CN111746736B - 船舶导航***及其导航方法 - Google Patents

船舶导航***及其导航方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种船舶导航***及其导航方法，该导航方法包括以下步骤：(a)船舶沿一航行路径航行，且航行路径包括至少二节点，其中所述至少二节点为第一节点及第二节点，且所述第一节点与第二节点的连线为第一线段；(b)所述船舶航行至距离第一节点小于一第一长度时，产生一第一追踪点于第一线段上，且所述船舶依循第一追踪点航行，其中第一追踪点距离第一节点一第二长度；(c)所述船舶航行至距离第一追踪点小于第一长度时，产生一第二追踪点位于第一线段上，且所述船舶依循第二追踪点航行，其中第二追踪点距离第一追踪点第二长度；以及(d)重复上述步骤(b)－(c)，直到所述船舶经过每一个节点；据此，完成所设航行路径的导航。

Description

船舶导航***及其导航方法
技术领域
本发明提出一种船舶导航***及其导航方法，尤指一种模拟磁力相斥的船舶导航***及其导航方法。
背景技术
随着造船科技的演进，船舶扮演海洋运输主要的工具，而无论是一般船舶或是近年来积极发展之自驾船(无人船)，其导航控制或路径修正在海洋运输的航行过程中扮演极为重要的角色，如何让船舶运输带来的经济效益更大而节省航运成本为重要设计目标。
现行船舶路径的导航大都是以视线导行法(Line of Sight，LOS)或平行修正导航法(Parallel Correction，PC)作为船舶主要航行的依据，然而视线导行法及平行修正导航法皆仅能透过目前船舶所在位置导航路径节点间的相对位置关系来产生参考航向，引领船舶前往目标节点所在位置前进；但对于风力、波浪或海流等外力干扰所造成航行路径的偏差，该些方法则无法预作航向的修正。
除此之外，无论是视线导行法或是平行修正导航法，对于复数路径点节点的导航，容易于路径转折处因修正需求而过度打舵造成过冲(Overshoot)的现象(可参照图11)，若设定的航行路径中具有多个路径转折处而使得船舶出现多次过冲的情况，无疑会衍生航行时间的增加、航行燃料的浪费及船舶设备的耗损等问题。
发明内容
为解决先前技术中所提到，如何有效避免导航过程中，于路径转折处出现打舵过冲(Overshoot)的现象，或是受到环境因素干扰而偏离默认航行路径的修正。本发明提出一种船舶的导航方法，包括以下步骤：(a)所述船舶沿一航行路径航行，且所述航行路径包括至少二节点，其中所述至少二节点包括一第一节点及一第二节点，且所述第一节点与所述第二节点的连线为一第一线段；(b)所述船舶航行至距离所述第一节点或一原追踪点小于一第一长度时，产生一第一追踪点位于所述第一线段上，且所述船舶依循所述第一追踪点航行，其中所述第一追踪点距离所述第一节点一第二长度；(c)所述船舶航行至距离所述第一追踪点小于所述第一长度时，产生一第二追踪点位于所述第一线段上，且所述船舶依循所述第二追踪点航行，其中所述第二追踪点距离所述第一追踪点所述第二长度；以及(d)重复上述步骤(b)-(c)，直到所述船舶经过每一个节点。
本发明更提出另一种船舶的导航方法，包括以下步骤：(e)所述船舶沿一航行路径航行，且所述航行路径包括至少二节点，其中所述至少二节点包括一第一节点、一第二节点及一第三节点，且所述第一节点与所述第二节点的连线为一第一线段，所述第二节点与所述第三节点的连线为一第二线段；(f)所述船舶航行至距离所述第一节点或一原追踪点小于一第一长度时，产生一第一追踪点位于所述第一线段上，且所述船舶依循所述第一追踪点航行，其中所述第一追踪点距离所述第一节点一第二长度；(g)所述船舶航行至距离所述第一追踪点小于所述第一长度，且所述第一追踪点至所述第二节点的距离小于所述第二长度时，产生一第二追踪点位于所述第二线段上，且所述船舶依循所述第二追踪点航行，其中所述第二追踪点距离所述第一追踪点所述第二长度；以及(h)重复上述步骤(f)-(g)，直到所述船舶经过每一个节点。
除此之外，本发明还提出一种船舶导航***，尤指一种用于船舶的导航***，包括：一数据收发模块，接收一航行路径；一中央处理器，与所述数据收发模块连接，所述中央处理器包括一路径导航模块，所述路径导航模块依据所述航行路经结合一导航方法，产生一航向控制命令以及一航速控制命令；一方向控制模块，与所述中央处理器连接，所述方向控制模块依据所述航向控制命令控制所述船舶的方向；以及一动力推进模块，与所述中央处理器连接，所述动力推进模块依据所述航速控制命令控制所述船舶的速度。
以上对本发明的简述，目的在于对本发明的的数种面向和技术特征作一基本说明。发明简述并非对本发明的详细表述，因此其目的不在特别列举本发明的关键性或重要组件，也不是用来界定本发明的范围，仅为以简明的方式呈现本发明的数种概念而已。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的船舶导航***的示意图。
图2A为本发明较佳实施例的船舶导航方法的流程图。
图2B为本发明较佳实施例的船舶导航方法的流程图。
图3为本发明较佳实施例的导航方法流程的示意图。
图4为本发明较佳实施例的导航方法流程的示意图。
图5为本发明较佳实施例的导航方法流程的示意图。
图6为本发明较佳实施例的导航方法流程的示意图。
图7为本发明较佳实施例的导航方法流程的示意图。
图8A为本发明较佳实施例的另一船舶修正方法的流程图。
图8B为本发明较佳实施例的另一船舶修正方法的流程图。
图9为本发明较佳实施例的另一导航方法流程的示意图。.
图10为本发明较佳实施例的另一导航方法流程的示意图。
图11为现行导航方法造成过冲(Overshoot)的示意图。
附图标号说明：
10…导航***
100…数据收发模块
200…中央处理器
210…路径导航模块
220…数据库
300…方向控制模块
400…动力推进模块
500…感测模块
600…定位模块
700…无线通信模块
800…外部装置
900…自动避障模块
1000…信息安全模块
V…船舶
O、A、B、C…节点
P1、P2、P3…追踪点
D1…第一长度
D2…第二长度
I…外部干扰
具体实施方式
为能了解本发明的技术特征及实用功效，并可依照说明书的内容来实施，进一步以如图式所示的较佳实施例，详细说明如后：
本发明提出了一种可用于船舶的导航***，以及一种船舶导航方法。请参照图1，其为本发明较佳实施例的船舶导航***，要特别强调的是，所述船舶除了是具有船员于船上控制其航行的一般船舶外，还可以是无人驾驶的船舶如自动驾驶船舶、自主航行船舶、海洋无人载具及水面自动载具等(在本文统称为「无人船」)，凡涉及自动控制船舶或载具航行路线者，都属于该范围内。另外，所述船舶的外型可设计为流线型的低阻力船型，以增加操控船舶的稳定性。
如图1所示，本发明的船舶导航系10统包括：一数据收发模块100；一中央处理器200，与所述数据收发模块100连接，且所述中央处理器200包括有一路径导航模块210；一方向控制模块300，与所述中央处理器200连接；以及一动力推进模块400，与所述中央处理器200连接。除此之外，所述导航***10还包括有与所述中央处理器200连接的一感测模块500以及一定位模块600，以及与所述数据收发模块100连接的无线通信模块700；其中，所述中央处理器200还包括有一电子海图数据库210与所述路径导航模块210连接。
要特别强调的是，所述船舶除了是一般具有船员驾驶的船只外，更指国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)所规范的「海上水面自动船舶(MaritimeAutonomous Surface Ships,MASS)」，而在本文内皆统称为「无人船」。
以下将针对本发明的导航***做进一步说明。首先，所述数据收发模块100可经由外部接收一航行路径，该接收的方式可以是直接将所述航行路径输入至船舶内使所述船舶依照该路径航行，也可以是透过与所述数据收发模块连接的无线通信模块700，接收由(岸台)控制中心、其他船舶或卫星等外部装置800所远程无线传输的航行路径。其中，所述通讯方式包括蓝芽、ZigBee、Wi-Fi、蜂巢式网络(如GSM、CDMA、GPRS或4G/5G无线网络)、无线电波(RF、高频HF、甚高频VHF或超高频UHF)或卫星通讯，凡透过无线方式将数据传输至设定目标者都属于该范围内，本发明不应依此为限。
所述中央处理器200与前述之数据收发模块100连接，以接收所述航行路径并透过中央处理器200中的路径导航模块210依据航行路经结合一导航方法，产生一航向控制命令以及一航速控制命令；其中，所述导航方法将于图2A至图7做进一步说明。
除此之外，为提高路径导航模块计算的精确度，还可以透过与所述中央处理器200连接的定位模块600来及时取得船舶或无人船的所在位置坐标(即经纬度)；其中，所述定位模块600可以是全球定位***(Global Positioning System,GPS)、全球导航卫星***(GLONASS)、北斗卫星导航定位***或其组合等，凡能取得船舶或无人船所在坐标都属于该范围内，本发明不应依此为限。又，所述船舶或无人船航行的过程中也会有许多外部因素如风力、波浪及洋流等，以及内部因素如船舶之操控而影响行驶的路径；因此，本发明的导航***10即可透过与所述中央处理器200连接的感测模块500(包括至少一环境传感模块及至少一船舶传感模块)来实时侦测至少一外部环境数据，如风力数据、波浪数据、洋流数据或其组合等，以及至少一内部船舶数据，如引擎转速、航行速度、舵角方向或船体温度等。
进一步而言，前述的路径导航模块210还可以依据航行路经、船舶所在位置坐标及外部环境数据(及内部船舶数据)，同时结合另一导航产生一航向控制命令以及一航速控制命令，而该导航方法则将于图8A至图11做进一步说明。
而与所述中央处理器200连接的方向控制模块300，即可依据路径导航模块210计算的航向控制命令控制(改变舵角的方向)所述船舶的航行方向；除此之外，与所述中央处理器200连接的动力推进模块400，则可依据路径导航模块210计算的航速控制命令控制所述船舶的航行速度。据此，所述船舶可依循所设定航行路径的轨迹完成船舶路径导航。
在本实施例中，所述数据收发模块100包含工业计算机(IPC)、人机接口(HMI)、单芯片或其组合等，只要是能够接收外部指令(本实施例为船舶路径)及发送船舶相关数据的装置皆属于该保护范围内，本发明不应以此为限。所述中央处理器200包括可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、微控制器(Microcontroller Unit，MCU)或其组合等，凡能接受各***模块间信息的传递并进行运算处理后发送控制命令的装置皆属于该保护范围内，本发明不应以此为限。
在本实施例中所述方向控制模块300包括方向舵、电子转向***或其组合等，其目的在于接收该中央处理器200的命令后调整方向舵的角度，用以控制船舶的航行方向；所述动力推进模块400包括发电机、引擎、侧推器(侧向推进器)、油门、电池、马达或其组合等，其目的在于接收所述中央处理器200的命令后调整输出动力的大小，以控制船舶航行的速度。进一步而言，所述电池可以是锂离子电池、锂聚合物电池、磷酸锂铁电池、燃料电池或其组合等，可依据动力推进模块的需求设计；所述动力推进模块还可以是混合动力***，透过配置于船舶上的太阳能板、风帆或波浪能驱动装置来收集太阳能、风能及波浪能等自主能源，并将这些自主能源转化成电能储存于蓄电池中，用以辅助动力推进模块400的动力来源。
在本实施例中，所述感测模块500包括至少一环境感测模块(图未示)以及至少一船舶感测模块(图未示)。进一步而言，所述至少一环境感测模块包含气压传感器、温度传感器、风向传感器、湿度传感器、光学传感器、声学传感器、雷达传感器、光达传感器、摄像装置、船舶自动辨识***(Automatic Identification System，AIS)或其组合等。
其中，所述气压传感器、温度传感器、风向传感器及湿度传感器可感测船舶周遭环境的气压、风向、温度及湿度等信息；所述摄像装置用以摄录船舶内外部实际的监视影像；所述光学传感器、声学传感器、雷达传感器，如自动测绘雷达(Automatic Radar PlottingAids，ARPA)及光达传感器可将对应的电磁波、声波或光束发射至外部空间中，并由反射回来的电磁波、声波或光束侦测空间中的物体(如礁石、他船或大型动物等障碍物)；船舶自动辨识***则可透过地理信息***(Geographic Information System，GIS)加以整合，并将海洋地理信息***(Marine Geographic Information System，MGIS)、避碰章程(International Regulations for Preventing Collisions at Sea，COLREGS)、雷达***(Radar)及国际计算机网络(Internet)结合，以主动询问或被动告知方式，掌控与搜集邻近水上交通区域的船舶动态信息及水文环境信息。
所述至少一船舶感测模块包含油料传感器、电量传感器、陀螺仪、速度传感器、方向舵传感器、倾斜角度传感器或其组合等。其中，所述油料传感器监测船舶的油料存量，所述电量传感器监测船舶的电源存量，所述陀螺仪及速度传感器监测船舶的航行速度，所述方向舵传感器监测船舶的航行方向，所述倾斜角度传感器监测船舶水面上的倾斜角度，而透过上述感测模块所包括的各式传感器，可以收集到船舶众多的原始信息，以利于后续的运算处理。
在本实施例中，所述无线通信模块700可以是天线、蓝芽通讯模块、Wi－Fi通讯模块、蜂巢式网络通讯模块、无线电波通讯模块、卫星通讯模块或其组合等，凡能透过无线方式将数据传输至设定目标者的设备皆属于保护范围内，本发明不应依此为限。
进一步而言，本发明的导航***10还可包括有一自动避障模块900与所述中央处理器200、所述感测模块500及所述定位模块600连接，所述自动避障模块900具有引导引船舶回避障碍物的能力，由所述感测模块500及所述定位模块600所提供的信息，可以自动判断航行路线与障碍物的相对位置及相对速度，实时告知该中央处理器200以操控船舶自动闪避障碍物。所述自动避障模块900更包含一雷达分析单元、一影像分析单元以及一陀螺仪，其中，所述雷达分析单元(图未示)分析前述的光学传感器、声学传感器及雷达传感器的雷达回波，以判断该船舶周围的物体大小、远近等信息；所述影像分析单元(图未示)分析前述的摄像装置的影像信息，同样可判断该船舶周围的情况；所述陀螺仪(图未示)提供定向的功能；同时，结合定位模块900取得的船舶所在位置，自动规划出合适的行径方向以回避障碍物。
进一步而言，本发明的导航***10还可包含有一信息安全模块1000与所述中央处理器200及/或无线通信模块700连接，所述信息安全模块1000负责当所述中央处理器200接收的信息有误或无线通信模块700与外部连线出现问题时，提供所述船舶的安全防护机制。当出现无线通信模块700连线异常导致外部信息无法送达、无线通信模块700进行通讯时受到干扰或出现第三方用户(如恶意软件或病毒等)不当控制中央处理器200的运作时，将会自动将所述船舶打至空档，同时禁止所述船舶的无线通信模块在接收外部信息或命令，以避免发生碰撞意外，也能让工作人员安全的登上该船舶进行维修作业。其中，所述信息安全模块1000可以是透过入侵检测***(Intrusion－detection system，IDS)监控无线通信传输，检查是否有可疑活动或者违反船舶航行规章，侦测到时发出警报或者采取主动反应措施；身分验证***(Authentication)，仅授权通过身分验证(如共享密钥或生物学特征验证)的用户与船船进行通讯；防火墙***(Firewall)建立于外部装置与无线通信模块之间，可依据船舶预设保护内容的来监控往来的传输，并拦截不当的外部信息；或是透过白名单(Whitelisting)***或应用***白名单(Application Whitelisting)来执行正面表列的模块或应用程序，而不允许执行名单以外的应用程序，换句话说，信息安全模块1000仅允许导航***10内部所有模块或应用程序彼此信息的传递与执行，一旦出现名单以外的模块或应用程序，***10不会执行并且立刻发出警示提醒，透过白名单在第一线做隔离，以确保抵御恶意软件入侵而干扰船舶的航行。
最后，在本实施例中所述中央处理器更包括一电子海图数据库220与该所述路径导航模块210连接，所述电子海图数据库220储存历史的航行路径，往后当所述船舶相同的所述航行路径时，即可使用数据库220所储存的历史航行路径进行辅助航行，如此一来可减少中央处理器重新计算的时间及能量消耗。除此之外，所述电子海图数据库更储存了包含海洋图资、地理信息***(Geographic Information System，GIS)、航海信息记录(VoyageData)、国际避碰规章(COLREGS)、海洋环境数据、海流数据、潮汐潮流数据、航线航道数据、港埠设施数据、助导航设施、航标数据、现况信息、港埠实时动态信息、海难数据库、气象预报数据、历史性气象数据、陆岸数据库、海图水深点数据库、重要道路数据库及灯标浮漂数据库等至少一种以上的相关数据。
接下来将针对前述的导航方法做进一步的说明。
首先，请参照图2A、图2B并配合图3至图7，图2A为本发明较佳实施例的船舶导航方法流程图(未跨节点)，图2B为本发明较佳实施例的船舶导航方法流程图(跨节点)。如图2A所示，本发明的船舶导航方法包括以下步骤：(a)所述船舶沿所述航行路径航行，且所述航行路径包括至少二节点，其中所述至少二节点包括一第一节点及一第二节点(其节点数可依据航行路径自行设定，本发明不应依此为限)，且所述第一节点与所述第二节点的连线为一第一线段；(b)所述船舶航行至距离所述第一节点或一原追踪点小于一第一长度时，产生一第一追踪点位于所述第一线段上，且所述船舶依循所述第一追踪点航行，其中所述第一追踪点距离所述第一节点一第二长度；(c)所述船舶航行至距离所述第一追踪点小于所述第一长度时，产生一第二追踪点位于所述第一线段上，且所述船舶依循所述第二追踪点航行，其中所述第二追踪点距离所述第一追踪点所述第二长度；以及(d)重复上述步骤(b)-(c)，直到所述船舶经过每一个节点。值得注意的是，当船舶V依循追踪点航行的过程中，若其路径上有侦测到障碍物，则应优先回避障碍物后再继续依循追踪点航行。
其中所述步骤(a)之后还包含一步骤(a1)所述船舶沿该第一线段航行并受到一外部因素干扰而偏离所述航行路径，结束后执行步骤(b)。而所述外部因素可以是感测模块所侦测到的(请参照第一图)风力、波浪、洋流或其组合等；或是在默认船舶路径的航行过程中，感测模块侦测到该路径上有突发事件，如他船航行至默认航行路径上，或航行路径中出现礁石或大型海洋生物等，皆会使船舶在航行过程中因回避障碍物而偏离原始的航行路径。
如图2B所示，本发明的船舶路径的导航方法包括以下步骤：(e)所述船舶沿所述航行路径航行，且所述航行路径包括至少二节点，其中所述至少二节点包括一第一节点、一第二节点及一第三节点(其节点数可依据航行路径自行设定，本发明不应依此为限)，且所述第一节点与所述第二节点的连线为一第一线段，所述第二节点与所述第三节点的连线为一第二线段；(f)所述船舶航行至距离所述第一节点或一原追踪点小于一第一长度时，产生一第一追踪点位于所述第一线段上，且所述船舶依循所述第一追踪点航行，其中所述第一追踪点距离所述第一节点一第二长度；(g)所述船舶航行至距离所述第一追踪点小于所述第一长度，且所述第一追踪点至所述第二节点的距离小于所述第二长度时，产生一第二追踪点位于所述第二线段上，且所述船舶依循所述第二追踪点航行，其中所述第二追踪点距离所述第一追踪点所述第二长度；以及(h)重复上述步骤(f)-(g)，直到所述船舶经过每一个节点。而图2B与图2A的差异在于，由于原追踪点至下一节点的距离小于第二长度，此时新追踪点须坐落于原节点连线的下一节点连线上，而发生航行路径出现跨节点的现象。值得注意的是，当船舶V依循追踪点航行的过程中，若其路径上有侦测到障碍物，则应优先回避障碍物后再继续依循追踪点航行。
其中所述步骤(e)之后还包含一步骤(e1)所述船舶沿所述第一线段航行并受到一外部因素干扰而偏离该航行路径，结束后执行步骤(f)。而所述外部因素可以是感测模块所侦测到的(请参照第一图)风力、波浪、洋流或其组合等；或是在默认船舶路径的航行过程中，感测模块侦测到该路径上有突发事件，如他船航行至默认航行路径上，或航行路径中出现礁石或大型海洋生物等，皆会使船舶在航行过程中因回避障碍物而偏离原始的航行路径。
图3至图7进一步展示了船舶导航方法流程的示意图。首先在图3中，船舶V沿着一航行路径(在此为沿着节点OABC的轨迹)航行，其中节点O在本图中表示船舶V已通过的一航行点，节点A(在此为第一节点)、B(在此为第二节点)及C(在此为第三节点)表示船舶V欲前往的至少一目标点，又第一节点A在本图中为船舶V的下一目标点。除此之外，在本图中节点O(在此为航行点)与第一节点A的连线为第一线段OA，第一节点A与第二节点B的连线为第二线段AB，第二节点B与第三节点C的连线为第二线段BC。
当船舶V航行至距离所述第一节点A小于一第一长度时D1时，产生一第一追踪点(新追踪点)P1生成于所述第二线段AB上，且所述船舶V将原先依循(自动追踪)第一节点A航行的路线改变为依循(自动追踪)所述第一追踪点P1航行(航行路线如图中之粗体虚线)，其中所述第一追踪点P1距离所述第一节点A一第二长度D2。
接续在图4中，船舶V追踪所述第一追踪点P1航行并且靠近至与所述第一追踪点P1小于所述第一长度D1时(此时船舶V已通过第一节点A)，产生一第二追踪点(新追踪点)P2生成于所述第二线段AB上，且所述船舶V将原先依循(自动追踪)第一追踪点P1航行的路线改变为依循(自动追踪)所述第二追踪点P2(新追踪点)航行(航行路线如图中之粗体虚线)，其中所述第二追踪点P2距离所述第一追踪点P1所述第二长度D2。
而在图5中，船舶V追踪图4之第二追踪点P2(在本图为追踪点P1)，且靠近至与追踪点P1小于所述第一长度D1时，产生一新追踪点P2生成于所述第二线段AB上，且所述船舶V将原先依循(自动追踪)追踪点P1航行的路线改变为依循(自动追踪)该追踪点P2(新追踪点)航行(航行路线如图中之粗体虚线)，其中该追踪点P2距离该追踪点P1所述第二长度D2。
进一步而言，请同时参照图5、图6，当所述第二追踪点P2至所述第二节点B间的距离小于所述第二长度D2时，产生一第三追踪点P3生成于该第三线段BC上，且所述船舶V依循(自动追踪)该第三追踪点P3航行。具体而言，当船舶V追踪图5之第二追踪点P2，且靠近至与追踪点P2小于所述第一长度D1时，原先应该产生一新追踪点生成于所述第二线段AB上；然而，由于所述第二追踪点P2至所述第二节点B的距离小于所述第二长度D2，无法生成新追踪点于所述第二线段AB上，故新追踪点(即第三追踪点P3)即生成于第二线段AB的下一线段(即第三线段BC)上，且所述船舶V将原先依循(自动追踪)第二追踪点P2航行的路线改变为依循(自动追踪)该第三追踪点P3(新追踪点)航行(航行路线如图中之粗体虚线)，其中该第三追踪点P2距离所述第二追踪点P2所述第二长度D2。
最后在图7中可明显看出，相较于先前技术于路径转折处会因过度打舵而造成过冲的现象，本发明所提出之导航方法会为了依循(自动追踪)新的追踪点而自动提早修正舵角的方向，以节省因过冲而造成航行时间增加和航行燃料浪费等问题。如图7所示，本图中的导航方法类似于图4之情况，当船舶V追踪图6之第三追踪点P3(在本图为追踪点P1)，且靠近至与追踪点P1小于所述第一长度D1时(此时船舶V已通过第二节点B)，产生一新追踪点P2生成于该第三线段BC上，且所述船舶V将原先依循追踪点P1航行的路线改变为依循该追踪点P2(新追踪点)航行(航行路线如图中的粗体虚线)，其中该追踪点P2距离该追踪点P1所述第二长度D2。
其中，在本实施例前述所有提及的第一长度D1，其为两倍的垂线间长(Lengthbetween perpendiculars,LPP)；而所有提及的第二长度D2则为三倍的垂线间长(Lengthbetween perpendiculars,LPP)，在此垂线间长是指船舶自艏垂标(ForwardPerpendicular/F.P.，由艏柱与水线交点所绘的假想直线)至艉垂标(AfterPerpendicular/A.P.，由艉柱与水线交点所绘的假想直线)沿载重水线所测得的水平长度；而当受测船体无艉柱时，则可以以舵杆轴心的中线为船尾标记以测量垂标间距。
而在其他可能的实施例中，第一长度D1和第二长度D2可依照使用者的需求自行设定，或是根据外部环境或偏离航行路径的程度来自动调整第一长度D1和第二长度D2的距离，本发明不应依此为限。举例而言，当传感器侦测到船舶偏离航行路径的距离在可修正范围(安全范围)内，则第一长度D1和第二长度D2可以是原先预设长度(即两倍的垂线间长和为三倍的垂线间长)的正负10-20％的误差范围；若船舶偏离航行路径的距离超出可修正范围，则第一长度D1和第二长度D2的误差必须降至最小，以利于船舶修正导航至原航行路径。
结合图3至图7的导航方法，船舶可不断重复上述步骤直到所述船舶经过每一个目标点(节点)；换言之，用户仅需设定航行路径的起迄点及其之间的节点，所述船舶即能从起点依循每一个节点的轨迹自动航行至终点，完成所述航行路径之导航。除此之外，上述的导航方法都可透过图1的船舶导航***实现。
具体而言，上述的导航方法是透过模拟磁力相斥的作用，当船舶接近位于节点连线上的追踪点时，该追踪点会自动「弹」向前方并形成新的追踪点(仍位于节点连线上)，使得追踪点总是位在船舶前方一定距离(第二长度D2)且船舶会持续依循追踪点的轨迹直至最后一个节点。值得注意的是，当新追踪点与原追踪点的距离(即前述之第二长度D2)小于原追踪点至下一节点的距离时，新追踪点的生成位置则会在下一节点线段上，又若所述下一节点线段为路径转折处时(请参照图5的情况)，追踪点会提前进入转折后的节点线段中(即图5中追踪点P3位于线段BC上)，使得船舶打舵的航向提早开始修正往新的追踪点航行，由此即可避免转折点过冲的现象。
除此之外，上述的导航方法还可应用于当船舶因外部因素干扰而偏离原始航行路径时，所进行之辅助方法使得船舶自动并且稳定地回到原始规划的航行路径上。首先，请参照图8A、图8B并配合图9、图10，图8A、图8B为本发明另一较佳实施例的船舶导航方法流程图，图9及图10则为本发明另一较佳实施例的船舶导航方法流程示的意图。
如图8A所示，本发明的另一船舶导航方法包括以下步骤：(A)一船舶沿一航行路径航行，所述航行路径包括至少二节点，其中所述至少二节点包括一第一节点及一第二节点，且所述第一节点与所述第二节点的连线为一第一线段；(B)所述船舶沿所述第一线段航行并受到一外部因素干扰而偏离所述航行路径；(C)所述船舶航行至距离一第一追踪点小于一第一长度时，产生一第二追踪点位于所述第一线段上，且所述船舶依循所述第二追踪点航行，其中所述第二追踪点距离所述第一追踪点一第二长度；以及(D)所述船舶返回所述航行路径以完成轨迹导航修正。
如图8B所示，本发明的另一船舶导航方法包括以下步骤：(E)一船舶沿一航行路径航行，所述航行路径包括至少二节点，其中所述至少二节点包括一第一节点、一第二节点及一第三节点，且所述第一节点与所述第二节点的连线为一第一线段，且所述第二节点与所述第三节点的连线为一第二线段；(F)所述船舶沿所述第一线段航行并受到一外部因素干扰而偏离所述航行路径；(G)所述船舶航行至距离一第一追踪点小于一第一长度，且所述第一追踪点至所述第二节点的距离小于一第二长度时，产生一第二追踪点位于所述第二线段上，且所述船舶依循所述第二追踪点航行，其中所述第二追踪点距离所述第一追踪点所述第二长度；以及(H)所述船舶返回所述航行路径以完成轨迹导航修正。而图8B与图8A的差异在于，由于原追踪点至下一节点的距离小于第二长度，此时新追踪点须坐落于原节点连线的下一节点连线上，而发生航行路径出现跨节点的现象。
除此之外，本另一实施例的导航方法与图2A、图2B的导航方法的差异在于，所述船舶在航行的过程受更受到一外部因素干扰而偏离原始的航行路径，而所述外部因素可以是感测模块所侦测到的(请参照图1)风力、波浪、洋流、障碍物或其组合等。
而在图9和图10中进一步呈现了另一船舶导航方法流程的示意图，如图9所示，当船舶V在航行的过程中受到突然的外部因素I干扰而偏离原先设定的航行路径(在此为线段AB)时，船舶V仍会自动依循原追踪点P1行驶，而当船舶V航行至距离所述原追踪点P1小于一第一长度时，产生一新追踪点P2生成于原线段(在此为线段AB)上，且所述船舶V依循该新追踪点P2航行(航行路线如图中之粗体虚线)，其中该新追踪点P2距离该原追踪点P1一第二长度D2。
另一方面，如图10所示，当该追踪点P2至节点B的距离小于所述第二长度D2时，产生一新追踪点P3生成于下一线段BC上，且所述船舶V依循(自动追踪)该新追踪点P3航行。具体而言，当船舶V追踪图9之追踪点P2，且靠近至与追踪点P2小于所述第一长度D1时，原先应该产生一新追踪点生成于原线段AB上；然而，由于追踪点P2至该节点B的距离小于所述第二长度D2，无法生成新追踪点于原线段AB上，故一新追踪点P3即生成于原线段AB之下一线段BC上，且所述船舶V将原先依循(自动追踪)追踪点P2航行的路线改变为依循(自动追踪)该新追踪点P3(新追踪点)航行(航行路线如图中的粗体虚线)，其中所述第三追踪点P2距离所述第二追踪点P2所述第二长度D2。
其中，前述所有提及的第一长度D1，其为两倍的垂线间长(Length betweenperpendiculars,LPP)；而所有提及的第二长度则为三倍的垂线间长(Length betweenperpendiculars,LPP)。
透过上述的导航方法可知，在具有外部因素干扰的条件下，无论是维持原线段航行的路径，或是具有转折处的路径，都可透过本发明的修正方法将偏离航行路径的船舶自动导航至节点连线的线段上，得以让所述船舶回到原始设定的航行路径行驶。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，依本发明申请专利范围及说明内容所作的简单变化与修饰，仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (30)

1.一种船舶导航方法，其特征在于，包括：
(a)一船舶沿一航行路径航行，所述航行路径包括至少二节点，其中所述至少二节点包括一第一节点及一第二节点，且所述第一节点与所述第二节点的连线为一第一线段；
(b)所述船舶航行至距离所述第一节点小于一第一长度时，产生一第一追踪点位于所述第一线段上，且所述船舶依循所述第一追踪点航行，其中所述第一追踪点距离所述第一节点一第二长度；
(c)所述船舶航行至距离所述第一追踪点小于所述第一长度时，产生一第二追踪点位于所述第一线段上，且所述船舶依循所述第二追踪点航行，其中所述第二追踪点距离所述第一追踪点所述第二长度；以及
(d)重复上述步骤(b)-(c)，直到所述船舶经过每一个节点。
2.根据权利要求1所述的船舶导航方法，其特征在于，所述第一长度为两倍的垂线间长。
3.根据权利要求1所述的船舶导航方法，其特征在于，所述第二长度为三倍的垂线间长。
4.根据权利要求1所述的船舶导航方法，其特征在于，所述步骤(a)之后还包括一步骤(a1)所述船舶沿所述第一线段航行并受到一外部因素干扰而偏离所述航行路径。
5.根据权利要求4所述的船舶导航方法，其特征在于，所述外部因素为风力、波浪、海流、障碍物或其组合。
6.一种船舶导航方法，其特征在于，包括：
(e)一船舶沿一航行路径航行，所述航行路径包括至少二节点，其中所述至少二节点包括一第一节点、一第二节点及一第三节点，且所述第一节点与所述第二节点的连线为一第一线段，所述第二节点与所述第三节点的连线为一第二线段；
(f)所述船舶航行至距离所述第一节点小于一第一长度时，产生一第一追踪点位于所述第一线段上，且所述船舶依循所述第一追踪点航行，其中所述第一追踪点距离所述第一节点一第二长度；
(g)所述船舶航行至距离所述第一追踪点小于所述第一长度，且所述第一追踪点至所述第二节点的距离小于所述第二长度时，产生一第二追踪点位于所述第二线段上，且所述船舶依循所述第二追踪点航行，其中所述第二追踪点距离所述第一追踪点所述第二长度；以及
(h)重复上述步骤(f)-(g)，直到所述船舶经过每一个节点。
7.根据权利要求6所述的船舶导航方法，其特征在于，所述第一长度为两倍的垂线间长。
8.根据权利要求6所述的导航方法，其特征在于，所述第二长度为三倍的垂线间长。
9.根据权利要求6所述的船舶导航方法，其特征在于，所述步骤(e)之后还包括一步骤(e1)所述船舶沿所述第一线段航行并受到一外部因素干扰而偏离所述航行路径。
10.根据权利要求9所述的船舶导航方法，其特征在于，所述外部因素为风力、波浪、海流、障碍物或其组合。
11.一种船舶导航***，其特征在于，包括：
一数据收发模块，接收一航行路径；
一中央处理器，与所述数据收发模块连接，所述中央处理器包括一路径导航模块，所述路径导航模块依据所述航行路经结合一导航方法，产生一航向控制命令以及一航速控制命令；
一方向控制模块，与所述中央处理器连接，所述方向控制模块依据所述航向控制命令控制所述船舶的方向；以及
一动力推进模块，与所述中央处理器连接，所述动力推进模块依据所述航速控制命令控制所述船舶的速度；
其中，所述导航方法为如权利要求1或6所述的船舶导航方法。
12.根据权利要求11所述的船舶导航***，其特征在于，包括一定位模块与所述中央处理器连接，所述定位模块取得所述船舶所在位置的坐标。
13.根据权利要求12所述的船舶导航***，其特征在于，包括一感测模块与所述中央处理器连接，所述感测模块侦测至少一外部环境数据。
14.根据权利要求13所述的船舶导航***，其特征在于，所述外部环境数据包括风力数据、波浪数据、洋流数据、障碍物数据或其组合。
15.根据权利要求11所述的船舶导航***，其特征在于，包括一无线通信模块与所述数据收发模块连接，所述无线通信模块远程接收所述航行路径。
16.根据权利要求15所述的船舶导航***，其特征在于，所述无线通信模块的通讯方式包括蓝芽、Wi-Fi、蜂巢式网络、无线电波、卫星通讯或其组合。
17.根据权利要求11所述的船舶导航***，其特征在于，所述中央处理器更包括一电子海图数据库与所述路径导航模块连接，所述电子海图数据库储存历史的航行路径。
18.根据权利要求13所述的船舶导航***，其特征在于，还包括一自动避障模块与所述中央处理器、所述感测模块及所述定位模块连接。
19.根据权利要求15所述的船舶导航***，其特征在于，还包括一信息安全模块与所述中央处理器及所述无线通信模块连接。
20.根据权利要求11所述的船舶导航***，其特征在于，所述数据收发模块包括工业计算机、人机接口、单芯片或其组合。
21.根据权利要求11所述的船舶导航***，其特征在于，所述中央处理器包括可编程逻辑控制器、微控制器或其组合。
22.根据权利要求11所述的船舶导航***，其特征在于，所述方向控制模块包括方向舵、电子转向***或其组合。
23.根据权利要求11所述的船舶导航***，其特征在于，所述动力推进模块包含发电机、引擎、侧推器、油门、电池、马达或其组合。
24.根据权利要求12所述的船舶导航***，其特征在于，所述定位模块包含全球定位***、全球导航卫星***、北斗卫星导航定位***或其组合。
25.根据权利要求13所述的船舶导航***，其特征在于，所述感测模块包括至少一环境感测模块以及至少一船舶感测模块。
26.根据权利要求25所述的船舶导航***，其特征在于，所述至少一环境感测模块包括气压传感器、温度传感器、风向传感器、湿度传感器、光学传感器、声学传感器、雷达传感器、光达传感器、摄像装置、船舶自动辨识***或其组合。
27.根据权利要求25所述的船舶导航***，其特征在于，所述至少一船舶感测模块包括油料传感器、电量传感器、陀螺仪、速度传感器、方向舵传感器、倾斜角度传感器或其组合。
28.根据权利要求15所述的船舶导航***，其特征在于，所述无线通信模块包括天线、蓝芽通讯模块、Wi-Fi通讯模块、蜂巢式网络通讯模块、无线电波通讯模块、卫星通讯模块或其组合。
29.根据权利要求17所述的船舶导航***，其特征在于，所述电子海图数据库储存包括海洋图资、地理信息***、航海信息记录、国际避碰规章或其组合的数据。
30.根据权利要求19所述的船舶导航***，其特征在于，所述信息安全模块包括入侵检测***、身分验证***、授权与加密***、防火墙***、白名单***或其组合。
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