本發(fā)明涉及水面無人艇自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無人艇自動(dòng)回航的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來，隨著科技水平的提高與海洋開發(fā)戰(zhàn)略的提出，無人艇相關(guān)技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展階段。無人艇作為一種新型水面設(shè)備，可以執(zhí)行海岸線測(cè)繪、近海環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)洋巡邏等任務(wù)。目前無人艇投放與回收主要依靠手動(dòng)遙控配合機(jī)械回收裝置。要提高無人艇的自動(dòng)化水平，減少人員參與，甚至做到長期完全獨(dú)立自主運(yùn)行，需要解決無人艇在投放以及回收階段的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)這一問題。相較于投放，由于存在回收區(qū)域?qū)ふ摇⒒厥昭b置定位以及對(duì)接過程姿態(tài)調(diào)整等問題，回收的難度更大。因此，一種能夠適用于移動(dòng)母船、固定母港兩種回收環(huán)境，能自主尋找回收區(qū)域、回收裝置并能在非平靜海況下根據(jù)相對(duì)位置進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整的自動(dòng)回航方法和系統(tǒng)能夠提高無人艇的實(shí)用性。此外，當(dāng)無人艇遇到故障或者通信中斷時(shí)，自動(dòng)回航功能可以保證船的安全。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種無人艇自動(dòng)回航的方法和系統(tǒng)，能夠使無人艇在滿足回航條件時(shí)自動(dòng)切換到回航模式，并自動(dòng)進(jìn)入回收裝置。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種無人艇自動(dòng)回航的方法，其步驟如下：

一、出發(fā)時(shí)記錄出發(fā)點(diǎn)GNSS信息以及備用回航點(diǎn)GNSS信息；

二、根據(jù)設(shè)定條件進(jìn)行回航狀態(tài)判斷；

三、監(jiān)聽新的回航點(diǎn)GNSS信息；

四、根據(jù)當(dāng)前無人艇GNSS信息與回航點(diǎn)GNSS信息進(jìn)行回航階段判定；

五、當(dāng)回航階段變化或者回航點(diǎn)GNSS信息變化，重新規(guī)劃回航路徑；

六、根據(jù)信標(biāo)尋找回航點(diǎn)所在區(qū)域中的回收裝置；

七、根據(jù)無人艇所處回航階段選擇導(dǎo)航控制方式；

八、根據(jù)無人艇與回收裝置的相對(duì)位置姿態(tài)進(jìn)行航向修正，直至完成回航。

二中回航狀態(tài)判斷包括任務(wù)完成狀況、當(dāng)前海況、能源余量、緊急回航指令、無人艇故障信息。

所述回航階段判定包括第一回航階段、第二回航階段及第三回航階段，其中第一回航階段為無人艇遠(yuǎn)離回收裝置的階段，第二回航階段為無人艇靠近回收裝置的階段，第三回航階段為無人艇在第二回航階段中尋找到信標(biāo)后的階段。

當(dāng)無人艇處于第一回航階段時(shí)，根據(jù)無人艇自身GNSS信息以及出發(fā)點(diǎn)GNSS信息，選擇兩點(diǎn)間最短路徑作為回航路線，然后結(jié)合海圖信息，生成實(shí)際最短回航路徑，當(dāng)無人艇處于第二回航階段時(shí)，根據(jù)回收裝置形狀以及無人艇GNSS信息生成搜尋信標(biāo)路徑，當(dāng)無人艇處于第三回航階段時(shí)，以回收裝置開口中垂線為回收路徑。

所述信標(biāo)為放置在回收裝置上方的色塊，色塊可用LED燈組成，并且通過顏色代表回收裝置當(dāng)前狀態(tài)，所述無人艇通過圖像識(shí)別技術(shù)識(shí)別色塊的顏色。

當(dāng)無人艇處于第一回航階段時(shí)，采用GNSS導(dǎo)航，通過計(jì)算與規(guī)劃路徑的偏差來控制航向；當(dāng)無人艇處于第二回航階段時(shí)，采用GNSS和圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航，搜尋回收裝置信標(biāo)，并進(jìn)行路徑規(guī)劃；當(dāng)無人艇處于第三回航階段時(shí)，通過獲得無人艇與回收裝置的相對(duì)位置姿態(tài)，調(diào)用無人艇運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行位姿調(diào)整。

相對(duì)位置姿態(tài)獲取方法如下：通過高精度相對(duì)位置測(cè)量模塊獲得無人艇艇艏與回收裝置入口的角度差，獲得無人艇艇艏與回收裝置入口的垂直距離以及入口中垂線的水平偏移距離。

一種基于上述無人艇自動(dòng)回航的方法的無人艇自動(dòng)回航系統(tǒng)，其由回收裝置以及設(shè)置在無人艇上的回航模塊構(gòu)成，所述回收裝置包括中控系統(tǒng)、數(shù)傳電臺(tái)、GNSS模塊、信標(biāo)模塊以及高精度相對(duì)位置測(cè)量模塊，所述回航模塊設(shè)有艇載中控系統(tǒng)、數(shù)傳模塊、艇載GNSS模塊、攝像模塊、艇載高精度相對(duì)位置測(cè)量模塊以及動(dòng)力模塊，所述艇載中控系統(tǒng)包括回航狀態(tài)判斷模塊、回航路徑規(guī)劃模塊、圖像處理模塊、高精度相對(duì)位置解算模塊以及航控模塊。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明適用于返回母船回收裝置以及返回母港回收裝置兩種基本情形，通過三個(gè)回航階段劃分、三種路徑生成規(guī)則、三種導(dǎo)航控制方式實(shí)現(xiàn)由遠(yuǎn)及近、對(duì)環(huán)境感知能力不斷提高的自主回航技術(shù)，該技術(shù)可以為后續(xù)功能（比如自主補(bǔ)給、自主檢修等）提供支持。

附圖說明

圖1 為本發(fā)明方法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 為本發(fā)明回收器設(shè)備架構(gòu)圖

圖3 為本發(fā)明無人艇設(shè)備架構(gòu)圖

圖4 為本發(fā)明方法進(jìn)入回航模式系統(tǒng)圖

圖5 為本發(fā)明方法的主要回航控制模塊

圖6 為本發(fā)明方法的回航階段判定模塊流程圖

圖7 為本發(fā)明方法的回航路徑規(guī)劃模塊流程圖

圖8 為本發(fā)明方法的航控方式切換模塊流程圖

圖9 為本發(fā)明方法的其他指令與異常處理模塊流程圖

圖10 為本發(fā)明返回母船路徑示意圖1。

圖11 為本發(fā)明返回母港路徑示意圖2。

具體實(shí)施方式

下面針對(duì)附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步說明：

本發(fā)明公開了一種無人艇自動(dòng)回航的方法，其步驟如下：

一、出發(fā)時(shí)記錄出發(fā)點(diǎn)GNSS信息以及備用回航點(diǎn)GNSS信息；

二、根據(jù)設(shè)定條件進(jìn)行回航狀態(tài)判斷；

三、監(jiān)聽新的回航點(diǎn)GNSS信息；

四、根據(jù)當(dāng)前無人艇GNSS信息與回航點(diǎn)GNSS信息進(jìn)行回航階段判定；

五、當(dāng)回航階段變化或者回航點(diǎn)GNSS信息變化，重新規(guī)劃回航路徑；

六、根據(jù)信標(biāo)尋找回航點(diǎn)所在區(qū)域中的回收裝置；

七、根據(jù)無人艇所處回航階段選擇導(dǎo)航控制方式；

八、根據(jù)無人艇與回收裝置的相對(duì)位置姿態(tài)進(jìn)行航向修正，直至完成回航。

步驟二中回航狀態(tài)判斷包括任務(wù)完成狀況、當(dāng)前海況、能源余量、緊急回航指令、無人艇故障等信息。

所述回航階段判定包括第一回航階段、第二回航階段及第三回航階段，其中第一回航階段為無人艇遠(yuǎn)離回收裝置的階段，第二回航階段為無人艇靠近回收裝置的階段，第三回航階段為無人艇在第二回航階段中尋找到信標(biāo)后的階段。

當(dāng)無人艇處于第一回航階段時(shí)，根據(jù)無人艇自身GNSS信息以及出發(fā)點(diǎn)GNSS信息，選擇兩點(diǎn)間最短路徑作為回航路線，然后結(jié)合海圖信息，生成實(shí)際最短回航路徑，當(dāng)無人艇處于第二回航階段時(shí)，根據(jù)回收裝置形狀以及無人艇GNSS信息生成搜尋信標(biāo)路徑，當(dāng)無人艇處于第三回航階段時(shí)，以回收裝置開口中垂線為回收路徑。

所述信標(biāo)為放置在回收裝置上方的色塊，色塊可用LED燈組成，并且通過顏色代表回收裝置當(dāng)前狀態(tài)，所述無人艇通過圖像識(shí)別技術(shù)識(shí)別色塊的顏色。

當(dāng)無人艇處于第一回航階段時(shí)，采用GNSS導(dǎo)航，通過計(jì)算與規(guī)劃路徑偏差控制航向；當(dāng)無人艇處于第二回航階段時(shí)，采用GNSS和圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航，搜尋回收裝置信標(biāo)，并進(jìn)行路徑規(guī)劃；當(dāng)無人艇處于第三回航階段時(shí)，通過獲得無人艇與回收裝置的相對(duì)位置姿態(tài)，調(diào)用無人艇運(yùn)動(dòng)特殊指令進(jìn)行位姿調(diào)整。

相對(duì)位置姿態(tài)獲取方法如下：通過一種高精度相對(duì)位置測(cè)量模塊獲得無人艇艇艏與回收裝置入口的角度差，獲得無人艇艇艏與回收裝置入口的垂直距離以及入口中垂線的水平偏移距離。

本文中GNSS信息包括出發(fā)點(diǎn)GNSS信息、備用回航點(diǎn)GNSS信息、回航點(diǎn)GNSS更新信息以及自身GNSS信息。其中出發(fā)點(diǎn)GNSS信息為出發(fā)時(shí)母船或者母港的GNSS信息，備用回航點(diǎn)GNSS信息指備用回收裝置所在母港GNSS信息，備用回航點(diǎn)是無人艇回航第二選擇點(diǎn)，用于無法回到出發(fā)母船或母港時(shí)使用，回航點(diǎn)GNSS更新信息用于母船移動(dòng)后或者指定新的回航點(diǎn)時(shí)通知無人艇修改出發(fā)點(diǎn)GNSS信息。無人艇回航時(shí)依據(jù)出發(fā)點(diǎn)GNSS信息與自身GNSS信息進(jìn)行回航階段判定，然后進(jìn)行回航路徑規(guī)劃。

如圖1所示，一種無人艇自動(dòng)回航系統(tǒng)包括兩部分，分別是設(shè)置在母船或母港的回收裝置101以及設(shè)置在無人艇上的回航模塊102，無人艇自動(dòng)回航分成三階段，分別是第一回航階段103、第二回航階段104、第三回航階段105。第一回航階段103采用GNSS導(dǎo)航，第二回航階段104采用GNSS、圖像聯(lián)合導(dǎo)航，第三回航階段105采用相對(duì)位置調(diào)整方式導(dǎo)航。其中第一回航階段為無人艇遠(yuǎn)離回收裝置的階段，第二回航階段為無人艇靠近回收裝置的階段，第三回航階段為無人艇在第二回航階段中尋找到信標(biāo)后的階段。

如圖2所示，回收裝置101包括中控系統(tǒng)201、數(shù)傳電臺(tái)202、GNSS模塊203、信標(biāo)模塊204、高精度相對(duì)位置測(cè)量模塊205。中控系統(tǒng)201負(fù)責(zé)接收處理GNSS模塊203數(shù)據(jù)并通過數(shù)傳電臺(tái)202向無人艇的回航模塊102發(fā)送回收裝置101位置信息。信標(biāo)模塊204狀態(tài)由中控系統(tǒng)201根據(jù)回收裝置狀態(tài)控制，此外，中控系統(tǒng)201還負(fù)責(zé)周期性檢查高精度相對(duì)位置測(cè)量模塊205工作狀態(tài)以及通過數(shù)傳電臺(tái)202向無人艇的回航模塊102發(fā)送其他指令，例如緊急回航、新的任務(wù)。上述模塊中，中控系統(tǒng)201、數(shù)傳電臺(tái)202、GNSS模塊203一般部署在母船或者母港上，信標(biāo)模塊204、高精度相對(duì)位置測(cè)量模塊205部署在回收裝置入口處。上述模塊通過網(wǎng)絡(luò)連接，該網(wǎng)絡(luò)為無線網(wǎng)絡(luò)。

如圖3所示，無人艇上與回航回收系統(tǒng)相關(guān)回航模塊包括艇載中控系統(tǒng)301、數(shù)傳模塊302、艇載GNSS模塊303、攝像模塊、艇載高精度相對(duì)位置測(cè)量模塊305、其他與航控相關(guān)的動(dòng)力模塊306。艇載中控系統(tǒng)301負(fù)責(zé)接收處理其他模塊的數(shù)據(jù)。數(shù)傳模塊302負(fù)責(zé)與回收裝置的數(shù)傳電臺(tái)202通信，接收GNSS數(shù)據(jù)和指令。艇載GNSS模塊303采用較高精度定位天線，當(dāng)與回收裝置距離較近時(shí)采用RTK技術(shù)提高定位精度。攝像模塊為攝像機(jī)304用于發(fā)現(xiàn)回收裝置101上的信標(biāo)204，信標(biāo)為放置在回收裝置上方的色塊，色塊可用LED燈組成。色塊顏色代表回收裝置當(dāng)前狀態(tài)，綠色表示可以回收，黃色表示等待，紅色表示不可回收。信標(biāo)的色塊是無人艇由第二回航階段進(jìn)入第三回航階段的判斷標(biāo)志。該階段初期采用圖像識(shí)別技術(shù)，使無人艇向回收裝置靠近。所用攝像機(jī)為可180°水平旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)。艇載高精度相對(duì)位置測(cè)量模塊305添加需要與之測(cè)距的高精度相對(duì)位置測(cè)量模塊205的ID，進(jìn)入測(cè)距范圍后測(cè)量兩者間距離，并通過相關(guān)算法確定無人艇與回收裝置101的相對(duì)位置狀態(tài)。航控相關(guān)的動(dòng)力模塊306包括路徑規(guī)劃模塊、前方障礙物檢測(cè)模塊、防碰撞模塊、動(dòng)力控制模塊、舵角控制模塊等正常航行所需模塊。

圖4為一種無人艇自動(dòng)回航系統(tǒng)進(jìn)入回航模式的過程。在執(zhí)行任務(wù)前預(yù)先設(shè)定目標(biāo)任務(wù)、回航條件、出發(fā)點(diǎn)GNSS信息、備用回航點(diǎn)GNSS信息。當(dāng)任務(wù)執(zhí)行完成或者達(dá)到設(shè)定回航條件，就進(jìn)入回航模式。此外，數(shù)傳模塊獨(dú)立運(yùn)行，用于更新回航GNSS信息（即出發(fā)點(diǎn)GNSS信息），當(dāng)回航位置信息更新后通知回航路徑規(guī)劃模塊重新規(guī)劃回航路徑。

圖5為一種無人艇自動(dòng)回航系統(tǒng)的回航模塊，包括回航階段判定模塊、回航路徑規(guī)劃模塊、航控方式切換模塊、其他指令與異常處理模塊。其中回航階段判定模塊用于確定回航路徑規(guī)劃以及航控方式切換所采用的規(guī)則。

根據(jù)圖4、圖5，一種無人艇自動(dòng)回航系統(tǒng)流程為出航前設(shè)定回航相關(guān)參數(shù)，出航后監(jiān)聽回航條件判斷模塊，即實(shí)時(shí)監(jiān)聽預(yù)先設(shè)定目標(biāo)任務(wù)或回航條件的達(dá)成情況，同時(shí)運(yùn)行回收裝置GNSS信息接收模塊。當(dāng)滿足回航條件時(shí)，進(jìn)入回航模式。回航模式下依然接收回收裝置GNSS信息，同時(shí)運(yùn)行回航階段判定模塊。根據(jù)回航階段進(jìn)行路徑規(guī)劃以及航控方式選擇。此外，無人艇監(jiān)聽外部指令以及各模塊工作狀態(tài)。

圖6為一種無人艇自動(dòng)回航系統(tǒng)的回航階段判定模塊流程圖?；睾诫A段由無人艇與回收裝置的相對(duì)位置確定。當(dāng)無人艇與回收裝置距離遠(yuǎn)時(shí)為第一階段，當(dāng)無人艇進(jìn)入回收裝置所在區(qū)域時(shí)為第二階段，當(dāng)無人艇發(fā)現(xiàn)回收裝置信標(biāo)后進(jìn)入第三階段。

圖7為一種無人艇自動(dòng)回航系統(tǒng)的回航路徑規(guī)劃模塊流程圖。當(dāng)檢測(cè)到回收裝置的GNSS信息變化或者回航階段變化時(shí)，根據(jù)無人艇當(dāng)前所處回航階段進(jìn)行路徑規(guī)劃。當(dāng)處于第一回航階段時(shí)，路徑規(guī)劃原則是以無人艇與回收裝置兩點(diǎn)連線段為基本路徑，結(jié)合海圖信息生成實(shí)際最短可行路徑。當(dāng)處于第二階段時(shí)，路徑規(guī)劃原則是根據(jù)回收裝置母體形態(tài)生成尋找信標(biāo)的繞行路線。如果回收裝置母體是船，那么繞行路徑為以船為中心的圓，如果回收裝置母體是岸，那么繞行路徑為與岸平行的線段。當(dāng)處于第三階段時(shí)，路徑為回收裝置中垂線，根據(jù)無人艇與回收裝置的相對(duì)位置狀態(tài)調(diào)節(jié)艏向。

圖8為一種無人艇自動(dòng)回航系統(tǒng)的航控方式切換模塊流程圖。當(dāng)無人艇處于第一回航階段時(shí)，航控方式選擇路徑跟蹤的方式，即根據(jù)與規(guī)劃路徑的偏差調(diào)節(jié)航向。當(dāng)無人艇處于第二回航階段時(shí)，采用路徑跟蹤與圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航控制。當(dāng)無人艇處于第三回航階段時(shí)，航控方式選擇相對(duì)位置調(diào)整航控方式，即根據(jù)艇艏與回收裝置開口的相對(duì)位置通過無人艇特殊動(dòng)作比如旋轉(zhuǎn)、平移等動(dòng)作調(diào)節(jié)艏向。

圖9為一種無人艇自動(dòng)回航系統(tǒng)的其他指令與異常處理模塊流程圖。無人艇的工作模式調(diào)整與指令相關(guān)。異常情況包括第二階段未找到信標(biāo)、信標(biāo)顯示命令不是可進(jìn)入命令以及第三階段無法通過高精度相對(duì)位置測(cè)量模塊定位。若未找到信標(biāo)則將備用回收裝置GNSS坐標(biāo)作為新的回航點(diǎn)，同時(shí)重新規(guī)劃路徑，如果在備用回航點(diǎn)處仍未找到信標(biāo)，則就近靠岸停船。若信標(biāo)命令不是可進(jìn)入命令，則根據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。若是第三階段無法通過高精度相對(duì)位置測(cè)量模塊定位，則通知回收裝置并切換到遙控控制方式。

圖10為一種無人艇自動(dòng)回航系統(tǒng)返回母船回收裝置路徑示意圖。圖中無人艇1001沿設(shè)定回航線路1004從第一回航階段進(jìn)入第二回航階段區(qū)域，發(fā)現(xiàn)母船1002的回收裝置1003后進(jìn)入第三回航階段，然后進(jìn)入回收裝置1003。圖中細(xì)長虛線1005為無人艇實(shí)際航行路線。

圖11為一種無人艇自動(dòng)回航系統(tǒng)返回母港回收裝置路徑示意圖。圖中無人艇1101沿設(shè)定回航線路1104從第一回航階段進(jìn)入第二回航階段區(qū)域，發(fā)現(xiàn)母港1102的回收裝置1103后進(jìn)入第三回航狀態(tài)，然后進(jìn)入回收裝置1103。圖中細(xì)長虛線1105為無人艇實(shí)際航行路線。

實(shí)施例不應(yīng)視為對(duì)發(fā)明的限制，但任何基于本發(fā)明的精神所作的改進(jìn)，都應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。