CN109213135A - 一种解决复杂水道通行问题的无人船控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种解决复杂水道通行问题的无人船控制方法及装置，无人船利用北斗卫星来获取自身在电子海图上的位置，同时通过天通卫星获取定位地点的潮汐表，在处理器模块中利用潮高等一系列数据对电子海图进行实时水深更新，获得一张具有实际水深的新电子海图，通过处理器单元来规划一条可通过的航行路线。本发明通过潮汐表来对复杂狭窄水道的电子海图进行重新生成，充分考虑了复杂狭窄水道的实际可航行水深，避免了吃水较深的大型无人船在用水深不准确的电子海图时可能发生的搁浅现象，实时性强，大大提高了大型无人船针对复杂狭窄水域的通行性能以及安全性，本发明可广泛应用于无人船产品中。
Description
技术领域
本发明属于无人船控制技术领域，尤其涉及一种解决复杂水道通行问题的无人船控制方法及装置。
背景技术
无人船学名“水面机器人”，是一种不需要载人来操作，通过远程遥控，甚至不需要操控即可自主航行执行任务的水上机器人。比较适合执行危险或者枯燥、重复的军用、民用任务，例如运用在军事打击、安防巡逻、地貌测绘、环境监测、应急救援等领域。
随着社会发展，在船舶运输业，人们逐渐渴求船舶的无人化以达到降低人员管理成本、提高运输安全性和效率，增加企业利润率的目的。因此，无人船的大型化是无人船的发展趋势之一，那么，如何提高大型无人船的航行安全性是一个急需解决的问题。大型无人船的特点之一是吃水较深，因此难以通过水深较浅的水道。在一些特殊水域，比如受到潮汐影响的复杂水道，其实际水深会因为涨潮落潮发生较为明显的变化，有可能出现涨潮时可以通行的水道在落潮时因为水深过浅而变得无法通行的现象。此时若再根据一成不变的电子海图来规划航线，就有可能出现船只搁浅的现象，从而造成经济损失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种解决复杂水道通行问题的无人船控制方法及装置，以增强无人船对于受潮汐影响的复杂水道的通行能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种解决复杂水道通行问题的无人船控制方法，包括以下步骤，步骤一，提前将航行水域的电子海图下载到无人船的存储器中；步骤二，获取无人船的航行点；步骤三，获得航行点当地的实时潮汐表，并储存于存储器中；步骤四，结合电子海图标注水深以及潮汐表的实时潮高，通过计算单元计算出航行区域的实际水深，并对电子海图进行更新，生成能够反映真实水深的新电子海图；步骤五，针对新生成的电子海图，根据航路规划算法算出可通行水道，形成确定的航行路线，并将其发送至无人船；步骤六，无人船根据规划好的航行路线进行航行；步骤七，实时检测无人船是否偏航，若偏航，则发送指令使无人船返回航行路线，反之，则保持当前航行状态不变。
按上述技术方案，无人船通过北斗卫星导航接收芯片来获得无人船的位置；每隔固定时间t＝30min，无人船通过天通卫星来访问中国海事服务网，重新获取航行点当地的实时潮汐表，对潮汐表进行更新。
按上述技术方案，所述步骤二包括，开始通过狭窄水道时，无人船通过内置的北斗卫星导航接收芯片获得在电子海图上的具体航行点，将该航行点作为起始航行点记录于存储器中以备之后的航路计算，之后随着无人船的航行，每隔时间T＝60s就再一次获取新航行点，并将其储存到存储器中。航行活动结束后，按次序连接航行点即为无人船的实际航迹。
按上述技术方案，所述步骤四具体包括，对电子海图中的水深数据进行提取，按对应点的地址进行排列，形成一个数据集合A＝【a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7……】，从实时潮汐表中获取实时的潮高数据，记为H(有正负号)，通过计算单元将数据集合A中的数据全部加上潮高H，得到一个新的数据集合B＝【b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7……】，将数据集合B中的数据按原地址返还到电子海图中，对电子海图中的水深数据进行更新，形成一个具有实际水深数据的电子海图。
按上述技术方案，所述步骤五具体包括，首先根据起始点、目的地、电子海图，利用航路二叉树的航线自动生成方法生成(把起始点作为当前点，搜索当前点的最近障碍区，根据绕行障碍区的航路二分性特点，定位左、右子节点并建立航路子二叉树；改变当前点位子节点，重复上述步骤得到各航路子二叉树，从而建立可行性航路树，设M种可能。之后将能到达目标海域的航路提取出来，设共计N条航路)一个具有N条可能航行路线的集合L1；设无人船的最小可通过水深为d，将集合L1中每条航行路线涉及到的水深数据与d比较，然后将包含了小于d的水深数据的航行路线从集合L1中去除，得到一个新的航路集合L2，此集合为实际可用的航行路线集合；对集合L2中的航行路线进行基于A-Star算法的优化筛选，找到最短路径，进而得到一条预定航行路线，计算出预定航行路线上各坐标点的航行方向以及各转弯点的转弯方向和转向角度，将预定航行路线、航行路线上的各坐标点的航行方向以及各转弯点的转弯方向和转向角度发送至航行控制单元。
本发明还提供一种解决复杂水道通行问题的无人船控制装置，包括存储单元、通讯单元、运算单元、航线制定单元、航行控制单元、偏航监测单元，其中存储单元，用于存储电子海图、不断更新的航行点以及潮汐表数据；通讯单元，用于与北斗卫星以及天通卫星进行通讯以获得航行点和潮汐表；运算单元，用于对电子海图和潮汐表的具体数据进行处理，最终获得实际的水深数据，还负责将实际水深数据与无人船最小可通过水深进行比较，达到筛选出可用航行路线的目的；航线制定单元，用于根据起始点、目的地、电子海图来生成航行路线，并接受运算单元的辅助从可用路线集合中选出预定航行路线，将预定航行路线发送至航行控制单元；航行控制单元，根据预定航行路线来设置航行方向、航行速度、转弯点的转向以及转向角度，直接控制无人船的推进速度，舵角；偏航监测单元，用于实时监测无人船是否发生偏航情况，若是，则发送指令至航行控制单元进行船身调整，反之，则保持当前航行状态不变。
按上述技术方案，偏航监测单元包括船舶姿态反馈单元和偏航判定单元，船舶姿态反馈单元用于无人船实时反馈实际的航向及航速，偏航判定单元，用于根据通讯单元所获得的航行点与预定航行路线进行比较，若超出设定的允许偏差值，则计算返回预定航行路线的转向及转向角度，将其发送至航行控制单元，使船舶实施转向动作，反之，则保持当前的航速、航向不变。
本发明产生的有益效果是：通过获取潮汐表中的潮高数据来对普通电子海图中的水深数据进行更新，得到一种能反映实际水深的电子海图，然后在此基础上进行航路的优化选择。使得无人船对于受潮汐影响的复杂水道的通行能力大大提高，避免了因标注水深与实际水深相差较大而导致的船舶搁浅问题，实时性强，减少了通行风险，提高了无人船的航行安全性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例解决复杂水道通行问题的无人船控制方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例中无人船控制方法步骤二的步骤流程图；
图3是本发明实施例中无人船控制方法步骤三的步骤流程图；
图4是本发明实施例中无人船控制方法步骤四的步骤流程图；
图5是本发明实施例中无人船控制方法步骤五的步骤流程图；
图6是本发明实施例无人船控制装置的模块方框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，如图1-图6所示，首先提供一种解决复杂水道通行问题的无人船控制方法，包括以下步骤，步骤一，提前将航行水域的电子海图下载到无人船的存储器中；步骤二，获取无人船的航行点；步骤三，获得航行点当地的实时潮汐表，并储存于存储器中；步骤四，结合电子海图标注水深以及潮汐表的实时潮高，通过计算单元计算出航行区域的实际水深，并对电子海图进行更新，生成能够反映真实水深的新电子海图；步骤五，针对新生成的电子海图，根据航路规划算法算出可通行水道，形成确定的航行路线，并将其发送至无人船；步骤六，无人船根据规划好的航行路线进行航行；步骤七，实时检测无人船是否偏航，若偏航，则发送指令使无人船返回航行路线，反之，则保持当前航行状态不变。
进一步地，无人船通过北斗卫星导航接收芯片来获得无人船的位置；每隔固定时间t＝30min，无人船通过天通卫星来访问中国海事服务网，重新获取航行点当地的实时潮汐表，对潮汐表进行更新。
进一步地，所述步骤二包括，开始通过狭窄水道时，无人船通过内置的北斗卫星导航接收芯片获得在电子海图上的具体航行点，将该航行点作为起始航行点记录于存储器中以备之后的航路计算，之后随着无人船的航行，每隔时间T＝60s就再一次获取新航行点，并将其储存到存储器中。航行活动结束后，按次序连接航行点即为无人船的实际航迹。
进一步地，所述步骤四具体包括，对电子海图中的水深数据进行提取，按对应点的地址进行排列，形成一个数据集合A＝【a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7……】，从实时潮汐表中获取实时的潮高数据，记为H(有正负号)，通过计算单元将数据集合A中的数据全部加上潮高H，得到一个新的数据集合B＝【b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7……】，将数据集合B中的数据按原地址返还到电子海图中，对电子海图中的水深数据进行更新，形成一个具有实际水深数据的电子海图。
进一步地，所述步骤五具体包括，首先根据起始点、目的地、电子海图，利用航路二叉树的航线自动生成方法生成(把起始点作为当前点，搜索当前点的最近障碍区，根据绕行障碍区的航路二分性特点，定位左、右子节点并建立航路子二叉树；改变当前点位子节点，重复上述步骤得到各航路子二叉树，从而建立可行性航路树，设M种可能。之后将能到达目标海域的航路提取出来，设共计N条航路)一个具有N条可能航行路线的集合L1；设无人船的最小可通过水深为d，将集合L1中每条航行路线涉及到的水深数据与d比较，然后将包含了小于d的水深数据的航行路线从集合L1中去除，得到一个新的航路集合L2，此集合为实际可用的航行路线集合；对集合L2中的航行路线进行基于A-Star算法的优化筛选，找到最短路径，进而得到一条预定航行路线，计算出预定航行路线上各坐标点的航行方向以及各转弯点的转弯方向和转向角度，将预定航行路线、航行路线上的各坐标点的航行方向以及各转弯点的转弯方向和转向角度发送至航行控制单元。
本发明还提供一种解决复杂水道通行问题的无人船控制装置，包括存储单元、通讯单元、运算单元、航线制定单元、航行控制单元、偏航监测单元，其中存储单元，用于存储电子海图、不断更新的航行点以及潮汐表数据；通讯单元，用于与北斗卫星以及天通卫星进行通讯以获得航行点和潮汐表；运算单元，用于对电子海图和潮汐表的具体数据进行处理，最终获得实际的水深数据，还负责将实际水深数据与无人船最小可通过水深进行比较，达到筛选出可用航行路线的目的；航线制定单元，用于根据起始点、目的地、电子海图来生成航行路线，并接受运算单元的辅助从可用路线集合中选出预定航行路线，将预定航行路线发送至航行控制单元；航行控制单元，根据预定航行路线来设置航行方向、航行速度、转弯点的转向以及转向角度，直接控制无人船的推进速度，舵角；偏航监测单元，用于实时监测无人船是否发生偏航情况，若是，则发送指令至航行控制单元进行船身调整，反之，则保持当前航行状态不变。
进一步地，偏航监测单元包括船舶姿态反馈单元和偏航判定单元，船舶姿态反馈单元用于无人船实时反馈实际的航向及航速，偏航判定单元，用于根据通讯单元所获得的航行点与预定航行路线进行比较，若超出设定的允许偏差值，则计算返回预定航行路线的转向及转向角度，将其发送至航行控制单元，使船舶实施转向动作，反之，则保持当前的航速、航向不变。
本发明的一个无人船控制方法较佳实施例，步骤如下：
S1、在出发前，无人船存储器中已经下载好目标水域的电子海图。
S2、在上位机端，将无人船的控制模式切换为自主航行模式。
S3、无人船通过内置的北斗卫星导航接收芯片取得自己在电子海图上的定位，作为起始点。
S4、无人船通过天通卫星访问中国海事服务网获取该水域的潮汐表，并储存在存储器中。
S5、无人船中的计算单元同时对电子海图中的水深数据和潮汐表中所反映的实时潮高进行处理，将电子海图中的原始水深数据更新为实际水深。
S6、无人船中的航线制定单元依据更新后的电子海图制定一份航线的集合，从中筛除出包含小于无人船最小可通行水深的航线，然后从剩下的航线中优化出一条确定的航线(比如该航线时间最短)，最后将这条确定的航线传输给航线控制单元。
S7、航线控制单元得到航线数据后，根据这条航行路线来设置航行方向、航行速度、转弯点的转向以及转向角度，直接控制无人船的推进速度，舵角等。
S8、若无人船在航行过程中偏移了预定航线，则会被偏航监测单元感知到，偏航监测单元会将返回预定航线的转向及转角发送给航线控制单元，让其纠正船舶的航行状态，最终回到正确的航线上。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种解决复杂水道通行问题的无人船控制方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤一，提前将航行水域的电子海图下载到无人船的存储器中；步骤二，获取无人船的航行点；步骤三，获得航行点当地的实时潮汐表，并储存于存储器中；步骤四，结合电子海图标注水深以及潮汐表的实时潮高，通过计算单元计算出航行区域的实际水深，并对电子海图进行更新，生成能够反映真实水深的新电子海图；步骤五，针对新生成的电子海图，根据航路规划算法算出可通行水道，形成确定的航行路线，并将其发送至无人船；步骤六，无人船根据规划好的航行路线进行航行；步骤七，实时检测无人船是否偏航，若偏航，则发送指令使无人船返回航行路线，反之，则保持当前航行状态不变。
2.根据权利要求1所述的解决复杂水道通行问题的无人船控制方法，其特征在于，无人船通过北斗卫星导航接收芯片来获得无人船的位置；每隔固定时间t＝30min，无人船重新获取航行点当地的实时潮汐表，对潮汐表进行更新。
3.根据权利要求1或2所述的解决复杂水道通行问题的无人船控制方法，其特征在于，所述步骤二包括，开始通过狭窄水道时，无人船通过内置的北斗卫星导航接收芯片获得在电子海图上的具体航行点，将该航行点作为起始航行点记录于存储器中以备之后的航路计算，之后随着无人船的航行，每隔时间T＝60s就再一次获取新航行点，并将其储存到存储器中。
4.根据权利要求1或2所述的解决复杂水道通行问题的无人船控制方法，其特征在于，所述步骤四具体包括，对电子海图中的水深数据进行提取，按对应点的地址进行排列，形成一个数据集合A＝【a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7……】，从实时潮汐表中获取实时的潮高数据，记为H，通过计算单元将数据集合A中的数据全部加上潮高H，得到一个新的数据集合B＝【b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7……】，将数据集合B中的数据按原地址返还到电子海图中，对电子海图中的水深数据进行更新，形成一个具有实际水深数据的电子海图。
5.根据权利要求1或2所述的解决复杂水道通行问题的无人船控制方法，其特征在于，所述步骤五具体包括，首先根据起始点、目的地、电子海图，利用航路二叉树的航线自动生成方法生成一个具有N条可能航行路线的集合L1；设无人船的最小可通过水深为d，将集合L1中每条航行路线涉及到的水深数据与d比较，然后将包含了小于d的水深数据的航行路线从集合L1中去除，得到一个新的航路集合L2，此集合为实际可用的航行路线集合；对集合L2中的航行路线进行基于A-Star算法的优化筛选，找到最短路径，进而得到一条预定航行路线，计算出预定航行路线上各坐标点的航行方向以及各转弯点的转弯方向和转向角度，将预定航行路线、航行路线上的各坐标点的航行方向以及各转弯点的转弯方向和转向角度发送至航行控制单元。
6.一种解决复杂水道通行问题的无人船控制装置，其特征在于，包括存储单元、通讯单元、运算单元、航线制定单元、航行控制单元、偏航监测单元，其中存储单元，用于存储电子海图、不断更新的航行点以及潮汐表数据；通讯单元，用于与北斗卫星以及天通卫星进行通讯以获得航行点和潮汐表；运算单元，用于对电子海图和潮汐表的具体数据进行处理，最终获得实际的水深数据，还负责将实际水深数据与无人船最小可通过水深进行比较，达到筛选出可用航行路线的目的；航线制定单元，用于根据起始点、目的地、电子海图来生成航行路线，并接受运算单元的辅助从可用路线集合中选出预定航行路线，将预定航行路线发送至航行控制单元；航行控制单元，根据预定航行路线来设置航行方向、航行速度、转弯点的转向以及转向角度，直接控制无人船的推进速度，舵角；偏航监测单元，用于实时监测无人船是否发生偏航情况，若是，则发送指令至航行控制单元进行船身调整，反之，则保持当前航行状态不变。
7.根据权利要求6所述的解决复杂水道通行问题的无人船控制装置，其特征在于，偏航监测单元包括船舶姿态反馈单元和偏航判定单元，船舶姿态反馈单元用于无人船实时反馈实际的航向及航速，偏航判定单元，用于根据通讯单元所获得的航行点与预定航行路线进行比较，若超出设定的允许偏差值，则计算返回预定航行路线的转向及转向角度，将其发送至航行控制单元，使船舶实施转向动作，反之，则保持当前的航速、航向不变。
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