一种无人艇控制系统及方法

1.本发明涉及无人艇领域，具体为一种无人艇控制系统及方法。


背景技术：

2.无人艇是一种无人操作的舰艇，主要有无人水面舰艇和无人潜航器两种，主要用于执行危险以及不适于有人船只执行的任务，无人艇技术研究与开发近几年得到不断的发展，而无人艇控制系统的集成构建是进行硬件体系和软件体系设计、运动控制算法开发的基础和前提；
3.目前关于无人艇的研究，主要还停留在远程控制、自主躲避单个障碍物，在面临环境复杂的航行环境时，无法有效避免所有的障碍物，并且关于无人艇能耗方面缺少分析，无法更加科学的计划无人艇的航行距离和返航时间。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种无人艇控制系统及方法，以解决上述背景技术中无人艇在面临环境复杂的航行环境时，无法有效避免所有的障碍物，并且关于无人艇能耗方面缺少分析，无法更加科学的计划无人艇的航行距离和返航时间的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种无人艇控制系统，包括：
6.运动模块、控制模块，所述运动模块用于负责无人艇的航速和航向的调节控制，所述运动模块包括柴油机与喷水推进器；
7.导航避碰模块，所述导航避碰模块由gps模块、激光陀螺仪、计程仪、回声探测仪、导航雷达组成，所述gps模块用于获取无人艇的经纬度信息，所述激光陀螺仪用于获取无人艇的加速度和角加速度信息，并通过所述计程仪测量速度和航程信息，由所述回声探测仪读取水深信息，所述导航雷达可用于跟踪锁定目标，以及通过分析目标运动轨迹，提供相遇距离和时间；
8.环境采集模块，所述环境采集模块用于对无人艇周边水域进行侦查和监视，所述环境采集模块包括摄像机、激光测距仪、云台、ais识别单元；
9.通信模块，所述通信模块包括无线网络模块和卫星通信模块，通过在近岸水域布置无线网络，通过所述无线网络模块可实现近距离的无线通信，通过所述卫星通信模块可实现远距离的无线通信；
10.能源模块，所述能源模块包括太阳能电池板、电池组、电池组监测器、燃油箱、油箱监测器和能耗用量分析单元，所述太阳能电池板可用于将太阳能转为电能存储进电池租内，所述电池组和燃油箱用于为无人艇控制系统功能，以保证其正常工作运行，所述电池组监测器用于监测电池组剩余容量，所述油箱监测器用于监测燃油箱剩余量，所述能源用量分析单元用于根据各项参数对无人艇行驶进行分析处理，具体的分析处理内容为：
11.a01：获取系统中各设备每小时运行所需电量；
12.a02：将所有设备每小时所需电量相加，得到每小时总的耗电量；
13.a03：通过公式，电池组剩余容量
÷
每小时总的耗电量，得到电池组剩余使用时间；
14.a04：通过公式，燃油箱剩余量
÷
每海里所需油量，得到无人艇剩余可航行距离；
15.a05：通过gps模块获取无人艇实时位置信息，根据无人艇实时位置信息与岸基监测站位置信息，计算出无人艇距离岸基监测站的距离；
16.a06：当无人艇剩余可航行距离-4海里≤无人艇距离岸基监测站的距离时，则生成返航警报，发送给控制模块，通过控制模块与运动模块的配合，控制无人艇进行返航；
17.a07:通过无人艇距离岸基监测站的距离
÷
无人艇每小时航速，得到返航时间；
18.a08：当返航时间＞电池组剩余使用时间时，则开启省电模式，关闭无人艇上探照灯、声光警报器、云台、ais识别单元的使用；
19.岸基监测站，所述岸基监测站通过通信模块与无人艇控制系统无线连接。
20.优选的，该无人艇控制系统可通过控制柴油机的进油量来调节喷水推进器的转速，并且还可通过改变喷水推进器的喷口角度实现舵的作用。
21.优选的，所述云台设置于无人艇上，且云台上安装摄像机，通过调节云台的水平移动和上下移动，可改变摄像机的拍摄角度，通过所述摄像机获取现场图片或视频。
22.优选的，通过所述激光测距仪可得到目标距离，所述ais识别单元为船舶自动识别单元，可以实时获得附近船只的身份信息和航行状态。
23.优选的，所述控制模块分别与运动模块、导航避碰模块、环境采集模块、通信模块、能源模块连接。
24.本实用还提供一种无人艇控制方法，该方法步骤为：
25.s01：数据采集，通过雷达识别障碍物类型、体积、移动状态，结合障碍物信息生成航行环境障碍分布图；
26.s02：信息分析，确定无人艇自身经纬度和航向角信息；
27.s03：分析决策，对数据进行聚类和目标识别，根据环境采集模块的有效扫描范围剔除无效数据，并根据聚类后各类数据点的个数，删除点数较少的类，得到更为精准的障碍物分类结果；
28.s04：执行控制；基于航行环境障碍分布图和无人艇航行速度方向，进行自主避开障碍物的航行。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
30.能够通过电量与油量的分析，计划无人艇的航行距离，和返航时间，并且可根据具体使用情况，打开省电模式，从而保证无人艇能够顺利返航；
31.可对数据进行采集分析，生成环境障碍分布图，从而帮助无人艇生成行驶路线，避开所有的障碍物。
附图说明
32.图1为本发明实施例的场景应用图；
33.图2为本发明实施例的系统组成图；
34.图3为本发明实施例的方法流程图。
35.图中：1、控制模块；2、导航避碰模块；3、运动模块；4、环境采集模块；5、通信模块；6、能源模块；7、岸基监测站。
具体实施方式
36.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。
37.请参阅图1-2所示，本发明提供一种技术方案：一种无人艇控制系统，包括：
38.运动模块3、控制模块1，运动模块3用于负责无人艇的航速和航向的调节控制，运动模块3包括柴油机与喷水推进器，具体的，通过控制柴油机的进油量来调节喷水推进器的转速，并且还可通过改变喷水推进器的喷口角度实现舵的作用；
39.导航避碰模块2，导航避碰模块2由gps模块、激光陀螺仪、计程仪、回声探测仪、导航雷达组成，gps模块用于获取无人艇的经纬度信息，激光陀螺仪用于获取无人艇的加速度和角加速度信息，并通过计程仪测量速度和航程信息，由回声探测仪读取水深信息，导航雷达可用于跟踪锁定目标，以及通过分析目标运动轨迹，提供相遇距离和时间；
40.环境采集模块4，环境采集模块4用于对无人艇周边水域进行侦查和监视，环境采集模块4包括摄像机、激光测距仪、云台、ais识别单元，其中，云台设置于无人艇上，且云台上安装摄像机，通过调节云台的水平移动和上下移动，可改变摄像机的拍摄角度，通过摄像机获取现场图片或视频；通过激光测距仪可得到目标距离，ais识别单元为船舶自动识别单元，可以实时获得附近船只的身份信息和航行状态；
41.通信模块5，通信模块5包括无线网络模块和卫星通信模块，通过在近岸水域布置无线网络，通过无线网络模块可实现近距离的无线通信，通过卫星通信模块可实现远距离的无线通信；
42.能源模块6，能源模块6包括太阳能电池板、电池组、电池组监测器、燃油箱、油箱监测器和能耗用量分析单元，太阳能电池板可用于将太阳能转为电能存储进电池租内，电池组和燃油箱用于为无人艇控制系统功能，以保证其正常工作运行，电池组监测器用于监测电池组剩余容量，油箱监测器用于监测燃油箱剩余量，能源用量分析单元用于根据各项参数对无人艇行驶进行分析处理，具体的分析处理内容为：
43.a01：获取系统中各设备每小时运行所需电量；
44.a02：将所有设备每小时所需电量相加，得到每小时总的耗电量；
45.a03：通过公式，电池组剩余容量
÷
每小时总的耗电量，得到电池组剩余使用时间；
46.a04：通过公式，燃油箱剩余量
÷
每海里所需油量，得到无人艇剩余可航行距离；
47.a05：通过gps模块获取无人艇实时位置信息，根据无人艇实时位置信息与岸基监测站位置信息，计算出无人艇距离岸基监测站的距离；
48.a06：当无人艇剩余可航行距离-4海里≤无人艇距离岸基监测站的距离时，则生成返航警报，发送给控制模块1，通过控制模块1与运动模块3的配合，控制无人艇进行返航；
49.a07:通过无人艇距离岸基监测站的距离
÷
无人艇每小时航速，得到返航时间；
50.a08：当返航时间＞电池组剩余使用时间时，则开启省电模式，关闭无人艇上探照灯、声光警报器、云台、ais识别单元的使用，能够通过电量与油量的分析，计划无人艇的航行距离，和返航时间，并且可根据具体使用情况，打开省电模式，从而保证无人艇能够顺利返航；
51.岸基监测站7，岸基监测站7通过通信模块5与无人艇控制系统无线连接；
52.控制模块1分别与运动模块3、导航避碰模块2、环境采集模块4、通信模块5、能源模块6连接，岸基监测站7可通过通信模块5发送控制指令，控制模块1根据通信模块5所接受到的控制指令，控制运动模块3、导航避碰模块2、环境采集模块4、通信模块5、能源模块6的开启与关闭。
53.基于上述内容，如图3所示，本发明实施例还提供一种无人艇控制方法，该方法步骤为：
54.s01：数据采集，通过雷达识别障碍物类型、体积、移动状态，结合障碍物信息生成航行环境障碍分布图；
55.s02：信息分析，确定无人艇自身经纬度和航向角信息；
56.s03：分析决策，对数据进行聚类和目标识别，根据环境采集模块4的有效扫描范围剔除无效数据，并根据聚类后各类数据点的个数，删除点数较少的类，得到更为精准的障碍物分类结果；
57.s04：执行控制；基于航行环境障碍分布图和无人艇航行速度方向，进行自主避开障碍物的航行，可对数据进行采集分析，生成环境障碍分布图，从而帮助无人艇生成行驶路线，避开所有的障碍物。
58.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。