CN111897342A - 一种现代船舶自动靠离泊***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种现代船舶自动靠离泊***及方法,属于船舶操纵技术领域,包括定位***、惯性导航单元、场景重建单元、传感器监控单元、综合数据处理中心、故障紧急处理***和岸基指挥中心;定位***用于检测船舶的地理位置;惯性导航***用于船舶本身的姿态感知和运动状态感知;场景重建单元用于重建岸基环境和船舶航行的三维模型;本发明使用三维场景重建技术可实现实时、直观地将整个靠离泊过程整体性的可视化,与此同时通过故障紧急处理***可将紧急情况下的处理步骤更加细化,使得损失减少到最低。
Description
技术领域
本发明涉及船舶操纵技术领域,具体涉及现代船舶自动靠离泊***及方法。
背景技术
随着机器人技术、现代通信技术、计算机技术、数据挖掘技术以及航海技术的迅猛发展,无人船技术逐渐应用于海面环境监测、海洋气象预报、通信中继、海上事故搜寻救助、海上交通疏导、协助维护海上交通秩序、近远程目标识别与追踪、无人商船自动驾驶等领域。目前,船舶自动靠泊领域依旧在大量使用人工操作或者拖轮辅助,效率较低、成本较高,因此发明一种基于现代船舶平台的自动靠离泊***便显得尤为重要。
中国专利CN207529224U公开了一种船舶自动靠泊***,由各方位的摄像头将码头停靠边沿的实时情况传达至靠泊控制***,由靠泊控制***根据码头实时情况对应的数据调节推进***,驱动船舶实现自动靠泊;但是仅依赖于摄像头采集的信息的准确性受天气等环境因素影响较大。
中国专利CN107065878A公开了一种船舶自动靠泊***及方法,包括测量子***、自动控制子***、船载执行机构、***起停装置;测量子***采集并实时处理船舶靠泊所需的船速和角度数据,自动控制子***控制船舶执行机构以实现船舶的自动靠泊;但该专利的测量子***仅包含激光测距仪和GPS,所采集的数据精度有待于提升。
中国专利CN 109739238A公开了一种船舶自动靠离泊***及其工作方法,包括导航单元、运动控制单元、岸基监控单元,考虑了路线规划问题,但是船舶本身对突发情况的处理方式较单一,且岸基操作人员仅能通过肉眼观察或者数据决定如何控制船舶的运动,这样具有的误差和对岸上人员的风险较大。
由上可知,现阶段的船舶自动靠离泊***数据采集较为单一,收到环境因素的影响;同时大量使用人工操作,效率较低、成本较高,并且存在着大量误差,对岸上人员造成一定的风险。
因此,本申请提出新的现代船舶自动靠离泊***及方法。
发明内容
为解决上述问题,本发明的目的在于提供一种现代船舶自动靠离泊***及方法。该***使用三维场景重建技术可实现实时、直观地将整个靠离泊过程整体性的可视化,与此同时通过故障紧急处理***可将紧急情况下的处理步骤更加细化,使得损失减少到最低。
为实现上述目的,本发明提供了如下的技术方案。
一种现代船舶自动靠离泊***,包括定位***、惯性导航单元、场景重建单元、传感器监控单元、综合数据处理中心、故障紧急处理***和岸基指挥中心;
所述定位***包括船舶罗经、GPS和北斗接收机,用于实时获取船舶的离岸位置和前进方向信号,并发送信号给所述综合数据处理中心;
所述惯性导航单元,用于实时获取船舶的倾角、速度、加速度、偏航角和位置的信息,并发送信息给所述综合数据处理中心;
所述场景重建单元包括双目摄像头、激光雷达、超声波测距模块和三维点云解算***;所述双目摄像头用于采集目标码头的照片信息,所述超声波测距模块测定船舶至目标码头的距离;所述激光雷达获取目标码头的点云数据,并通过所述三维点云解算***进行三维场景重建;所述场景重建单元将照片信息、距离信息和三维场景信息发送给所述综合数据处理中心;
所述传感器监控单元包括安装在船舶上的传感元件,所述传感元件获得的传感信息发送给所述综合数据处理中心;
所述综合数据处理中心包括姿态解算模块、视觉信息计算模块和综合决策模块;所述姿态解算模块对所述定位***的信息和惯性导航单元的信息进行融合,获取船舶姿态信息;所述视觉信息计算模块对所述双目摄像头采集的照片进行处理,获取距离信息并输出至所述综合决策模块进行处理;所述综合决策模块将船舶姿态信息、距离信息和三维场景信息进行评估,并将评估结果传输给控制机构;所述综合数据处理中心将船舶姿态信息、距离信息和三维场景信息发送至所述岸基指挥中心;
所述故障紧急处理***用于在船舶遇险后开启紧急制动;所述故障紧急处理***通过所述综合数据处理中心紧急搜集碰撞处的所述传感元件的数据,并将数据传输给所述控制机构;所述控制机构控制所述执行机构进行紧急制动。
优选地,所述超声波测距模块和双目摄像头在船舶靠离泊的工作过程中实时测量安装位置与检测位置之间的距离,并最终采用优化算法对距离进行最优估计。
优选地,所述激光雷达、超声波测距模块和双目摄像头分布设置在船体舷侧,其分布规律满足双目测距算法最优化的要求,并能最大限度的保证超声波和激光雷达的性能;所述双目摄像头用于远距离测距,所述超声波测距模块用于近距离测距。
优选地,所述姿态解算模块通过卡尔曼滤波算法对所述定位***的信息和所述惯性导航单元的信息进行线性融合,最终得出最优估计的船舶姿态信息。
优选地,所述控制机构包括指令接收及处理模块,所述指令接收及处理模块将从综合数据处理中心传来的评估结果进行处理编译,再通过PID算法进行计算,最终向所述执行机构输出指令;所述执行机构包括舵和动力推进装置。
优选地,所述船舶与所述岸基指挥中心采用卫星通讯的方式进行无线通讯。
优选地,所述传感元件包括水流传感器和风向传感器。
一种现代船舶自动靠离泊***的靠离泊方法,包括以下步骤:
航行前双目摄像头在目标码头采集多角度照片信息,并将照片信息传输至综合数据处理中心;将激光雷达所采集的信息通过三维点云解算***进行三维场景重建并将其录入综合数据处理中心,综合数据处理中心将三维场景重建模型传输至岸基指挥中心;
定位***实时获取船舶的离岸位置和前进方向信号,并发送信号给所述综合数据处理中心;
惯性导航***实时获取船舶的倾角、速度、加速度、偏航角和位置的信息,并发送信息给综合数据处理中心;
船舶开始靠岸动作到停止之前的时间段中,综合数据处理中心的姿态解算模块对定位***的信息和惯性导航单元的信息进行融合,获取船舶姿态信息;综合数据处理中心的视觉信息计算模块对双目摄像头采集的照片进行处理,获取距离信息并输出至综合决策模块进行处理;综合决策模块将船舶姿态信息和距离信息进行评估,并将评估结果传输给控制机构;
综合数据处理中心将船舶姿态信息以及照片信息、距离信息和三维场景信息发送至岸基指挥中心,岸基指挥中心分配靠泊区域并反馈给船舶;
控制机构获取综合数据处理中心发来的评估结果进行编译,通过卡尔曼滤波算法和PID算法进行处理得到指令,向执行机构发送指令;执行机构接收到控制机构的指令,开始工作,带动整船进行运动;
靠泊停止之前,双目摄像头关机,超声波测距模块开机,进行近距离测距,直至靠泊;
其中,在靠泊前,若船舶的综合数据处理***出现故障,触发故障紧急处理***;综合数据处理中心和控制机构及执行机构之间的通信线路被立即切断,由船员操作或岸基指挥中心远程操纵船舶;
若船舶与其它船舶发生了碰撞,则进行的是自动触发方式,船舶会立刻进行紧急制动,综合数据处理***紧急搜集各传感器的数据并不断向岸基指挥中心和船舶总控室发送碰撞处的传感器数据;控制机构与执行机构根据处理结果保持船舶的姿态;
若岸基指挥中心评估认为数据处理中心的处理结果错误,切断综合数据处理中心的控制权限。
本发明有益效果:
本发明提出了一种现代船舶自动靠离泊***及方法,该***使用三维场景重建技术可实现实时、直观地将整个靠离泊过程整体性的可视化,与此同时通过故障紧急处理***可将紧急情况下的处理步骤更加细化,使得损失减少到最低。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明实施例的现代船舶自动靠离泊***的工作方法流程图;
图2是本发明实施例的现代船舶自动靠离泊***的主要检测元件布置图。
图中:1、双目摄像头;2、惯性导航***;3、激光雷达。
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仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例
一种现代船舶自动靠离泊***,如图1-2所示,包括定位***、惯性导航单元、场景重建单元、传感器监控单元、综合数据处理中心、故障紧急处理***和岸基指挥中心;
定位***包括船舶罗经、GPS和北斗接收机,用于实时获取船舶的离岸位置和前进方向信号,并发送信号给综合数据处理中心;
惯性导航单元包括船舶惯性测量模块,用于实时获取船舶的倾角、速度、加速度、偏航角和位置的信息,并发送信息给综合数据处理中心;
场景重建单元包括双目摄像头1、激光雷达3、超声波测距模块和三维点云解算***;双目摄像头1用于采集目标码头的照片信息,超声波测距模块测定船舶至目标码头的距离;激光雷达3获取目标码头的点云数据,并通过三维点云解算***进行三维场景重建;场景重建单元将照片信息、距离信息和三维场景信息发送给综合数据处理中心;
传感器监控单元包括安装在船舶上的传感元件,传感元件获得的传感信息发送给综合数据处理中心;
综合数据处理中心包括姿态解算模块、视觉信息计算模块和综合决策模块;姿态解算模块对定位***的信息和惯性导航单元的信息进行融合,获取船舶姿态信息;视觉信息计算模块对双目摄像头1采集的照片进行处理,获取距离信息并输出至综合决策模块进行处理;综合决策模块将船舶姿态信息、距离信息和三维场景信息进行评估,并将评估结果传输给控制机构;综合数据处理中心将船舶姿态信息、距离信息和三维场景信息发送至岸基指挥中心;
故障紧急处理***用于在船舶遇险后开启紧急制动;故障紧急处理***通过综合数据处理中心紧急搜集碰撞处的传感元件的数据,并将数据传输给控制机构;控制机构控制执行机构进行紧急制动。
进一步的,超声波测距模块和双目摄像头1在船舶靠离泊的工作过程中实时测量安装位置与检测位置之间的距离,并最终采用优化算法对距离进行最优估计。
较佳的,激光雷达3、超声波测距模块和双目摄像头1分布设置在船体舷侧,其分布规律满足双目测距算法最优化的要求,并能最大限度的保证超声波和激光雷达3的性能;双目摄像头1用于远距离测距,超声波测距模块用于近距离测距。
此外,姿态解算模块通过卡尔曼滤波算法对定位***的信息和惯性导航单元的信息进行线性融合,最终得出最优估计的船舶姿态信息。
进一步的,控制机构包括指令接收及处理模块,指令接收及处理模块将从综合数据处理中心传来的评估结果进行处理编译,再通过PID算法进行计算,最终向执行机构输出指令;执行机构包括舵和动力推进装置。
优选的,船舶与岸基指挥中心采用卫星通讯的方式进行无线通讯。
另外,传感元件包括水流传感器和风向传感器。
本实施例中,
航行前双目摄像头1在目标码头采集多角度照片信息;将激光雷达3所采集的信息通过三维点云解算***进行三维场景重建并将其录入综合数据处理中心,综合数据处理中心将三维场景重建模型传输至岸基指挥中心;
定位***实时获取船舶的离岸位置和前进方向信号,并发送信号给所述综合数据处理中心;
惯性导航***22实时获取船舶的倾角、速度、加速度、偏航角和位置的信息,并发送信息给综合数据处理中心;
船舶开始靠岸动作到停止之前的时间段中,综合数据处理中心的姿态解算模块对定位***的信息和惯性导航单元的信息进行融合,获取船舶姿态信息;综合数据处理中心的视觉信息计算模块对双目摄像头1采集的照片进行处理,获取距离信息并输出至综合决策模块进行处理;综合决策模块将船舶姿态信息和距离信息进行评估,并将评估结果传输给控制机构;
综合数据处理中心将船舶姿态信息以及照片信息、距离信息和三维场景信息发送至岸基指挥中心,岸基指挥中心分配靠泊区域并反馈给船舶;
控制机构获取综合数据处理中心发来的评估结果进行编译,通过卡尔曼滤波算法和PID算法进行处理得到指令,向执行机构发送指令;执行机构接收到控制机构的指令,开始工作,带动整船进行运动;
靠泊停止之前,双目摄像头1关机,超声波测距模块开机,精准测量距离,并控制船舶位置进行微调;
若船只发生突发状况,如综合数据处理***出现故障,触发故障紧急处理***;综合数据处理中心和控制机构及执行机构之间的通信线路被立即切断,由船员操作或岸基指挥中心远程操纵船舶;
若船舶与其它船只发生了碰撞,则进行的是自动触发方式,船舶会立刻进行紧急制动,综合数据处理***紧急搜集各传感器的数据并不断向岸基指挥中心和船舶总控室发送碰撞处的传感器数据;控制机构与执行机构会根据处理结果保持船舶的姿态;
若岸基指挥中心评估认为数据处理中心的处理结果错误,切断综合数据处理中心的控制权限。
以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种现代船舶自动靠离泊***,其特征在于,包括定位***、惯性导航单元、场景重建单元、传感器监控单元、综合数据处理中心、故障紧急处理***和岸基指挥中心;
所述定位***包括船舶罗经、GPS和北斗接收机,用于实时获取船舶的离岸位置和前进方向信号,并发送信号给所述综合数据处理中心;
所述惯性导航单元,用于实时获取船舶的倾角、速度、加速度、偏航角和位置的信息,并发送信息给所述综合数据处理中心;
所述场景重建单元包括双目摄像头、激光雷达、超声波测距模块和三维点云解算***;所述双目摄像头用于采集目标码头的照片信息,所述超声波测距模块测定船舶至目标码头的距离;所述激光雷达获取目标码头的点云数据,并通过所述三维点云解算***进行三维场景重建;所述场景重建单元将照片信息、距离信息和三维场景信息发送给所述综合数据处理中心;
所述传感器监控单元包括安装在船舶上的传感元件,所述传感元件获得的传感信息发送给所述综合数据处理中心;
所述综合数据处理中心包括姿态解算模块、视觉信息计算模块和综合决策模块;所述姿态解算模块对所述定位***的信息和惯性导航单元的信息进行融合,获取船舶姿态信息;所述视觉信息计算模块对所述双目摄像头采集的照片进行处理,获取距离信息并输出至所述综合决策模块进行处理;所述综合决策模块将船舶姿态信息、距离信息和三维场景信息进行评估,并将评估结果传输给控制机构;所述综合数据处理中心将船舶姿态信息、距离信息和三维场景信息发送至所述岸基指挥中心;
所述故障紧急处理***用于在船舶遇险后开启紧急制动;所述故障紧急处理***通过所述综合数据处理中心紧急搜集碰撞处的所述传感元件的数据,并将数据传输给所述控制机构;所述控制机构控制所述执行机构进行紧急制动。
2.根据权利要求1所述的现代船舶自动靠离泊***,其特征在于,所述超声波测距模块和双目摄像头在船舶靠离泊的工作过程中实时测量安装位置与检测位置之间的距离,并最终采用优化算法对距离进行最优估计。
3.根据权利要求2所述的现代船舶自动靠离泊***,其特征在于,所述激光雷达、超声波测距模块和双目摄像头分布设置在船体舷侧;所述双目摄像头用于远距离测距,所述超声波测距模块用于近距离测距。
4.根据权利要求1所述的现代船舶自动靠离泊***,其特征在于,所述姿态解算模块通过卡尔曼滤波算法对所述定位***的信息和所述惯性导航单元的信息进行线性融合,最终得出最优估计的船舶姿态信息。
5.根据权利要求1所述的现代船舶自动靠离泊***,其特征在于,所述控制机构包括指令接收及处理模块,所述指令接收及处理模块将从综合数据处理中心传来的评估结果进行处理编译,再通过PID算法进行计算,最终向所述执行机构输出指令;所述执行机构包括舵和动力推进装置。
6.根据权利要求1所述的现代船舶自动靠离泊***,其特征在于,所述船舶与所述岸基指挥中心采用卫星通讯的方式进行无线通讯。
7.根据权利要求1所述的现代船舶自动靠离泊***,其特征在于,所述传感元件包括水流传感器和风向传感器。
8.一种现代船舶自动靠离泊***的靠离泊方法,其特征在于,包括以下步骤:
航行前双目摄像头在目标码头采集多角度照片信息,并将照片信息传输至综合数据处理中心;将激光雷达所采集的信息通过三维点云解算***进行三维场景重建并将其录入综合数据处理中心,综合数据处理中心将三维场景重建模型传输至岸基指挥中心;
定位***实时获取船舶的离岸位置和前进方向信号,并发送信号给所述综合数据处理中心;
惯性导航***实时获取船舶的倾角、速度、加速度、偏航角和位置的信息,并发送信息给综合数据处理中心;
船舶开始靠岸动作到停止之前的时间段中,综合数据处理中心的姿态解算模块对定位***的信息和惯性导航单元的信息进行融合,获取船舶姿态信息;综合数据处理中心的视觉信息计算模块对双目摄像头采集的照片进行处理,获取距离信息并输出至综合决策模块进行处理;综合决策模块将船舶姿态信息和距离信息进行评估,并将评估结果传输给控制机构;
综合数据处理中心将船舶姿态信息以及照片信息、距离信息和三维场景信息发送至岸基指挥中心,岸基指挥中心分配靠泊区域并反馈给船舶;
控制机构获取综合数据处理中心发来的评估结果进行编译,通过卡尔曼滤波算法和PID算法进行处理得到指令,向执行机构发送指令;执行机构接收到控制机构的指令,开始工作,带动整船进行运动;
靠泊停止之前,双目摄像头关机,超声波测距模块开机,进行近距离测距,直至靠泊;
其中,在靠泊前,若船舶的综合数据处理***出现故障,触发故障紧急处理***;综合数据处理中心和控制机构及执行机构之间的通信线路被立即切断,由船员操作或岸基指挥中心远程操纵船舶;
若船舶与其它船舶发生了碰撞,则进行的是自动触发方式,船舶会立刻进行紧急制动,综合数据处理***紧急搜集各传感器的数据并不断向岸基指挥中心和船舶总控室发送碰撞处的传感器数据;控制机构与执行机构根据处理结果保持船舶的姿态;
若岸基指挥中心评估认为数据处理中心的处理结果错误,切断综合数据处理中心的控制权限。
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