本發(fā)明涉及一種無人船自動停泊系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種可以自動停泊至指定位置的無人船自動停泊系統(tǒng)及方法，屬于無人船停泊技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

無人船是一種相比傳統(tǒng)船只更安全、操作容易的一種船只。隨著社會對安全、效率、回報率等的要求越來越高，近年來無人船的市場正逐步擴(kuò)大。但無人船停泊技術(shù)的研究卻并沒有隨著無人船發(fā)展的浪潮而興起，相反的是，現(xiàn)如今無論是低端的遙控?zé)o人船，還是高端的搭載諸多實(shí)驗(yàn)儀器的無人船都主要通過操作員手動控制無人船至指定位置來回收。而手工回收則難免在回收過程中因意外操作而損毀器材或樣品。同時，目前主流的無人船雖然都沒有自動停泊系統(tǒng)，但無人船本身就具備一定的拓展空間，具備加裝自動停泊系統(tǒng)的能力。

目前現(xiàn)有技術(shù)中提出的自動停泊方案分為以下幾種：

(1)如公開號為CN106005343A的專利申請中，船控模塊控制無人船根據(jù)自動記憶返回本次航程出發(fā)的碼頭。這種采用記憶路徑返回的方法在GPS、電子羅盤、加速度傳感器等精度不高的情況下自動停泊的能力很差。

(2)采用船舶磁力系泊裝置，利用磁力代替纜繩進(jìn)行系泊，使船舶能自動靠離碼頭(或其他船舶)。這種采用磁力停泊的方法局限性較大，無人船需要有足夠的空間才能裝下該系統(tǒng)，不利于拓展。

(3)直接通過攝像頭循跡模塊循跡實(shí)現(xiàn)自動停泊，具體是將圖像采用最優(yōu)閾值法灰度處理后，通過中線提取算法計算出偏移量后對路徑進(jìn)行修正，并通過超聲波傳感器對船身進(jìn)行微調(diào)。這類做法主要從智能車自動停泊系統(tǒng)移植而來，由于水面環(huán)境復(fù)雜，該方法循跡準(zhǔn)確率受環(huán)境影響很大，對停泊環(huán)境要求很嚴(yán)格。

為實(shí)現(xiàn)無人船自動停泊的目標(biāo)，需要一種無人船自動停泊系統(tǒng)，要求具備自動停泊準(zhǔn)確度高的能力，具備不易受復(fù)雜環(huán)境影響系統(tǒng)工作的能力，具備系統(tǒng)拓展性高、適應(yīng)大部分船只的能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種無人船自動停泊系統(tǒng)及方法，實(shí)現(xiàn)了無人船不受環(huán)境因素影響自動精準(zhǔn)?？恐林付ㄎ恢玫哪康?。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種無人船自動停泊系統(tǒng)，包括設(shè)置于無人船上的自動定位停泊模塊、設(shè)置于水岸交界處的回收平臺以及設(shè)置于岸邊的定位牌；其中，自動定位停泊模塊包括控制器、GPS收發(fā)裝置、無線通信裝置、電子羅盤、陀螺儀、灰度攝像頭、攝像頭、第一超聲波傳感器、動力單元，所述GPS收發(fā)裝置、電子羅盤、陀螺儀、灰度攝像頭、攝像頭、第一超聲波傳感器、動力單元分別與控制器連接，第一超聲波傳感器設(shè)置于無人船船頭位置，控制器通過無線通信裝置與回收平臺通信；定位牌包括一個黑色識別條和兩個灰色識別條，兩個灰色識別條以黑色識別條為中心相互對稱；回收平臺包括回收平臺基座、四個支撐桿、四個壓力傳感器、電機(jī)、導(dǎo)軌、線纜，壓力傳感器、電機(jī)分別與控制器連接，四個支撐桿平均分布于回收平臺基座表面，每個支撐桿頂端設(shè)置一個壓力傳感器，回收平臺基座一側(cè)與導(dǎo)軌相連，電機(jī)通過線纜帶動回收平臺基座沿導(dǎo)軌上下運(yùn)動；回收平臺基座與導(dǎo)軌相連的一側(cè)的長度與定位牌的長度相等，且定位牌設(shè)置于回收平臺正后方。

作為本發(fā)明系統(tǒng)的一種進(jìn)一步方案，該系統(tǒng)還包括碰撞保護(hù)模塊，所述碰撞保護(hù)模塊包括氣囊、第二至第三超聲波傳感器、第一至第二紅外線收發(fā)裝置，氣囊、第二超聲波傳感器、第三超聲波傳感器、第一紅外線收發(fā)裝置、第二紅外線收發(fā)裝置分別與控制器連接；且氣囊設(shè)置于回收平臺基座與導(dǎo)軌相連的一側(cè)的中間，第二超聲波傳感器、第三超聲波傳感器分別設(shè)置于氣囊兩側(cè)，以氣囊為中心相互對稱，與氣囊所在側(cè)垂直的兩側(cè)分別設(shè)置有第一紅外線收發(fā)裝置、第二紅外線收發(fā)裝置，且第一紅外線收發(fā)裝置、第二紅外線收發(fā)裝置與氣囊所在側(cè)的距離為2cm。

作為本發(fā)明系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述動力單元包括相互對稱的左側(cè)推進(jìn)螺旋槳、右側(cè)推進(jìn)螺旋槳，且左側(cè)推進(jìn)螺旋槳、右側(cè)推進(jìn)螺旋槳分別與控制器連接。

作為本發(fā)明系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述控制器采用STM32單片機(jī)。

作為本發(fā)明系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述定位牌設(shè)置于回收平臺正后方5cm處。

作為本發(fā)明系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述電機(jī)采用50KG電機(jī)。

一種無人船自動停泊方法，包括如下步驟：

步驟1，利用GPS收發(fā)裝置確定無人船與回收平臺的距離，當(dāng)無人船與回收平臺的距離小于等于2m時，通過灰度攝像頭捕捉無人船前方的圖像；

步驟2，對圖像進(jìn)行灰度處理，設(shè)定圖像大小為N*M，各個像素點(diǎn)表示為P_ij(red_ij，green_ij，blue_ij)，將每個像素點(diǎn)做以下變換，得到G_ij(g1_ij，g2_ij，g3_ij)，其中，g1_ij＝0.2950*red_ij，g2_ij＝0.5865*green_ij，g3_ij＝0.1185*blue_ij，1≤i≤N，1≤j≤M；

步驟3，對圖像每列像素點(diǎn)進(jìn)行處理，得到單列像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)值K_j，處理公式為：

L_ij＝[(g1_ij-255)+(g2_ij-255)+(g3_ij-255)+c]²；c＝1，

步驟4，對K_j從大到小排序，并將排好序的數(shù)據(jù)值的列編號值j賦給A[M]數(shù)組，利用第一超聲波傳感器測量無人船與回收平臺的距離L；

若L>50cm，從A[M]數(shù)組中提取A[0]，Q＝A[0]-M/2；

若Q>q1，則控制無人船右旋，3≤q1≤5；

若-q1≤Q≤q1，則控制無人船保持現(xiàn)有狀態(tài)不變；

若Q<-q1，則控制無人船左旋；

若L≤50cm，從A[M]數(shù)組中提取A[0]-A[4]，v_i為殘差；

若|σ|<0.4，則S＝[A[0]+σ]/(M/2)；

若S>s1，則控制無人船右旋，1≤s1≤3；

若-s1≤S≤s1，則控制無人船保持現(xiàn)有狀態(tài)不變；

若S<-s1，則控制無人船左旋；

若|σ|≥0.4，則控制無人船保持現(xiàn)有狀態(tài)不變；

步驟5，當(dāng)無人船進(jìn)入回收平臺基座時，利用第一超聲波傳感器測量無人船與回收平臺的距離，當(dāng)距離小于3cm時，控制器控制動力單元停止工作，與此同時，第二超聲波傳感器、第三超聲波傳感器、第一紅外線收發(fā)裝置、第二紅外線收發(fā)裝置開始工作，當(dāng)?shù)诙暡▊鞲衅?、第三超聲波傳感器測量無人船與回收平臺的距離小于1.5cm且第一紅外線收發(fā)裝置、第二紅外線收發(fā)裝置檢測到無人船通過時，打開氣囊；

步驟6，無人船進(jìn)入回收平臺基座后，回收平臺基座開始上浮，同時，壓力傳感器檢測壓力值并傳送至控制器，當(dāng)壓力值正確時，回收平臺基座平穩(wěn)上浮，否則，基座停止上浮并通知岸上的操作員，由操作員通過攝像頭傳輸?shù)漠嬅婵刂茻o人船調(diào)整姿勢后重新上浮。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明無人船自動停泊系統(tǒng)及方法，不但可以實(shí)現(xiàn)無人船不受環(huán)境因素影響自動精準(zhǔn)?？恐林付ㄎ恢?，同時該系統(tǒng)具有自動停泊準(zhǔn)確度高、拓展性好的優(yōu)點(diǎn)。

2、本發(fā)明無人船自動停泊系統(tǒng)及方法，可以減少諸如損壞器材、樣品等災(zāi)難的發(fā)生，可以廣泛的應(yīng)用于多個領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種無人船自動停泊系統(tǒng)中自動定位停泊模塊的示意圖。

圖2是本發(fā)明一種無人船自動停泊系統(tǒng)中定位牌的示意圖。

圖3是本發(fā)明一種無人船自動停泊系統(tǒng)中回收平臺的示意圖。

圖4是本發(fā)明回收平臺中回收平臺基座的俯視圖。

圖5是本發(fā)明自動定位停泊模塊中動力單元的示意圖。

圖6是本發(fā)明定位牌與回收平臺的相對位置圖。

圖7是本發(fā)明一種無人船自動停泊系統(tǒng)的流程圖。

其中，1-GPS收發(fā)裝置，2-無線通信裝置，3-電子羅盤，4-陀螺儀，5-灰度攝像頭，6-攝像頭，7-攝像頭支架，8-控制器，9-第一超聲波傳感器，10-動力單元，11-黑色識別條，12-灰色識別條，13-回收平臺基座，14-后部支撐桿，15-前部支撐桿，16-基座在導(dǎo)軌上的連接口，17-電機(jī)，18-導(dǎo)軌，19-線纜，20-氣囊，21-第二至第三超聲波傳感器，22-第一至第二紅外線收發(fā)裝置，23-前部壓力傳感器，24-后部壓力傳感器，25-左側(cè)推進(jìn)螺旋槳，26-右側(cè)推進(jìn)螺旋槳，27-定位牌，28-水岸交界處。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

如圖1-圖6所示，一種無人船自動停泊系統(tǒng)，包括自動定位停泊模塊、定位牌、回收平臺、碰撞保護(hù)模塊。

如圖1所示，自動定位停泊模塊由GPS收發(fā)裝置1、無線通信裝置2、電子羅盤3、陀螺儀4、灰度攝像頭5、攝像頭6、攝像頭支架7、控制器8、第一超聲波傳感器9、動力單元10組成。

GPS收發(fā)裝置1用來接收無人船的實(shí)時定位，并把信號發(fā)給控制器8。

無線通信裝置2與控制器8相連，用來收發(fā)數(shù)據(jù)，地面人員可以通過該裝置收發(fā)數(shù)據(jù)并控制無人船。

電子羅盤3和陀螺儀4分別與控制器8相連，用來為無人船指向。陀螺儀亦可以選用電子羅盤與加速度傳感器模擬陀螺儀。

灰度攝像頭5與控制器8相連，灰度攝像頭實(shí)時傳輸無人船正前方的圖像并提取圖像中的灰度，在捕捉到如圖2所示定位牌中的黑色識別條11后根據(jù)灰度出現(xiàn)方位與無人船航向作對比，不斷調(diào)整無人船航線以達(dá)到無人船航向與黑色識別條11對準(zhǔn)。

攝像頭6與控制器8相連，能把無人船前方的圖像通過控制器8用無線通信裝置2發(fā)給地面操作人員。

攝像頭支架7用以固定灰度攝像頭5及攝像頭6。

控制器8采用的是stm32單片機(jī)，單片機(jī)與GPS收發(fā)裝置1、無線通信裝置2、電子羅盤3、陀螺儀4、灰度攝像頭5、攝像頭6、第一超聲波傳感器9、動力單元10通過導(dǎo)線相連，負(fù)責(zé)接收GPS信號，收發(fā)控制信號以及控制各個傳感器或攝像頭。

第一超聲波傳感器9與控制器8相連，用以判斷無人船與回收平臺內(nèi)壁(回收平臺基座與導(dǎo)軌相連的一側(cè))的距離，并能在距離過近的時候通過控制器8控制動力單元10停止無人船前行。

如圖5所示，動力單元10由左側(cè)推進(jìn)螺旋槳25與右側(cè)推進(jìn)螺旋槳26組成，且動力單元10與控制器8相連，控制器8能單獨(dú)控制左側(cè)推進(jìn)螺旋槳25或右側(cè)推進(jìn)螺旋槳26以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向及停止前進(jìn)功能。左轉(zhuǎn)彎則左螺旋槳轉(zhuǎn)速小于右螺旋槳，右轉(zhuǎn)彎則右螺旋槳轉(zhuǎn)速小于左螺旋槳，保持前進(jìn)則左右兩側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)速相同。

如圖2所示，定位牌27由黑色識別條11和灰色識別條12組成，其中黑色識別條11用來與無人船航向?qū)?zhǔn)，灰色識別條12用來判斷無人船航向與黑色識別條11之間的角度。黑色識別條11采用RGB值為0-0-0或相近的顏色，灰色識別條12采用RGB值為65-65-65或相近的顏色。

如圖3、圖6所示，定位牌27安放在回收平臺正后方5cm處，兩者間距離可以適當(dāng)調(diào)整以適應(yīng)不同的無人船及環(huán)境，回收平臺緊貼岸邊，而定位牌27安放在岸上。

如圖3所示，回收平臺由回收平臺基座13、后部支撐桿14、前部支撐桿15、基座在導(dǎo)軌上的連接口16、電機(jī)17、導(dǎo)軌18、線纜19組成。

如圖4所示，回收平臺基座13表面裝有后部支撐桿14、前部支撐桿15，其中后部支撐桿14頂部裝有后部壓力傳感器24，前部支撐桿15頂部裝有前部壓力傳感器23，當(dāng)控制器8發(fā)送上浮信號給回收平臺基座13時，若壓力傳感器在規(guī)定時間內(nèi)沒檢測到相應(yīng)壓力，則回收平臺基座13停止上浮。

回收平臺基座13由金屬材料制作，回收平臺基座13上的后部支撐桿14、前部支撐桿15用以支撐無人船，防止其傾倒。電機(jī)17采用50KG電機(jī)，線纜19采用可沉重100KG的尼龍繩，通過電機(jī)17收放線纜19實(shí)現(xiàn)回收平臺的上下移動，其中線纜19一側(cè)連接電機(jī)，另一側(cè)連接基座在導(dǎo)軌上的連接口16，線纜19、電機(jī)17、連接口16都在導(dǎo)軌18內(nèi)。壓力傳感器23、24能實(shí)時發(fā)送壓力值給控制器8，控制器8能在在回收平臺上移3s內(nèi)沒有檢測到相應(yīng)壓力值時控制電機(jī)停止工作。

電機(jī)17通過線纜19拉動在基座在導(dǎo)軌上的連接口16以達(dá)到控制回收平臺基座13的上浮與下沉。其中，基座在導(dǎo)軌上的連接口16、電機(jī)17與線纜19都在導(dǎo)軌18內(nèi)。

碰撞保護(hù)模塊由氣囊20、第二至第三超聲波傳感器21、第一至第二紅外線收發(fā)裝置22組成。超聲波傳感器21探測到船體在不斷靠近且紅外線收發(fā)裝置22檢測到船體通過時，通過控制器8觸發(fā)氣囊20，防止無人船被撞毀。

灰度識別以及控制無人船自動定位停泊由如下過程實(shí)現(xiàn)：

圖像大小為N*M(N行，M列)，像素點(diǎn)P_ij(red_ij，green_ij，blue_ij)，其中1≤i≤N，1≤j≤M；

將灰度攝像頭傳輸過來的圖像數(shù)據(jù)流進(jìn)行灰度處理，具體處理過程如下：

g1_ij＝0.2950*red_ij；

g2_ij＝0.5865*green_ij；

g3_ij＝0.1185*blue_ij；

得G_ij(g1_ij，g2_ij，g3_ij)，1≤i≤N，1≤j≤M；

對每個像素點(diǎn)進(jìn)行灰度處理后，對單列像素點(diǎn)進(jìn)行處理，具體過程如下：

L_ij＝[(g1_ij-255)+(g2_ij-255)+(g3_ij-255)+c]²；c＝1，1≤j≤M，其中j為整數(shù)；

b＝1，1≤j≤M，其中j為整數(shù)；

其中，b、c的值可以根據(jù)不同的天氣及環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，不局限于本說明書中限定的1；

對單列像素點(diǎn)處理后得到單列像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)值K_j，對K_j從大到小排序，并將排列好的數(shù)據(jù)的列編號值j賦給A[M]數(shù)組，(例如：K₁＝0、K₂＝2、K₃＝6、K₄＝1、K₅＝100000；則A[M]＝[5,3,2,4,1])；

這時調(diào)用第一超聲波傳感器9測得的距離數(shù)據(jù)L，若L>50cm，則對數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：

提取最大的單列像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)值的列編號A[0]；

Q＝A[0]-M/2；

若Q>q1，則無人船右旋，(3≤q1≤5)；

若-q1≤Q≤q1，則無人船保持現(xiàn)有狀態(tài)不變；

若Q<-q1，則無人船左旋；

若L≤50cm，則對數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：

提取五個最大的單列像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)值的列編號A[0]-A[4]；

v_i為殘差；

若|σ|<0.4，則S＝[A[0]+σ]/(M/2)；

若S>s1，則無人船右旋，(1≤s1≤3)；

若-s1≤S≤s1，則無人船保持現(xiàn)有狀態(tài)不變；

若S<-s1，則無人船左旋；

若|σ|≥0.4，則無人船保持現(xiàn)有狀態(tài)不變；

其中，q1、s1兩個值也可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，不局限于本說明書中限定的數(shù)值。

如圖7所示，本方面通過不斷接收船體所在位置的GPS信號并與回收平臺處GPS信號作對比，確定無人船與回收平臺內(nèi)壁的距離，并通過電子羅盤、陀螺儀決定無人船行使方向。當(dāng)無人船行駛至距離回收平臺內(nèi)壁處GPS坐標(biāo)2m內(nèi)時，通過灰度攝像頭捕捉無人船前方的圖像，當(dāng)尋找到識別牌時，通過用灰度識別及控制算法來判定回收平臺上方定位牌相應(yīng)灰度所在位置與無人船航向之間的角度，并根據(jù)計算出的結(jié)果通過控制器控制無人船左右兩個螺旋槳的速度來控制無人船轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)，直至調(diào)節(jié)至控制器判定無人船航向正對回收平臺的時候?yàn)橹?。?dāng)無人船進(jìn)入回收平臺基座后，控制器打開第一超聲波傳感器檢測無人船與回收平臺內(nèi)壁的距離，當(dāng)距離低于3cm時，控制器控制螺旋槳停止工作。與此同時，碰撞保護(hù)系統(tǒng)打開，第二、第三超聲波傳感器開始工作，當(dāng)距離低于1.5cm且第一、第二紅外線收發(fā)裝置檢測到無人船通過時，氣囊打開以避免無人船發(fā)生碰撞。若無人船正確的停在了回收平臺內(nèi)，回收平臺開始工作，回收平臺的平臺基座開始上浮，基座上的壓力傳感器開始工作，當(dāng)基座上的四個穩(wěn)定無人船的基座上的壓力傳感器檢測到正確的壓力值時，基座平穩(wěn)上浮。當(dāng)壓力傳感器沒有檢測到正確的壓力值時，基座停止上浮并把實(shí)時情況通知岸上的操作員，由操作員通過攝像頭傳輸?shù)漠嬅婵刂茻o人船調(diào)整姿勢后重新上浮，追蹤無人船能夠平穩(wěn)的浮出水面。

以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。