CN112363506A - 一种智能巡航船自动回航方法及其自动回航*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能巡航船自动回航方法及其自动回航***，包括单片机采集器模块、视觉摄像头模块、机器人控制模块、单片机驱动器模块、手持终端模块、物联网数据传输模块；根据北斗定位的经纬度信息，设定三个回航点A、B、C,保存于一片水域的模型文件中，B点在A点和C点之间；回航时，会先行驶到A点，回到A点后，向B点前进；在从A点到B点的过程中，船头的方向进行调整寻找C点位置，使在C点的船坞此时会被视觉摄像头捕捉到，最终行驶进到船坞，完成回航。本发明解决了智能船在室外的超远水域距离上，够自主回航的问题，不需构建地图，避免使用巨大的文件和计算能力很强的硬件，大大降低成本。
Description
技术领域
本发明属于智能船的自动回航技术领域，具体涉及一种在户外水域，智能船能精准回航的一种智能巡航船自动回航方法及其自动回航***。
背景技术
在目前的研究中，有相关智能船的自动回航技术研究还很少。技术相近的方案是在扫地机器人的自动回充。对于目前市面上的扫地机器人的回充方法依据所使用的不同传感器大致可以分为以下几种：红外传感器、超声波传感器、视觉传感器、激光传感器，以及上述几种传感器混合使用的方法。
在扫地机器人工作中当检测到电量不足时，会自动寻找充电座。由于各种传感器的局限性，我们需要扬长避短，充分发挥各种传感器的优势。所以在此过程中依据离充电座的远近可以分为远距离回充和近距离回充：
在远距离回充方法上：比较高端的扫地机器人会加入路径规划算法，通过搭载的激光传感器来构建出房间的地图，同时标记出充电座的位置。在需要充电时，自动规划一条路径回到充电座附近的地方。而比较中低端的则采用沿墙壁行走的方法来寻找充电座。事实上我们大部分扫地机器人就是通过后一种方法来回到充电座附近的地方。
在近距离的回充方法上：一般在充电座上安装红外传感器或超声传感器，配合扫地机器人本体上的传感器完成定位。市面上70％的扫地机器人采用单独的红外传感器，以及其他传感器融合的方法，而还有一些则采用超声波传感器。
1、单种红外传感器：
市面上70％的扫地机器人采用单独的红外传感器，以及其他传感器融合的方法。充电座的三组红外发射器均发出红外调制编码信号，而扫地机器人前方装有多个红外线接受装置。用于检测红外信号的强度，通过一定的算法来实现对接。这种方法的缺点是由于红外信号强度受多种因素的影响，所以回充速度较慢，总路径较长，同时精度也不是很高。
优点：成本较低，范围较广,易于开发。
缺点：精度较差，受环境影响较大，回充效率较低；室外光纤充足，特别是烈日当空的时候，红外接收器往往会失灵；红外线在传输过程中容易受到室内荧光灯干扰，所以会出现扫地机器人无法找到充电基座的情况发生。
2、红外摄像头融合：
优点：精度较高，提高了回充的效率。
缺点：开发难度较大，需要算力好的硬件支持，提高了成本。
3、激光雷达传感器：
扫地机器人上有一个可360度旋转的激光测距头，常用于构建地图和避障。国内许多机器人就利用这个传感器，将充电座做一个特殊的处理，相当于贴上一个标签。通常将扫地机器人的充电座表面区分为高低不同的凹凸区域，凹区域的材质的光线反射率高，凸区域的材质的的光线吸收率高，激光雷达通过识别这个特别的区域进行回充。
优点：探测范围较广，比较稳定。
缺点：开发比较复杂，需要较好的硬件***和算法支持。
4、超声雷达：
充电座两端安装有2个超声波雷达的接收器，而发射器安装在扫地机器人上，当需要回充时，扫地机器人上的相关超声波发射器发出超声波，充电座上的超声波接受到超声波然后进行处理。得到机器人相对于充电座的位姿，然后将位置信息反馈给机器人，使机器人不断调节位姿。
优点：可以测量出具体的距离值，相对精确，成本较低，易于开发。
缺点：距离短，方向性较差，易受环境影响(温度、湿度、障碍物等)。超声波测距受多径效应和非视距传播影响很大，对电路的制造成本要求较高，目前很少有机器是采用这种原理。
以上的都是一些室内，相对近距离的机器人自主回航，而在智能船的回航中，首先需要考虑的是智能船的作业背景，船只航行的水域是室外的且非常广阔。上面提到的红外在烈日当空的时候，红外接收器往往会失灵。使用激光雷达在广阔的水面上也是难以常用于构建地图，也就更难根据构建的地图进行路径的规划。超声雷达的方法在距离上收到很大限制，只有十几米甚至几米，相对于智能船广阔的的作业背景，远远无法使用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种能够解决在室外的超远距离上，智能船在广阔水域中能够自主回航，行驶近船坞的一种智能巡航船自动回航方法及其自动回航***。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种智能巡航船自动回航方法，其特征在于：包括以下步骤：
根据北斗定位的经纬度信息，设定三个回航点A、B、C,保存于一片水域的模型文件中，B点在A点和C点之间；A、B点的距离设定为30m-15m,B、C点的距离设定为10m-6m；巡航船在完成一次任务后，回航时，会先行驶到A点，回到A点后，向B点前进；在从A点到B点的过程中，船头的方向进行调整寻找C点位置，在巡航船到达B点后，使在C点的船坞此时会被视觉摄像头捕捉到，视觉摄像头会判断船坞与船行进方向的相对位置，使船头始终对准船坞一步步前进，最终行驶进到船坞；当船开进船坞有红外感应装置检测，确定巡航船已行驶进入船坞，巡航船进入待机状态，完成回航。
作为本发明的进一步优化，A、B、C三点处于一条直线上，视觉摄像头的拍摄方向即船头方向。
作为本发明的进一步优化，A、B点的距离设定为20m。
一种智能巡航船自动回航***，包括单片机采集器模块、视觉摄像头模块、机器人控制模块、单片机驱动器模块、手持终端模块、物联网数据传输模块；其中，北斗定位模块的输出端连接单片机采集器模块的输入端；
指南针模块的输出端连接所述单片机采集器模块的输入端；
超声波测距模块的输出端连接所述单片机采集器模块的输入端；
所述单片机采集器模块的输出端连接所述机器人控制模块的输入端；
所述视觉摄像头模块的输出端连接所述机器人控制模块的输入端；
所述机器人控制模块的输出端连接所述单片机驱动器模块的输入端；
所述机器人控制模块的输出端连接所述物联网数据传输模块的输入端；
所述手持终端模块的输出端连接所述单片机驱动器模块的输入端；
所述所述单片机驱动器模块的输出端连接所述机器人控制模块的输入端；
所述单片机驱动器模块的输出端连接舵机的输入端；
所述单片机驱动器模块的输出端连接螺旋桨的输入端。
作为本发明的进一步优化，机器人操作***采用ROS，单片机采用STM32单片机，包括单片机采集器模块、单片机驱动器模块和视觉摄像头模块。
作为本发明的进一步优化，所述单片机采集器模块包括北斗/GPS双模定位模块、GY273指南针模块和超声波测距模块。
作为本发明的进一步优化，所述单片机驱动器模块包括舵机驱动模块、螺旋桨驱动模块和SX1278无线通信模块。
作为本发明的进一步优化，所述手持终端模块包括电位器、SX1278无线通讯模块。
作为本发明的进一步优化，所述物联网数据传输模块采用BBF无线网关。
与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：
本发明根据经纬度设定三个回航点A、B、C，船坞位置在C点，B点在A点和C点之间，形成三点一线。巡航船在完成一次任务后，根据事先设定的回航点，根据北斗指示会先行驶到A点，回到A点后，向B点前进，在从A点到B点的过程中，船头方向的视觉摄像头寻找C点的位置，使在C点的船坞此时会被视觉摄像头捕捉到，视觉摄像头会判断船坞与船行进方向的相对位置，使船头始终对准船坞一步步前进，最终行驶进到船坞，调整船向，回到船坞。本发明解决了智能船在室外的超远距离上，在广阔水域中能够自主回航，行驶近船坞的问题，不需在大面积水域中构建地图，避免使用不适合船载的巨大的支持文件和计算能力很强的硬件，大大降低成本，也避开了红外线的红外大概率会失灵，红外传感器在室外创建地图建立的地图不足够的精确的问题。
附图说明
图1为本发明自动回航***的结构示意框图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例:
如图1所示，一种智能巡航船自动回航***，包括机器人控制模块、单片机采集器模块、视觉摄像头模块、单片机驱动器模块、手持终端模块、物联网数据传输模块；所述单片机采集器模块包括采用Ubuntu16.04***搭载ROS Melodic机器人操作***的RaspberryPi 3b+，单片机采集器模块、单片机驱动器模块通过串口连接，视觉摄像头模块、物联网数据传输模块通过USB连接；所述单片机采集器模块包括STM32单片机、北斗定位模块、指南针定向模块、超声波测距模块，STM32单片机、北斗定位模块和指南针定向模块通过串口连接，超声波测距模块和STM32单片机通过IO口连接，所得到的距离参数参与避障控制运算用于船的避障功能实现；所述单片机驱动器模块包括LoRa通信模块、两个直流电机，一个舵机，和电机连接的PWM控制电路。所述LoRa通信模块与单片机通过串口连接。所述桨叶驱动模块与单片机连接。所述直流电机和电机驱动器连接，电机驱动器和单片机的IO口连接。所述视觉摄像头模块通过USB与机器人控制模块连接；所述物联网数据传输模块通过USB与机器人控制模块连接；所述整套***通过物联网数据传输模块将信息上传到远程服务器，供用户在用户终端实时查看。所述手持终端模块包括STM32单片机、命令输入模块、LoRa通信模块，STM32单片机和LoRa通信模块通过串口连接，命令输入模块和STM32单片机通过IO口连接，所得到的控制命令参数通过LoRa通信模块发送到单片机驱动器模块，可直接进行有人驾驶；本实施例的自动回航***，将智能船的驱动***、传感***和控制***进行模块化，将整套复杂的智能船控制***的耦合性大大降低，有利于将来搭载装置功能的开发，也便于整套智能船设备的保养与维护。现阶段的无人船大多都是“无人在船上驾驶的船”，在无人船执行任务的过程中，多数需要操作人员在岸上进行遥控操作，在任务期间一直是有人监管的无人船；先进一点的无人船自主的执行任务，但完成任务，返回船坞或码头的过程却还是要操作员遥控到岸边进行回收，等待下一次执行任务再放到水域中，并没有实现无人船在循环执行任务中完全自主。智能船的自主回航技术的实现，解决了无人船领域，无人船执行任务时需要有人监管、遥控的问题。智能船在湖面上完成一次任务后，会按照设备存储文件中规划的航线自动回到船坞进入低功耗模式,等待下一次执行任务的指令。每次执行任务获得的数据会通过物联网数据传输模块将信息上传到远程服务器，供用户在用户终端实时查看。手持终端模块是在调试、初始设定无人船时使用的设备，无人船在不同的水域，需要先采集这个水域的环境信息。
优选的实施例中，机器人控制模块为Ubuntu***搭载ROS Melodic机器人操作***的Raspberry Pi模块。ROS除了官方提供的功能包之外，ROS还聚合了全世界开发者实现的大量开源功能包。这些开源功能包与ROS一起构成了强大的开源生态环境。ROS的***结构设计也颇有特色，ROS运行时是由多个松耦合的进程组成，每个进程ROS称之为节点(Node)，所有节点可以运行在一个处理器上，也可以分布式运行在多个处理器上。在实际使用时，这种松耦合的结构设计可以让后续开发根据智能船所需功能灵活添加各个功能模块。
优选的实施例中，北斗卫星模块为UM-220模块。船的位置使用经纬度表示，经纬度的获取北斗和GPS双模定位模块UM220-III，这款芯片能够获得两套定位***的经纬度数据，确保智能船不会在执行任务过程中丢失位置信息。且通过这款芯片，可以将智能船的定位的精度确定在3米以内，完全满足智能船在自主回航过程中第一阶段的精度要求。
优选的实施例中，指南针模块为GY-273模块。三轴电子指南针模块具有体积小、精度高，更方便集成与智能船的***当中。能够准确探知智能船的位置、姿态信息，在任务过程中及时调整智能船的航向角，保障智能船不会偏离目标位置方向。
优选的实施例中，视觉摄像头模块为120度100万像素，无畸变USB摄像头。本***中的摄像头采集的所有数据的处理过程都是通过微型计算机来处理，由于微型计算机的算力相对普通计算机较小，因此摄像头采集的图片不能太大，但又要满足能检测目标船坞的能力。采用这款120度无畸变的的摄像头，能保证智能船在回航的第二阶段里，有足够宽阔的的视角，更容易让智能船在视野范围内捕捉到航向前方的船坞。无畸变的视角，便于在分析图像的过程中确定船坞和船的相对位置，这样智能船更能准确的校准回航的路线。
优选的实施例中，物联网数据传输模块为RTU+DTU数据通讯采集器。这是一款具有标识的物联网数据传输模块，每一块设备都有不同的标识号，在上传数据到互联网终端时，需要区分清楚具体是那一条智能船的数据，尤其是当有巨大数量智能船上传数据时，更能体现这个传输模块的优越性；此外这个模块可以和智能船控制模块通过USB接口连接，能够有效降低智能船的耦合性，便于后期的维护。
优选的实施例中，LoRa通信模块为SX1278模块。这款模块具有更远的通讯距离，抗干扰能力强的优势，同时有极强的保密性。通信距离非常的远，在空旷的地方通信的距离能达到3公里。此模块是用在手持终端模块和驱动模块之间的通信。手持终端模块是在调试、初始设定无人船时使用的设备，无人船初不同的水域，需要先采集这个水域的环境信息。考虑到有些水域的面积特别大，须要有足够长距离的通信保障，才能尽可能完整的采集大水域面积的环境信息。
回航方法：根据北斗定位的经纬度信息，设定三个回航点A、B、C,保存于一片水域的模型文件中，B点在A点和C点之间，A、B、C三点处于一条直线上；A、B点的距离设定为20m,B、C点的距离设定为100m；巡航船在完成一次任务后，回航时，会先行驶到A点，回到A点后，向B点前进；在从A点到B点的过程中，船头的方向进行调整到指向C点位置，视觉摄像头的拍摄方向即船头方向，在巡航船到达B点后，使在C点的船坞此时会被视觉摄像头捕捉到，视觉摄像头会判断船坞与船行进方向的相对位置，使船头始终对准船坞一步步前进，最终行驶进到船坞；当船开进船坞有红外感应装置检测，确定巡航船已行驶进入船坞，巡航船进入待机状态，完成回航。本发明解决了智能船在室外的超远距离上，在广阔水域中能够自主回航，行驶近船坞的问题，不需在大面积水域中构建地图，避免使用不适合船载的巨大的支持文件和计算能力很强的硬件，大大降低成本，也避开了红外线的红外大概率会失灵，红外传感器在室外创建地图建立的地图不足够的精确的问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种智能巡航船自动回航方法，其特征在于：包括以下步骤：
根据北斗定位的经纬度信息，设定三个回航点A、B、C,保存于一片水域的模型文件中，B点在A点和C点之间；A、B点的距离设定为30m-15m,B、C点的距离设定为10m-6m；巡航船在完成一次任务后，回航时，会先行驶到A点，回到A点后，向B点前进；在从A点到B点的过程中，船头的方向进行调整寻找C点位置，在巡航船到达B点后，使在C点的船坞此时会被视觉摄像头捕捉到，视觉摄像头会判断船坞与船行进方向的相对位置，使船头始终对准船坞一步步前进，最终行驶进到船坞；当船开进船坞有红外感应装置检测，确定巡航船已行驶进入船坞，巡航船进入待机状态，完成回航。
2.根据权利要求1所述的一种智能巡航船自动回航方法，其特征在于：A、B、C三点处于一条直线上，视觉摄像头的拍摄方向即船头方向。
3.根据权利要求1所述的一种智能巡航船自动回航方法，其特征在于：A、B点的距离设定为20m。
4.一种智能巡航船自动回航***，其特征在于：包括单片机采集器模块、视觉摄像头模块、机器人控制模块、单片机驱动器模块、手持终端模块、物联网数据传输模块；其中，北斗定位模块的输出端连接单片机采集器模块的输入端；
指南针模块的输出端连接所述单片机采集器模块的输入端；
超声波测距模块的输出端连接所述单片机采集器模块的输入端；
所述单片机采集器模块的输出端连接所述机器人控制模块的输入端；
所述视觉摄像头模块的输出端连接所述机器人控制模块的输入端；
所述机器人控制模块的输出端连接所述单片机驱动器模块的输入端；
所述机器人控制模块的输出端连接所述物联网数据传输模块的输入端；
所述手持终端模块的输出端连接所述单片机驱动器模块的输入端；
所述所述单片机驱动器模块的输出端连接所述机器人控制模块的输入端；
所述单片机驱动器模块的输出端连接舵机的输入端；
所述单片机驱动器模块的输出端连接螺旋桨的输入端。
5.根据权利要求4所述的一种智能巡航船自动回航***，其特征在于：机器人操作***采用ROS，单片机采用STM32单片机，包括单片机采集器模块、单片机驱动器模块和视觉摄像头模块。
6.根据权利要求4所述的一种智能巡航船自动回航***，其特征在于：所述单片机采集器模块包括北斗/GPS双模定位模块、GY273指南针模块和超声波测距模块。
7.根据权利要求4所述的一种智能巡航船自动回航***，其特征在于：所述单片机驱动器模块包括舵机驱动模块、螺旋桨驱动模块和SX1278无线通信模块。
8.根据权利要求4所述的一种智能巡航船自动回航***，其特征在于：所述手持终端模块包括电位器、SX1278无线通讯模块。
9.根据权利要求4所述的一种智能巡航船自动回航***，其特征在于：所述物联网数据传输模块采用BBF无线网关。
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