CN114355914B - 用于无人船的自主巡航***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于无人船的自主巡航***及控制方法，***包括能够相互通讯的船载巡航控制子***和地面监控站子***；所述船载巡航控制子***安装在无人船上，所述船载巡航控制子***用于接受工作指令，获取水域地图和巡航路线，控制无人船进行自主巡航作业；所述地面监控站子***设置于陆地，用于显示水域地图、设定巡航路线、向无人船发送工作指令以及监控无人船工作状态。方法包括：在***初始化后，通过船载巡航控制子***控制***电路进行各项数据采集并传输至地面监控站子***，完成对无人船初始状态的标定和目标巡航路线设定，通过地面监控站子***向船载巡航控制子***下达自主巡航启动指令；操控无人船进行水面自主巡航作业。
Description
技术领域
本发明涉及无人船巡航与控制技术领域，特别涉及一种用于无人船的自主巡航***及控制方法。
背景技术
无人船是一种可以无需遥控，借助精确卫星定位和自身传感即可按照预设任务在水面航行的全自动水面机器人。作为无人船自主作业的关键技术，自主巡航***需要能有效支持船体进行自主避碰、自主规划路线和自主作业。但现有无人船的智能化程度较低，欠缺路径规划和智能避碰等功能，降低了自主作业效果。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于无人船的自主巡航***，包括能够相互通讯的船载巡航控制子***和地面监控站子***；
所述船载巡航控制子***安装在无人船上，所述船载巡航控制子***用于接受工作指令，获取水域地图和巡航路线，控制无人船进行自主巡航作业；
所述地面监控站子***设置于陆地，用于显示水域地图、设定巡航路线、向无人船发送工作指令以及监控无人船工作状态。
可选的，所述船载巡航控制子***包括主控制器、数据存储模块、航向角测量模块和动力模块；
所述主控制器用于对接收到的测量和/或地面监控站子***传输的数据信息进行处理，将数据信息转化为对动力模块的指令，从而控制无人船的行驶速度和方向；
所述航向角测量模块与主控制器通信连接，航向角测量模块用于测量无人船当前的航行角度并传输给主控制器，由主控制器将偏转角度和需要转动的调整角度进行对比，进而校正出正确的航行角度，配合无人船的自主航行；
所述数据存储模块与主控制器通信连接，数据存储模块用于保存历史巡航路线、水域地图和巡航作业数据；
所述动力模块包括电机驱动器和无刷电机，电机驱动器分别与主控制器和无刷电机通信连接，电机驱动器用于调节无刷电机的转速和转向，无刷电机用于推进无人船在水面的运动。
可选的，所述主控制器连接有定位模块和无线模块；
所述定位模块与无线模块通信连接，定位模块用于确定无人船的当前所在位置的定位信息并通过无线模块上传至地面监控站子***，以便在地面监控站子***显示出无人船在水域地图中的位置，配合无人船的自主航行；
所述无线模块用于船载巡航控制子***与地面监控站子***之间的无线通信网络连接以及数据交互。
可选的，所述主控制器连接有图像采集模块和测距模块；
所述图像采集模块与无线模块通信连接，图像采集模块用于采集水域环境的图像信息，并通过无线模块上传至地面监控站子***，所述主控制器采用图像识别算法对障碍物轮廓进行识别；
所述测距模块用于检测无人船与周边障碍物的距离，保证无人船在水域的正常通行。
可选的，所述主控制器内置三维空间模型，所述三维空间模型以无人船上的预定点为坐标原点；
将无人船轮廓数据导入三维空间模型，根据无人船定位和巡航路线确定航行方向并在三维空间模型中进行标示；
将检测到的无人船周边障碍物轮廓及障碍物的距离导入三维空间模型，判断障碍物是否处于标示的航行方向；
根据航行方向，通过坐标系转换方式将三维空间模型和处于标示的航行方向上的障碍物简化为水平面的二维坐标系进行分析；
采用包围盒算法生成障碍物轮廓线函数，结合设定的安全距离分别求解从巡航路线左侧和右侧避开障碍物的最小偏转角度，选择左侧和右侧的最小偏转角度中较小者作为避障偏转角度；
所述主控制器控制动力模块将无人船的航行方向调整一个避障偏转角度，在绕过障碍物后，将航行方向回调一个避障偏转角度以回到巡航路线。
本发明还提供了一种用于无人船的自主巡航控制方法，采用上述用于无人船的自主巡航控***，包括以下步骤：
S100***初始化，开启地面监控站子***和船载巡航控制子***，并通过无线模块建立无人船上船载巡航控制子***与地面监控站子***之间的无线通信连接；
S200通过船载巡航控制子***控制***电路进行各项数据采集并传输至地面监控站子***，完成对无人船初始状态的标定；
S300通过地面监控站子***开启水域地图，设定目标巡航路线，并在巡航路线上确认多个位置点；
S400等待无人船就绪后，通过地面监控站子***与无线网络通信子***向船载巡航控制子***下达自主巡航启动指令；
S500通过船载巡航控制子***操控无人船进行水面自主巡航作业，并在地面监控站子***操作界面实时监测无人船的工作状态。
可选的，在S200步骤中，船载巡航控制子***与地面监控站子***之间的无线通信包括：
S210主控制器通过定位模块获取无人船当前位置的卫星定位数据，通过航向角测量模块获取无人船当前的航行角度数据，通过测距模块采集无人船与周边障碍物之间的距离数据；
S220船载巡航控制子***通过无线模块将无人船当前位置的卫星定位数据、航行角度数据和与周边障碍物之间的距离数据上传到地面监控站子***。
可选的，S300步骤包括：
S310在地面监控站子***显示界面中打开水域地图，根据无人船回传的卫星定位数据，在水域地图上标记无人船的初始位置点；
S320确定巡航终点，根据无人船的初始位置点确定目标巡航路线，并在巡航路线上确认多个位置点；
S330在水域地图中依次输入所有位置点的坐标，完成对位置点的标注，并根据所有点的位置拟合成为可供用户查看的目标巡航路线图。
可选的，S500步骤包括：
S510地面监控站子***根据船载巡航控制子***回传的卫星定位数据、行进方向、周边障碍物信息及规划的巡航路径，计算出无人船的运动参数；
S520主控制器根据无人船的运动参数处理转换为运动指令信号，并根据相应的运动指令信号驱动无刷电机，调整无人船的位姿。
可选的，在S500步骤中，采用以下方式对无人船进行领航分析和调整：
建立坐标系，导入巡航路线，确定巡航路线函数；
根据无人船的实时定位，若无人船发生偏离巡航路线时，在记录的巡航路线的多个位置点中，确定无人船航行方向前端与后端距离最近的巡航路线上的两个位置点；
针对两个位置点区间的巡航路线路段，采用插值法计算无人船偏离距离，偏离距离为巡航路线上距离无人船的与无人船的距离；
根据最近点、无人船的实时定位和无人船航行方向前端最近的巡航路线位置点形成的三角关系调整无人船航行角度，使得无人船朝向前端最近的巡航路线位置点行使；
当无人船到达前端最近的巡航路线位置点时，将该位置点的巡航路线函数的导数值来重新调整无人船航行的坐标方向。
本发明的用于无人船的自主巡航***及控制方法，通过地面监控站子***和船载巡航控制子***之间的无线通信，让船载巡航控制子***通过地面监控站子***获取水域地图和巡航路线，控制无人船进行自主巡航作业；工作人员可以通过在岸上设置的上位机运行地面监控站子***，实现对无人船巡航作业的远程操控；其中，地面监控站子***可以同时连接并控制多个装载有船载巡航控制子***的无人船；对于不同水域，装载有船载巡航控制子***的无人船可以从对应水域设置的地面监控站子***获取水域地图和巡航路线。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中一种用于无人船的自主巡航***示意图；
图2为本发明的用于无人船的自主巡航***实施例中的船载巡航控制子***示意图；
图3为本发明实施例中一种用于无人船的自主巡航控制方法流程图；
图4为本发明的用于无人船的自主巡航控制方法实施例中的无人船初始状态标定方式流程图；
图5为本发明的用于无人船的自主巡航控制方法实施例中的无人船目标巡航路线标定方式流程图；
图6为本发明的用于无人船的自主巡航控制方法实施例中的地面监控站子***操控无人船的方式流程图；
图7为本发明的用于无人船的自主巡航***应用实施例示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种用于无人船的自主巡航***，包括能够相互通讯的船载巡航控制子***10和地面监控站子***20；
所述船载巡航控制子***10安装在无人船上，所述船载巡航控制子***10用于接受工作指令，获取水域地图和巡航路线，控制无人船进行自主巡航作业；
所述地面监控站子***20设置于陆地，用于显示水域地图、设定巡航路线、向无人船发送工作指令以及监控无人船工作状态。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过地面监控站子***和船载巡航控制子***之间的无线通信，让船载巡航控制子***通过地面监控站子***获取水域地图和巡航路线，控制无人船进行自主巡航作业；地面监控站子***中的水域地图可以从外部导入，巡航路线在导入水域地图后确定；工作人员可以通过在岸上设置的上位机运行地面监控站子***，实现对无人船巡航作业的远程操控；其中，地面监控站子***可以同时连接并控制多个装载有船载巡航控制子***的无人船；对于不同水域，装载有船载巡航控制子***的无人船可以从对应水域设置的地面监控站子***获取水域地图和巡航路线。
在一个实施例中，如图2所示，所述船载巡航控制子***10包括主控制器101、数据存储模块102、航向角测量模块103和动力模块104；
所述主控制器101用于对接收到的测量和/或地面监控站子***传输的数据信息进行处理，将数据信息转化为对动力模块104的指令，从而控制无人船的行驶速度和方向；
所述航向角测量模块103与主控制器101通信连接，航向角测量模块103用于测量无人船当前的航行角度并传输给主控制器101，由主控制器101将偏转角度和需要转动的调整角度进行对比，进而校正出正确的航行角度，配合无人船的自主航行；
所述数据存储模块102与主控制器101通信连接，数据存储模块102用于保存历史巡航路线、水域地图和巡航作业数据；
所述动力模块104包括电机驱动器和无刷电机，电机驱动器分别与主控制器和无刷电机通信连接，电机驱动器用于调节无刷电机的转速和转向，无刷电机用于推进无人船在水面的运动。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中主控制器用于接收各模块回传的数据信息并进行处理，将参数信息转化为对动力模块的指令，从而控制船体的行驶速度和方向；数据存储模块与主控制器通信连接，用于记录历史巡航路线、水域图像信息和其他数据文件；航向角测量模块与主控制器通信连接，用于将船体当前的航行角度传输给主控制器，将已经偏转的角度和所需要转动的角度进行对比，进而校正出来正确的航行角度，配合无人船的自主航行；动力模块包括电机驱动器和无刷电机，电机驱动器与主控制器通信连接，用于调节无刷电机的转速和转向，无刷电机与电机驱动器通信连接，用于推进船体在水面的运动；通过主控制器的协调控制，根据需要以航向角测量模块和动力模块调整航行角度，实现无人巡航作业。
在一个实施例中，如图2所示，所述主控制器101连接有定位模块107和无线模块108；
所述定位模块107与无线模块108通信连接，定位模块107用于确定无人船的当前所在位置的定位信息并通过无线模块108上传至地面监控站子系20统，以便在地面监控站子***20显示出无人船在水域地图中的位置，配合无人船的自主航行；
所述无线模块108用于船载巡航控制子***10与地面监控站子***20之间的无线通信网络连接以及数据交互。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中的定位模块与无线模块通信连接，用于将船体当前所在位置的定位信息上传至地面监控站子***，进而在上位机显示出船体在水域地图中的位置，配合无人船的自主航行；无线模块分别与主控制器、图像采集模块和定位模块通信连接，用于搭建船载巡航控制子***与地面监控站子***之间的无线通信网络链路，回传定位数据和水域图像数据信息；可以实现对无人船的巡航作业进行远程监控。
在一个实施例中，如图2所示，所述主控制器101连接有图像采集模块105和测距模块106；
所述图像采集模块105与无线模块108通信连接，图像采集模块105用于采集水域环境的图像信息，并通过无线模块108上传至地面监控站子***20，所述主控制器101采用图像识别算法对障碍物轮廓进行识别；
所述测距模块106用于检测无人船与周边障碍物的距离，保证无人船在水域的正常通行。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中的图像采集模块与无线模块通信连接，用于采集水域环境的图像信息并上传至地面监控站子***，并结合图像识别算法对障碍物轮廓进行识别；测距模块与主控制器通信连接，用于检测船体与周边障碍物的距离，保证船体在水面上的正常通行；可以在巡航作业时让无人船自动检测并绕开障碍物，避免发生碰撞造成无人船损毁。
在一个实施例中，所述主控制器101内置三维空间模型，所述三维空间模型以无人船上的预定点为坐标原点；
将无人船轮廓数据导入三维空间模型，根据无人船定位和巡航路线确定航行方向并在三维空间模型中进行标示；
将检测到的无人船周边障碍物轮廓及障碍物的距离导入三维空间模型，判断障碍物是否处于标示的航行方向；
根据航行方向，通过坐标系转换方式将三维空间模型和处于标示的航行方向上的障碍物简化为水平面的二维坐标系进行分析；
采用包围盒算法生成障碍物轮廓线函数，结合设定的安全距离分别求解从巡航路线左侧和右侧避开障碍物的最小偏转角度，选择左侧和右侧的最小偏转角度中较小者作为避障偏转角度；
所述主控制器控制动力模块将无人船的航行方向调整一个避障偏转角度，在绕过障碍物后，将航行方向回调一个避障偏转角度以回到巡航路线。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过建立三维空间模型，通过导入无人船轮廓数据、周边障碍物轮廓及障碍物的距离，在三维空间模型中确定航行方向并进行障碍物分析，判断障碍物是否影响无人船航行，若障碍物处于巡航路线的航行方向前方将会影响无人船航行，则对该障碍物进行避障分析；采用坐标转换，将三维空间模型的三维坐标转换为水平面上的二维平面坐标系，以简化避障分析过程，降低分析难度；以包围盒算法生成障碍物轮廓线函数，结合设定的安全距离分别求解从左侧和右侧避开障碍物的最小偏转角度，选择左侧和右侧的最小偏转角度中较小者作为避障偏转角度，控制动力模块对无人船的航行方向进行调整，绕过障碍物后再反相调整以回到巡航路线上；本方案可以实现精确的最小角度避障，防止避障时存在过于增加航行距离或者时间，实现最小能耗避障。
如图3所示，本发明实施例提供了一种用于无人船的自主巡航控制方法，采用上述用于无人船的自主巡航控***，包括以下步骤：
S100***初始化，开启地面监控站子***和船载巡航控制子***，并通过无线模块建立无人船上船载巡航控制子***与地面监控站子***之间的无线通信连接；
S200通过船载巡航控制子***控制***电路进行各项数据采集并传输至地面监控站子***，完成对无人船初始状态的标定；
S300通过地面监控站子***开启水域地图，设定目标巡航路线，并在巡航路线上确认多个位置点；
S400等待无人船就绪后，通过地面监控站子***与无线网络通信子***向船载巡航控制子***下达自主巡航启动指令；
S500通过船载巡航控制子***操控无人船进行水面自主巡航作业，并在地面监控站子***操作界面实时监测无人船的工作状态。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用前述用于无人船的自主巡航***，通过地面监控站子***和船载巡航控制子***之间的无线通信，让船载巡航控制子***通过地面监控站子***获取水域地图和巡航路线，控制无人船进行自主巡航作业；工作人员可以通过在岸上设置的上位机运行地面监控站子***，实现对无人船巡航作业的远程程控。
在一个实施例中，如图4所示，在S200步骤中，船载巡航控制子***与地面监控站子***之间的无线通信包括：
S210主控制器通过定位模块获取无人船当前位置的卫星定位数据，通过航向角测量模块获取无人船当前的航行角度数据，通过测距模块采集无人船与周边障碍物之间的距离数据；
S220船载巡航控制子***通过无线模块将无人船当前位置的卫星定位数据、航行角度数据和与周边障碍物之间的距离数据上传到地面监控站子***。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过卫星定位确定无人船在水域中的具***置，通过航向角测量模块获取无人船当前的航行角度数据，通过测距模块采集无人船与周边障碍物之间的距离数据，保证船体在水面上的正常通行；可以在巡航作业时让无人船自动检测并绕开障碍物，避免发生碰撞造成无人船损毁；数据上传到地面监控站子***，可以实现远程监控。
在一个实施例中，如图5所示，S300步骤包括：
S310在地面监控站子***显示界面中打开水域地图，根据无人船回传的卫星定位数据，在水域地图上标记无人船的初始位置点；
S320确定巡航终点，根据无人船的初始位置点确定目标巡航路线，并在巡航路线上确认多个位置点；
S330在水域地图中依次输入所有位置点的坐标，完成对位置点的标注，并根据所有点的位置拟合成为可供用户查看的目标巡航路线图。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案在确定无人船巡航作业的水域地图后，可以通过标记无人船的初始位置点，根据需要确定巡航终点，然后以初始位置点确定目标巡航路线，在巡航路线上还确认并标记多个位置点，在图上进行标注及线形拟合成为可供用户查看的目标巡航路线图，为无人船巡航作业奠定基础条件，同一水域地图中的同一巡航路线只需要第一次进行确定，后续无需重复操作就可以持续使用，以减少数据工作量。
在一个实施例中，如图6所示，S500步骤包括：
S510地面监控站子***根据船载巡航控制子***回传的卫星定位数据、行进方向、周边障碍物信息及规划的巡航路径，计算出无人船的运动参数；
S520主控制器根据无人船的运动参数处理转换为运动指令信号，并根据相应的运动指令信号驱动无刷电机，调整无人船的位姿。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案在无人船进行巡航作业时，地面监控站子***可以根据船载巡航控制子***回传的卫星定位数据、行进方向、周边障碍物信息及规划的巡航路径，计算出无人船的运动参数，传输给船载巡航控制子***，由船载巡航控制子***的主控制器根据无人船的运动参数处理转换为运动指令信号，并根据相应的运动指令信号驱动无刷电机，调整无人船的位姿；由此实现远程控制。
在一个实施例中，在S500步骤中，采用以下方式对无人船进行领航分析和调整：
建立坐标系，导入巡航路线，确定巡航路线函数；
根据无人船的实时定位，若无人船发生偏离巡航路线时，在记录的巡航路线的多个位置点中，确定无人船航行方向前端与后端距离最近的巡航路线上的两个位置点；
针对两个位置点区间的巡航路线路段，采用插值法计算无人船偏离距离，偏离距离为巡航路线上距离无人船的与无人船的距离；
根据最近点、无人船的实时定位和无人船航行方向前端最近的巡航路线位置点形成的三角关系调整无人船航行角度，使得无人船朝向前端最近的巡航路线位置点行使；
当无人船到达前端最近的巡航路线位置点时，将该位置点的巡航路线函数的导数值来重新调整无人船航行的坐标方向。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过建立坐标系，借助坐标对无人船进行航行分析，判断航行是否偏离巡航路线，若有偏离则计算偏离距离，并进行航行方向调整；当无人船回到巡航路线上或者没有发生无偏离时，可以采用其当前定位点的巡航路线函数的导数值来确定无人船航行方向，提高控制的精确度；偏离恢复采用最近点、无人船的实时定位和无人船航行方向前端最近的巡航路线位置点形成的三角关系调整无人船航行角度，使得无人船朝向前端最近的巡航路线位置点行使，可以相对减少总航行路程，降低能耗。
在一个实施例中，所述偏离距离采用插值法计算，过程如下：
将无人船的实时定位点标示在坐标系中，以无人船航行方向前端距离最近的巡航路线上的位置点为起点，以无人船航行方向后端距离最近的巡航路线上的位置点为终点，获取起点与终点的中间点，采用以下公式分别计算起点与终点连线和无人船的实时定位与中间点连线形成的两个夹角α、β以及中间点与实时定位点的两点距离Li，其中α对应起点方向夹角，β对应终点方向夹角：
上式中，∠α表示第i次的起点与中间点连线和实时定位点与中间点连线形成的夹角α的角度值；cos-1表示反余弦函数；Li表示第i次的中间点与实时定位点的两点距离；Li1表示第i次的起点与中间点的距离；Li2表示第i次起点与实时定位点的距离；
夹角β的角度值，将上述公式中的∠α换成∠β，将距离参数中的起点换成终点，进行计算即可得到；
上式中，Li表示第i次的中间点与实时定位点的两点距离；R表示地图比例尺；X1，Y1表示实时定位点的坐标；Xi,Yi表示第i次的中间点的坐标；
若α>β，则以中间点代替起点；若α<β，则以中间点代替终点；再次进行两个夹角和两点距离Li计算；若α＝β，则分为两个路段分别进行两个夹角和两点距离Li计算；至起点与终点的距离不大于设定距离为止；记录每一次中间点与实时定位点的两点距离Li形成两点距离集合；
从两点距离集合中取最小值作为偏离距离，以作为偏离距离的最小值对应的中间点为最近点。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案对于无人船航行发生偏离巡航路线的情况，采用上述插值法计算偏离距离，初始以无人船航行方向前端距离最近的巡航路线上的位置点为起点，以无人船航行方向后端距离最近的巡航路线上的位置点为终点，然后通过多次对起点与终点进行重新定义，每次都获取起点与终点的中间点，采用以下公式分别计算起点与终点连线和无人船的实时定位与中间点连线形成的两个夹角α、β以及中间点与实时定位点的两点距离Li，至起点与终点的距离不大于设定距离为止；记录每一次中间点与实时定位点的两点距离Li形成两点距离集合，从两点距离集合中取最小值作为偏离距离，以偏离距离对应的中间点确定为最近点；可以实现自动量化计算获得恢复回到巡航路线上的有关参数，实现航行的精确控制。
下面通过本发明的用于无人船的自主巡航***的应用做进一步说明，如图7所示，该***包括地面监控站子***和船载巡航控制子***；
所述船载巡航控制子***包括主控制器、图像采集模块、测距模块、定位模块、航向角测量模块、无线模块、数据存储模块和动力模块；
所述主控制器为STM32F407开发板，位于船载巡航控制子***的中心，与多个功能模块通信连接，用于接收各模块回传的数据信息并进行处理，将参数信息转化为对动力模块的指令，从而控制船体的行驶速度和方向；
所述图像采集模块为海康威视高清摄像头，可以支持SDK二次开发，用于采集水域环境的图像信息并上传至地面监控站子***，结合图像识别算法对障碍物轮廓进行识别；
所述测距模块为AJ-SR04防水型超声波测距传感器，分别安装于船体的正前方、正左方、正右方、左前方、右前方和正下方，用于检测船体与周边障碍物的距离，保证船体在水面上的正常通行；
所述定位模块为ATK1218-BD/GPS双模定位模块，经通信线缆连接主控制器，串口通讯使用的波特率是9600，串口通讯协议遵循NMEA协议，用于将船体当前所在位置的定位信息上传至地面监控站子***，进而在上位机显示出船体在水域地图中的位置，配合无人船的自主航行；
所述航向角测量模块为三轴电子罗盘，将电子罗盘的信号输出端口接到主控制器的信号采集端口，把船体当前的航行角度传输给主控制器，将已经偏转的角度和所需要转动的角度进行对比，进而校正出来正确的航行角度，配合无人船的自主航行；
所述无线模块包括ESP32WiFi模块和SIM900A模块，通过串口与主控制器、图像采集模块和定位模块通信连接，当无人船距离地面监控站一百米内时，开启WiFi通讯模式，当距离超过一百米时，自动切换到4G通讯模式，通过WiFi与4G两种通信模式之间的智能切换，切实降低***收发指令的延迟性，提高***通信的稳定性；
所述数据存储模块为SD卡，用于记录历史巡航路线、水域图像信息和其他数据文件；
所述动力模块包括电机驱动器和无刷电机，电机驱动器与主控制器通信连接，用于调节无刷电机的转速和转向，无刷电机与电机驱动器通信连接，用于推进船体在水面的运动。
本发明通过无线网络实现船载巡航控制子***与地面监控站子***之间指令和数据的通信，使得用户可以通过地面监控站上位机设定自主巡航路线和实时监测船体状态；通过定位模块和航向角测量模块联合控制无人船按照巡航路线进行准确航行，通过图像采集模块和测距模块联合实现无人船航行过程中的智能避障，进而实现实际水面作业中的自主巡航。本发明采用小型模块化设计，具有较高的集成度，适用于小型的水面无人船，能够提升无人船的智能程度，增强无人船在水面的自主作业能力，切实提高水面作业的工作效率。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种用于无人船的自主巡航***，其特征在于，包括能够相互通讯的船载巡航控制子***和地面监控站子***；
所述船载巡航控制子***安装在无人船上，所述船载巡航控制子***用于接受工作指令，获取水域地图和巡航路线，控制无人船进行自主巡航作业；
所述地面监控站子***设置于陆地，用于显示水域地图、设定巡航路线、向无人船发送工作指令以及监控无人船工作状态；
所述船载巡航控制子***包括主控制器、数据存储模块、航向角测量模块和动力模块；
所述主控制器用于对接收到的测量和/或地面监控站子***传输的数据信息进行处理，将数据信息转化为对动力模块的指令，从而控制无人船的行驶速度和方向；
所述航向角测量模块与主控制器通信连接，航向角测量模块用于测量无人船当前的航行角度并传输给主控制器，由主控制器将偏转角度和需要转动的调整角度进行对比，进而校正出正确的航行角度，配合无人船的自主航行；
所述数据存储模块与主控制器通信连接，数据存储模块用于保存历史巡航路线、水域地图和巡航作业数据；
所述动力模块包括电机驱动器和无刷电机，电机驱动器分别与主控制器和无刷电机通信连接，电机驱动器用于调节无刷电机的转速和转向，无刷电机用于推进无人船在水面的运动；
所述主控制器内置三维空间模型，所述三维空间模型以无人船上的预定点为坐标原点；
将无人船轮廓数据导入三维空间模型，根据无人船定位和巡航路线确定航行方向并在三维空间模型中进行标示；
将检测到的无人船周边障碍物轮廓及障碍物的距离导入三维空间模型，判断障碍物是否处于标示的航行方向；
根据航行方向，通过坐标系转换方式将三维空间模型和处于标示的航行方向上的障碍物简化为水平面的二维坐标系进行分析；
采用包围盒算法生成障碍物轮廓线函数，结合设定的安全距离分别求解从巡航路线左侧和右侧避开障碍物的最小偏转角度，选择左侧和右侧的最小偏转角度中较小者作为避障偏转角度；
所述主控制器控制动力模块将无人船的航行方向调整一个避障偏转角度，在绕过障碍物后，将航行方向回调一个避障偏转角度以回到巡航路线。
2.根据权利要求1所述的用于无人船的自主巡航***，其特征在于，所述主控制器连接有定位模块和无线模块；
所述定位模块与无线模块通信连接，定位模块用于确定无人船的当前所在位置的定位信息并通过无线模块上传至地面监控站子***，以便在地面监控站子***显示出无人船在水域地图中的位置，配合无人船的自主航行；
所述无线模块用于船载巡航控制子***与地面监控站子***之间的无线通信网络连接以及数据交互。
3.根据权利要求1所述的用于无人船的自主巡航***，其特征在于，所述主控制器连接有图像采集模块和测距模块；
所述图像采集模块与无线模块通信连接，图像采集模块用于采集水域环境的图像信息，并通过无线模块上传至地面监控站子***，所述主控制器采用图像识别算法对障碍物轮廓进行识别；
所述测距模块用于检测无人船与周边障碍物的距离，保证无人船在水域的正常通行。
4.一种用于无人船的自主巡航控制方法，其特征在于，采用权利要求1所述用于无人船的自主巡航***，包括以下步骤：
S100***初始化，开启地面监控站子***和船载巡航控制子***，并通过无线模块建立无人船上船载巡航控制子***与地面监控站子***之间的无线通信连接；
S200通过船载巡航控制子***控制***电路进行各项数据采集并传输至地面监控站子***，完成对无人船初始状态的标定；
S300通过地面监控站子***开启水域地图，设定目标巡航路线，并在巡航路线上确认多个位置点；
S400等待无人船就绪后，通过地面监控站子***与无线网络通信子***向船载巡航控制子***下达自主巡航启动指令；
S500通过船载巡航控制子***操控无人船进行水面自主巡航作业，并在地面监控站子***操作界面实时监测无人船的工作状态；
在S500步骤中，采用以下方式对无人船进行领航分析和调整：
建立坐标系，导入巡航路线，确定巡航路线函数；
根据无人船的实时定位，若无人船发生偏离巡航路线时，在记录的巡航路线的多个位置点中，确定无人船航行方向前端与后端距离最近的巡航路线上的两个位置点；
针对两个位置点区间的巡航路线路段，采用插值法计算无人船偏离距离，偏离距离为巡航路线与无人船的距离；
根据最近点、无人船的实时定位和无人船航行方向前端最近的巡航路线位置点形成的三角关系调整无人船航行角度，使得无人船朝向前端最近的巡航路线位置点行使；
当无人船到达前端最近的巡航路线位置点时，将该位置点的巡航路线函数的导数值来重新调整无人船航行的坐标方向。
5.根据权利要求4所述的用于无人船的自主巡航控制方法，其特征在于，在S200步骤中，船载巡航控制子***与地面监控站子***之间的无线通信包括：
S210主控制器通过定位模块获取无人船当前位置的卫星定位数据，通过航向角测量模块获取无人船当前的航行角度数据，通过测距模块采集无人船与周边障碍物之间的距离数据；
S220船载巡航控制子***通过无线模块将无人船当前位置的卫星定位数据、航行角度数据和与周边障碍物之间的距离数据上传到地面监控站子***。
6.根据权利要求4所述的用于无人船的自主巡航控制方法，其特征在于，S300步骤包括：
S310在地面监控站子***显示界面中打开水域地图，根据无人船回传的卫星定位数据，在水域地图上标记无人船的初始位置点；
S320确定巡航终点，根据无人船的初始位置点确定目标巡航路线，并在巡航路线上确认多个位置点；
S330在水域地图中依次输入所有位置点的坐标，完成对位置点的标注，并根据所有点的位置拟合成为可供用户查看的目标巡航路线图。
7.根据权利要求4所述的用于无人船的自主巡航控制方法，其特征在于，S500步骤包括：
S510地面监控站子***根据船载巡航控制子***回传的卫星定位数据、行进方向、周边障碍物信息及规划的巡航路径，计算出无人船的运动参数；
S520主控制器根据无人船的运动参数处理转换为运动指令信号，并根据相应的运动指令信号驱动无刷电机，调整无人船的位姿。
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