，并将解算结果传输到微处理器中；MT7620N完成对水面及水面障碍物信息的识别，结合DSP单元获取的游艇当前姿态信息、周边障碍物信息、水下障碍物信息以及游艇GPS定位参数信息，根据上述数据获取游艇运行情况以及障碍物方位，由于MT7620N的PWM输出与发动机控制器连接，MT7620N通过PWM输出PWM脉冲可调整发动机转速，通过调节游艇发动机的转速实现对游艇速度的控制；通过调节舵机改变船舵方向，实现对游艇前进方向控制，通过控制游艇前进方向和游艇速度，可实现对障碍物的躲避功能。
进一步，所述DSP单元获取惯性传感器单元输出的数据后，对惯性传感器单元每个测量通道的输出数据进行积分，而陀螺仪的漂移使测角误差随时间成正比地增大，加速度计的常值误差又将引起与时间平方成正比的位置误差，而所述测角误差和位置误差的存在将导致DSP单元无法获取准确的游艇运行数据，为此，在惯性传感器单元输出端还设置负反馈回路，通过设置所述负反馈回路，可以使得DSP单元通过负反馈电路修正所述位置误差，以获得较精确的位置数据。
所述负反馈回路包括与惯性传感器单元输出端连接的舒拉回路、陀螺罗盘回路和傅科回路。
本发明还公开了一种游艇智能导航的工作方法，包括以下步骤：
步骤一：惯性传感器单元的传感器获取游艇当前姿态信息，即通过三轴数字陀螺仪获取游艇速度、通过三轴数字加速度计获取游艇加速度、三轴数字罗盘获取游艇地磁方向，图像采集单元通过摄像单元的摄像头拍摄外部图像信息，GPS单元获取游艇GPS定位参数信息，避障传感器单元采集水面障碍物信息，微处理器接收游艇当前姿态信息、外部图像信息、GPS定位参数信息和水面障碍物信息；
步骤二：微处理器利用DSP单元获取游艇当前姿态信息、外部图像信息、GPS定位参数信息和水面障碍物信息，并对上述信息进行DSP解算处理，以获取游艇运行状态结果信息；
步骤三：微处理器根据所述游艇运行状态结果信息做出相应的自动躲避障碍物或者自动靠岸的操作，以实现自动靠岸或者自动出海。
所述自动靠岸具体步骤如下：首先，微处理器利用惯性传感器单元行驶至港口，然后利用DSP单元采集超声波传感器返回的信号，判断游艇与岸边的距离，根据游艇与岸边的距离对发动机的正反转和方向舵的转向进行调整，实现减速靠岸，同时，微处理器根据图像采集单元采集的外部图像进行航路矫正，使游艇对准目的区域航行。
自动出海分为三个阶段：
第一阶段，微处理器利用惯性传感器单元采集的游艇速度、游艇加速度和游艇地磁方向，通过对惯性传感器单元获取的游艇速度、游艇加速度和游艇地磁方向分别进行积分运算，获取游艇的速度和位置，与电子罗盘所采集的信息进行融合滤波后，记录在微处理器建立的坐标系内，微处理器设置点火、加速、转向时间和转向角度，并项发送机和舵机发送控制信号，控制游艇驶出码头。
第二阶段，浅水阶段，避障传感器采集水下障碍物信息，GPS单元获取游艇GPS定位参数信息，微处理器获取水下障碍物信息和GPS定位参数信息并进行信息处理，根据处理后的信息控制发动机和舵机，调整游艇姿态实现避障；
第三阶段，深水阶段，GPS单元间隔一段时间检测游艇GPS定位参数信息，微处理器根所述游艇GPS定位参数信息，检测游艇的行驶航线，若行驶航线偏离预设航线，则微处理器控制发送机和舵机实现航线修正。
在远海区域，微处理器利用GPS单元进行长距离的航线导航；在近海区域，可利用惯性传感器单元，按照预先设定的航行路线进行自动出海与返航。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种游艇智能导航***，其特征是，包括主控单元、图像采集单元、避障传感器单元、无线通信单元、动力控制单元、GPS单元和供电单元；主控单元分别与图像采集单元、避障传感器单元、无线通信单元、动力控制单元、GPS单元以及供电单元连接；
图像采集单元，用于采集外部图像并进行图像识别算法以获取外部图像信息；
避障传感器单元，用于采集游艇周围障碍物信息、水下障碍物信息；
无线通信单元，用于将主控单元获取的游艇运行状态信息进行无线传输；
动力控制单元，用于获取游艇运行状态并进行信号处理，获取游艇当前姿态信息；
GPS单元，用于获取游艇GPS定位参数信息；
主控单元，用于根据图像采集单元、动力控制单元、避障传感器单元、GPS单元获取的外部图像信息、游艇当前姿态信息以及游艇GPS定位参数信息，以获取游艇运行状态结果信息，并对游艇速度、加速度以及方向进行控制；
供电单元，用于向主控单元、图像采集单元、无线通信单元、动力控制单元以及GPS单元供电；
所述避障传感器单元，包括超声波传感器、声纳传感器以及***电路，超声波传感器用于采集水面五十到两百米内的障碍物信息，声纳传感器用于采集水深、礁石信息，并将采集的信息用于避障动作；
所述动力控制单元，包括惯性传感器单元和外部传感器电路单元，用于获取游艇运行状态并对游艇运行状态进行姿态结算处理，以获取游艇当前姿态信息；
所述惯性传感器单元还包括设置于惯性传感器单元输出端的负反馈回路，即舒拉回路、陀螺罗盘回路和傅科回路；
所述主控单元，包括微处理器、与微处理器连接并受微处理器控制的DSP单元，微处理器根据摄像头获取水面及水面障碍物信息，并根据惯性传感器单元获取游艇当前姿态信息，通过DSP单元对当前姿态信息进行解算，并将解算结果传输到微处理器中；微处理器完成对水面及水面障碍物信息的识别，结合DSP单元获取的游艇当前姿态信息、周边障碍物信息、水下障碍物信息以及游艇GPS定位参数信息，根据上述数据获取游艇运行情况以及障碍物方位，微处理器通过PWM输出PWM脉冲可调整发动机转速，通过调节游艇发动机的转速实现对游艇速度的控制；通过调节舵机改变船舵方向，实现对游艇前进方向控制，通过控制游艇前进方向和游艇速度，实现对障碍物的躲避功能。
2.如权利要求1所述的游艇智能导航***，其特征是，所述图像采集单元，包括摄像单元和***摄像电路单元，摄像单元用于采集外部图像，并将所述外部图像信息进行图像识别算法处理获得外部图像信息；所述外部图像信息包括水面及水面障碍物信息。
3.如权利要求1所述的游艇智能导航***，其特征是，所述惯性传感器单元，包括设置于游艇内部水平位置的陀螺仪、加速度计、罗盘以及***电路。
4.如权利要求1所述的游艇智能导航***，其特征是，所述游艇当前姿态信息包括游艇运行速度、游艇倾斜角度、游艇运行加速度和游艇地磁方向。
5.如权利要求1所述的游艇智能导航***，其特征是，所述导航***还包括与主控单元连接的报警单元，用于在游艇运行发生故障时由驾驶员控制实现报警。
6.基于权利要求1-5任一所述的游艇智能导航***的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：惯性传感器单元的传感器获取游艇当前姿态信息，图像采集单元通过摄像单元的摄像头拍摄外部图像信息，GPS单元获取游艇GPS定位参数信息，避障传感器单元采集水面障碍物信息，微处理器接收游艇当前姿态信息、外部图像信息、GPS定位参数信息和水面障碍物信息；
步骤二：微处理器利用DSP单元获取游艇当前姿态信息、外部图像信息、GPS定位参数信息和水面障碍物信息，并对上述信息进行DSP解算处理，以获取游艇运行状态结果信息；
步骤三：微处理器根据所述游艇运行状态结果信息做出相应的自动躲避障碍物或者自动靠岸的操作，以实现自动靠岸或者自动出海；
所述自动靠岸具体步骤如下：首先，微处理器利用惯性传感器单元行驶至港口，然后利用DSP单元采集超声波传感器返回的信号，判断游艇与岸边的距离，根据游艇与岸边的距离对发动机的正反转和方向舵的转向进行调整，实现减速靠岸，同时，微处理器根据图像采集单元采集的外部图像进行航路矫正，使游艇对准目的区域航行；
自动出海分为三个阶段：
第一阶段，微处理器利用惯性传感器单元采集的游艇速度、游艇加速度和游艇地磁方向，通过对惯性传感器单元获取的游艇速度、游艇加速度和游艇地磁方向分别进行积分运算，获取游艇的速度和位置，与电子罗盘所采集的信息进行融合滤波后，记录在微处理器建立的坐标系内，微处理器设置点火、加速、转向时间和转向角度，并向发送机和舵机发送控制信号，控制游艇驶出码头；
第二阶段，浅水阶段，避障传感器采集水下障碍物信息，GPS单元获取游艇GPS定位参数信息，微处理器获取水下障碍物信息和GPS定位参数信息并进行信息处理，根据处理后的信息控制发动机和舵机，调整游艇姿态实现避障；
第三阶段，深水阶段，GPS单元间隔一段时间检测游艇GPS定位参数信息，微处理器根据所述游艇GPS定位参数信息，检测游艇的行驶航线，若行驶航线偏离预设航线，则微处理器控制发送机和舵机实现航线修正。
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