CN112925324B - 一种无人舰艇控制***及自动巡航控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人舰艇控制***，包括远程控制单元，用于发出远程控制信号，所述远程控制单元包括遥控器、网络移动终端，所述遥控器包括预定巡航路线选择开关；信息处理单元，所述信息处理单元与遥控器、网络移动终端信号连通，用于接收所述遥控器、网络移动终端发出的远程控制信号并进行处理并生成执行控制信号；执行单元，用于接收所述信息处理单元发出的执行控制信号或遥控器所发出的远程控制信号，并根据所述接收的控制信号控制舰艇的移动，本发明针对目前无人船艇的自主巡航模式只能在电脑端进行操作，融合遥控器控制与电脑控制模式，利用遥控器操作来实现无人船艇自主巡航。

Description

一种无人舰艇控制***及自动巡航控制方法

技术领域

本发明涉及船艇自动控制通信技术领域，具体是一种无人舰艇控制***及自动巡航控制方法。

背景技术

随着人工智能、物联网、大数据、云计算等新兴技术的不断发展与突破，船舶自动化水平不断提高，无人船艇的实现有了科技支撑，航运业有望从信息化时代走向智能化时代。

目前，无人船艇的操作与控制主要是基于电脑等便携式移动终端和遥控器实现的。两种操作模式对应不同的功能，在近距离通信或者是复杂水域和船靠岸等一系列操控时优先选择遥控器模式，在远距离通信或者是需要让无人船艇自主巡航或者手动巡航时优先选择基于电脑等便携式移动终端的控制方式。两种模式相辅相成，互不干扰。传统的遥控器操作方式操作简便、无门槛，即使是文化水平低的用户也能轻易上手，但是只能实现无人船艇速度与航向的调节，并不能控制无人船艇按照设定航线自主巡航；而基于电脑等便携式移动终端的控制方式不仅可以实现远程巡航，还能实现自主巡航，但是门槛较高，而且现有的技术往往仅能应用于单一平台，同一个无人船艇智能控制***安装到其它平台上需要进行大量的移植重建工作，所花费的时间、精力不亚于在新平台上开发一套新的控制***。因此，如何实现跨平台的操作与控制是实现无人船艇智能化，也是实现航运智能化的重难点。

发明内容

本发明的目的是提供一种无人船艇跨平台操作与控制方法，可以实现无人船艇的遥控操作和基于电脑等便携式移动终端的控制方式，同时，遥控操作方式不仅可以满足基本的航向以及动力速度调节功能，还能够按照预先训练的多种路径进行自主巡航，遥控器模式下的自主巡航操作简单、无门槛，适用于文化程度不高的用户。基于电脑等便携式移动终端的控制方式提供电脑控制和主控板控制模式，能够同时实现远程巡航和路径规划、自动巡航功能，基于电脑等便携式移动终端的控制方式所采用的无人船艇智能控制***(简称“RUB”)不依赖于操作***，也不依赖硬件环境，不需要重新开发就能安装在Windows、Linux、Android等平台上使用，解决了上述背景技术所提出的平台不兼容问题，能够实现无人船艇的跨平台操作与控制。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种无人舰艇控制***，包括：

远程控制单元，用于发出远程控制信号，所述远程控制单元包括遥控器、网络移动终端，所述遥控器包括预定巡航路线选择开关；

信息处理单元，所述信息处理单元与遥控器、网络移动终端信号连通，用于接收所述遥控器、网络移动终端发出的远程控制信号并进行处理并生成执行控制信号；

执行单元，用于接收所述信息处理单元发出的执行控制信号或遥控器所发出的远程控制信号，并根据所述接收的控制信号控制舰艇的移动。

作为本发明进一步的方案：所述遥控器包括遥控器发射器和遥控器接收器，所述遥控器接收器安装在无人舰艇上，所述遥控器接收器与所述信息处理单元、执行单元信息连通。

作为本发明进一步的方案：所述遥控器发射器包括发射器主体以及设置于所述发射器主体上的摇杆、显示屏、操作模式切换开关、至少一个巡航路径按键、发射模块。

作为本发明进一步的方案：所述信息处理单元包括安装在无人舰艇上的工业控制计算机以及与所述工业控制计算机连通的电脑控制板，所述电脑控制板与所述执行单元连通。

作为本发明进一步的方案：所述工业控制计算机通过信号采集卡与所述遥控器连通。

作为本发明进一步的方案：所述网络移动终端包括移动电脑、手机、平板，所述网络移动终端与所述工业控制计算机、电脑控制板均连通。

作为本发明进一步的方案：所述执行单元包括电机控制板以及与所述电机控制板连通的电机，所述电机控制板与所述遥控器连通。

作为本发明进一步的方案：所述网络移动终端的控制等级高于所述遥控器的控制等级。

一种无人舰艇自动巡航控制方法，包括以下步骤：

步骤1、通过网络移动终端设置至少一条自动巡航路线并保存自动巡航路线到工业控制计算机；

步骤2、对保存的自动巡航路径进编号并将编号与遥控器上巡航路径按键编号对应；

步骤3、通过网络移动终端或遥控器选择巡航路径编号并将选择控制信号传输到信息处理单元；

步骤4、执行单元根据信息处理单元传输的控制信息选择自动巡航路线并控制舰艇进行自动巡航。

作为本发明进一步的方案：所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1、确定目标巡航路线，并在巡航路线上确认多个位置点；

步骤1.2、通过在地图中标注步骤1中的位置点或依次输入位置点的坐标；

步骤1.3、标注或输入完成后，根据所有位置点的位置拟合成自动巡航路线；

步骤1.4、将拟合的自动巡航路线保持到工业控制计算机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明针对目前无人船艇的自主巡航模式只能在电脑端进行操作，融合遥控器控制与电脑控制模式，利用遥控器操作来实现无人船艇自主巡航，遥控器自主巡航操作简便、无门槛、使得文化程度不高的用户也能在不懂电脑操作的情形下实现无人船艇的自主巡航。

2、本发明所提出的基于电脑、手机等智能移动终端的控制方式具有互锁功能，当有一个智能终端获得控制权限之后其他智能终端只能等待其释放控制权限之后才能取得无人船艇控制权限，这样能够避免误操作，大大提高了无人船艇操作的安全性。

3、本发明所述的无人船艇智能控制***不依赖于操作***，也不依赖硬件环境，能够轻易安装、移植到Windows、Linux、Android等主流操作***上使用，解决了平台不兼容问题，能够实现无人船艇的跨平台操作与控制。

附图说明

图1为本实施例无人船艇控制原理图；

图2、图3为本实施例遥控器发射器结构示意图；

图4为本实施例遥控器接收器主板示意图；

图5为本实施例电脑控制板示意图；

图6、图7为无人船艇智能控制***手动、自动巡航界面示意图；

图8为无人船艇跨平台操作与控制软件架构图。

图中：1-发射器、11-摇杆、12-显示屏、13-操作模式切换开关、14-巡航路径1、15-巡航路径2、16-巡航路径3、17-紧急停止按键、18-发射模块、2-接收器、21-无线接收模块、22-继电器控制板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种无人舰艇控制***，包括：

远程控制单元，用于发出远程控制信号，远程控制单元包括遥控器、网络移动终端，遥控器包括预定巡航路线选择开关，遥控器包括遥控器发射器和遥控器接收器，遥控器接收器安装在无人舰艇上，遥控器接收器与信息处理单元、执行单元信息连通，遥控器发射器1包括发射器主体以及设置于发射器主体上的摇杆11、显示屏12、操作模式切换开关13、至少一个巡航路径按键、发射模块18，网络移动终端包括移动电脑、手机、平板，网络移动终端与工业控制计算机、电脑控制板均连通；

信息处理单元，信息处理单元与遥控器、网络移动终端信号连通，用于接收遥控器、网络移动终端发出的远程控制信号并进行处理并生成执行控制信号，信息处理单元包括安装在无人舰艇上的工业控制计算机以及与工业控制计算机连通的电脑控制板，电脑控制板与执行单元连通，工业控制计算机通过信号采集卡与遥控器连通，在没有工业控制计算机的无人船艇控制***中，所述电脑控制板也可以通过信号采集卡与所述遥控器通讯；

执行单元，用于接收信息处理单元发出的执行控制信号或遥控器所发出的远程控制信号，并根据接收的控制信号控制舰艇的移动，执行单元包括电机控制板以及与电机控制板连通的电机，电机控制板与遥控器连通。

一种无人舰艇自动巡航控制方法，包括以下步骤：

步骤1、通过网络移动终端设置至少一条自动巡航路线并保存自动巡航路线到工业控制计算机；

步骤1.1、确定目标巡航路线，并在巡航路线上确认多个位置点；

步骤1.2、通过在地图中标注步骤1中的位置点或依次输入位置点的坐标；

步骤1.3、标注或输入完成后，根据所有位置点的位置拟合成自动巡航路线；

步骤1.4、将拟合的自动巡航路线保持到工业控制计算机

步骤2、对保存的自动巡航路径进编号并将编号与遥控器上巡航路径按键编号对应；

步骤3、通过网络移动终端或遥控器选择巡航路径编号并将选择控制信号传输到信息处理单元；

步骤4、执行单元根据信息处理单元传输的控制信息选择自动巡航路线并控制舰艇进行自动巡航，网络移动终端的控制等级高于遥控器的控制等级。

实施例1

请参阅图1-7，遥控器发射器1由摇杆11、显示屏12、操作模式切换开关13、紧急停止按钮17、发射模块18以及多个巡航路径按键(14-16)组成。采用双摇杆控制无人船艇的航向与动力大小；显示屏可以显示船速、位置以及无人船艇所处的操作模式；操作模式切换开关用以选择是遥控操作还是基于电脑等便携式终端的控制方式；遥控器发射器面板上有多个巡航路径按键，无人船艇在遥控模式下可以通过这些按键来实现预定路径自主巡航；紧急停止按键在突发情况下可以迫使无人船艇急停，防止产生意外事故；同时，遥控器发射器面板上还预留了多个按键，用户可以按照需求训练路径并保存至工控机，实现自主路径规划。遥控器接收器2上有无线接收模块21和继电器控制板，当遥控器发射器对应按键按下，接收器收到信号后对应的继电器22闭合，输出信号给信号采集卡。

无人船艇的手动巡航是利用遥控器摇杆或者如图6所示的无人船艇智能控制***(RUB)界面来实现的，遥控模式下无人船艇的航向与速度大小与摇杆的推到角度成正比，RUB控制下通过鼠标点击动力和方向按钮进行调节，按钮按的时间长短决定无人船艇行驶时间长短，鼠标松开后船停止，这样可以防止通讯不稳定时发生意外事故。

无人船艇的自主巡航控制方式有两种，也是通过遥控器和安装有RUB的便携式移动终端实现的，无人船艇智能控制***(RUB)的软件架构采用分层架构思想；如图8所示，层与层之间通过接口通信。类似于OSI7层物理模型，设备接口层相当于硬件层，展现层相当于应用层，服务层相当于服务器，采用集群形式，可以多台主机共同服务于展现层；展现层不能直接控制设备接口层，必须调用服务层提供的服务，底端协议层为服务层提供协议，这样一级一级，下层为上层提供服务，展现层只需要关心应用程序的逻辑细节，而不是数据在网络中的传输活动。展现层其下三层则处理真正的通信细节。无人船艇智能控制***(RUB)通过共用底端协议(mqtt,tcp)实现不同操作***架构的融合，实现web、APP、客户端等方式的多终端同步控制。

1.无人船艇遥控器操作模式下的自主巡航不再需要任何便携式设备和手机进行复杂的操作，同时也避免巡航路径的不确定性，让文化程度较低的用户也能操作；其控制方式步骤如下：

(1)用户根据实际应用需求在RUB自主巡航模式下训练得到最优巡航路径，并将最优路径保存为txt文件，如果有多个任务场景就训练多条路径，并将对应路径信息保存为文件，如巡航路径1、2、3等。

(2)遥控器发射器的操作模式切换开关拨至遥控端，根据巡航任务选择对应巡航路径，按下遥控器发射器面板上路径对应的按键。按键1对应巡航路径1，按键2对应巡航路径2，以此类推。

(3)当按键1按下时，遥控器接收器接收到信号后，继电器控制板上对应的继电器1闭合，闭合信号传输至船载工控机的信号采集卡，信号采集卡通过232串口与船载工控机或者直接与船载电脑控制板连接，信号采集卡的指令发送至工控机或者电脑控制板。

(4)工控机上的无人船艇智能控制***接收到指令后，调用巡航路径1，进一步控制无人船艇按照事先训练好的路径1进行自主巡航。同理，按键2、按键3巡航按键按下时，无人船艇按照巡航路径2，巡航路径3行驶。

如图7所示，无人船艇基于RUB的便携式移动终端模式下的自主巡航有电脑控制和主控板控制方式两种，电脑控制方式是指安装有RUB的便携式移动终端将巡航路径发送给船载工控机，工控机接收到信息后通过串口1发送控制指令给电脑控制板，进而控制无人船艇按照RUB设定路径自主巡航；控制板方式是指电脑控制板不经过船载工控机而直接与装有RUB的便携式移动终端建立连接通讯。电脑控制方式通讯稳定，因此优先选择此方式。其控制方式步骤如下：

(1)便携式电脑控制端的RUB软件界面有电脑控制和主板控制选择，选择电脑控制。

(2)自主巡航时，如图7所示，首先确定航行路线，再将航行路线拆分为几个中间点(图7中1，2,3,4,5)，用鼠标在RUB地图上依次点击这些点，也可输入经度纬度具体值确定这些点，点击这些点后，依次点击添加巡航按钮，将巡航点添加到巡航列表中，再点击巡航即可实现自主巡航。

(3)自主巡航中需要改变、删除或者添加巡航点需要先点击“清空巡航”按钮，此时船会停下，这时候再进行巡航路径的设置。

所述控制方法还可以在手机上操作，具体操作方法与基于电脑的RUB操作方式相同，在装有手机APP上实现自动巡航时，首先在地图上选择巡航路径点，拟合算法得出一条最优巡航路径，点击巡航，即可开始自主巡航。

手机和电脑的控制权限具有互锁的功能，当无人船艇处于基于电脑的RUB控制下，手机无法控制无人船艇；相反，当无人船艇处于手机APP控制下，电脑RUB要想获取控制权限，只能等待手机控制端释放权限，这样的设定可以提高安全性，减少人为误操作时意外事故的发生。

遥控器自主巡航前先用RUB自主巡航模式下训练最优巡航路径，并保存路径为txt文件，可以保存多个路径和文件，如巡航路径1、2、3等。遥控器自主巡航的路径训练方法如下：

首先根据作业场景任务要求规划大致路径，在电脑RUB或者手机APP自主巡航地图上选择巡航路径点，并点击巡航按钮，服务器将巡航命令下发给船载工控机。其中服务器与工控机之间的巡航命令格式为：

CRUISEx:(*DEV,dstID,srcID,CRUISEx；n；LAT1；LNG1；LAT2；LNG2；LAT3；LNG3...,CHK#)

其中，n：巡航点个数；x：巡航路径规划序号；LAT1；LNG1；第一个巡航点的经纬度；LAT2；LNG2；第二个巡航点的经纬度；……

CRUISEx中x＝1,2,3，分别代表巡航路径规划序号。CRUISE1：第一个巡航序号，巡航路径规划序号一；CRUISE2：第二个巡航序号，巡航路径规划序号二；CRUISE3：第三个巡航序号，巡航路径规划序号三。

CRUISE1、CRUISE2、CRUISE3三个巡航命令对应遥控器的三个开关量即三个巡航按键。船载工控机收到CRUISE1、CRUISE2、CRUISE3巡航命令后，保存或者更新巡航点，工控机解析巡航命令后发送控制指令给船载电脑控制主板进一步控制无人船艇按照规划路径行驶

遥控器模式下无人船艇的操作与控制包括遥控器和信号采集卡、工控机、电脑控制板、电机控制板和电机，所述信号采集卡可以将高电平触发开关量输入信号转换为RS232/RS485输出，所述信号采集卡与船载工控机的通信协议采用自定义通信协议，其协议格式为：9600-N-8-1,串口波特率为9600，校验位None，数据位8位，停止位1位，采用十六进制表示。通信命令总共包含6个字节，其中00为信号采集卡默认地址。船载工控机接收到命令：AA 5A 00 FC 0F FF时，不进行控制；接收到AA 5A 00 FC xF FF，x＝8、4、2，分别表示巡航按钮1、2、3按下；AA 5A 00 FC 1F FF命令表示紧急停止按钮按下；船载工控机通过发送命令：AA 5A 00 FC 00 FF查询开关量状态。

信号采集卡可以主动上报开关量状态，即信号采集卡检测到开关量变化后自动上传给船载工控机，无论是检测到开关量高电平变到低电平，还是低电平跳变到高电平，只要有变化就上传，开关量不变化就不上传。例如当遥控器发射器面板上没有按键按下时，开关量没有变化，信号采集卡不上传命令；当遥控器发射器面板上紧急停止按钮拨至上方时，信号采集卡主动发送命令：AA 5A 00 FC 1F FF，工控机根据协议解析命令，解析出紧急按钮按下，进而发送指令给电脑驱动板，控制无人船艇停止；当将紧急按钮拨至原位时，信号采集卡主动发送命令：AA 5A 00 FC 0F FF，工控机根据协议解析出紧急按钮拨至悬空，工控机不给电脑驱动板下发指令，无人船艇维持原来状态。

船载工控机也可以主动查询开关量状态，即给信号采集卡发送查询命令：AA 5A00 FC 00 FF,主动查询开关量的状态,当没有开关量闭合，即遥控器发射器面板上的巡航按键没有拨动时，遥控器接收器对应的继电器断开的情况下，信号采集卡向船载工控机返回：AA5A 00 FC 0F FF,此时船载工控机不调用巡航路径。当向X轴方向拨动遥控器发射器面板上的巡航按键1时，遥控器接收器对应继电器1闭合，高电平触发开关量输入到信号采集卡，信号采集卡向船载工控机发送命令：AA 5A 00 FC 8F FF,船载工控机根据通信协议解析接收到的命令后调用巡航路径1，通过串口通信发出指令给电脑驱动板，进一步控制无人船艇按照事先训练好的路径1进行自主巡航。同理，如果工控机接收到命令：AA 5A 00 FC4F FF和AA 5A 00 FC 2F FF时,表示巡航按键2和3按下，进而调用路径2和3进行巡航。当将遥控器发射器面板上的巡航按键1、2、3拨至原位时，信号采集卡主动发送命令：AA 5A 00FC 0F FF给船载工控机，但是工控机并不下发指令给电脑控制板，无人船艇仍然按照之前的路径巡航，想要让无人船艇停下或者换巡航路线必须拨动相应的按钮。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种无人舰艇控制***，其特征在于，包括：

远程控制单元，用于发出远程控制信号，所述远程控制单元包括遥控器、网络移动终端，所述遥控器包括预定巡航路线选择开关；

信息处理单元，所述信息处理单元与遥控器、网络移动终端信号连通，用于接收所述遥控器、网络移动终端发出的远程控制信号并进行处理并生成执行控制信号，所述信息处理单元包括安装在无人舰艇上的用于存储预设巡航路径的工业控制计算机以及与所述工业控制计算机连通的电脑控制板；

执行单元，所述执行单元包括电机控制板以及与所述电机控制板连通的电机，所述电机控制板与所述远程控制单元、信息处理单元连通，用于接收所述信息处理单元发出的执行控制信号或远程控制单元所发出的远程控制信号，并根据所述接收的控制信号控制舰艇的移动；

所述遥控器包括遥控器发射器(1)和遥控器接收器，所述遥控器接收器安装在无人舰艇上，所述遥控器接收器与所述信息处理单元、执行单元信息连通，所述遥控器发射器(1)包括发射器主体以及设置于所述发射器主体上的摇杆(11)、显示屏(12)、操作模式切换开关(13)、至少一个巡航路径按键、发射模块(18)；

无人舰艇的自主巡航的控制通过遥控器和安装有无人船艇智能控制***的便携式移动终端实现；基于便携式移动终端的控制方式具有互锁功能，当有一个智能终端获得控制权限之后其他智能终端只能等待其释放控制权限之后才能取得无人船艇控制权限；

采用无人舰艇自动巡航控制方法，包括以下步骤：

步骤1、通过网络移动终端设置至少一条自动巡航路线并保存自动巡航路线到工业控制计算机；

步骤2、对保存的自动巡航路径进编号并将编号与遥控器上巡航路径按键编号对应；

步骤3、通过网络移动终端或遥控器选择巡航路径编号并将选择控制信号传输到信息处理单元；

步骤4、执行单元根据信息处理单元传输的控制信息选择自动巡航路线并控制舰艇进行自动巡航；

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1、确定目标巡航路线，并在巡航路线上确认多个位置点；

步骤1.2、通过在地图中标注步骤1中的位置点或依次输入位置点的坐标；

步骤1.3、标注或输入完成后，根据所有位置点的位置拟合成自动巡航路线；

步骤1.4、将拟合的自动巡航路线保持到工业控制计算机。

2.根据权利要求1所述的一种无人舰艇控制***，其特征在于,所述工业控制计算机通过信号采集卡与所述遥控器连通。

3.根据权利要求1所述的一种无人舰艇控制***，其特征在于，所述网络移动终端包括移动电脑、手机、平板，所述网络移动终端与所述工业控制计算机、电脑控制板均连通。

4.根据权利要求1所述的一种无人舰艇控制***，其特征在于，所述执行单元包括电机控制板以及与所述电机控制板连通的电机，所述电机控制板与所述遥控器连通。

5.根据权利要求1所述的一种无人舰艇控制***，其特征在于，所述网络移动终端的控制等级高于所述遥控器的控制等级。

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