无人船自主航行控制方法及系统与流程

本发明涉及航行控制技术，尤其涉及无人船自主航行控制方法及系统。

背景技术：

1、近年来，随着人工智能、计算机视觉、控制技术等领域的快速发展，无人驾驶技术得到了广泛关注和应用。在海洋领域，无人船作为一种新兴的智能航行装备，具有作业效率高、人员安全风险低、运行成本低等优点，在海洋监测、海洋调查、海上搜救、军事侦察等诸多方面展现出广阔的应用前景。

2、传统的无人船航行通常采用基于航点的导航方式，即通过预先设定航点序列，并依赖gps定位和惯性导航系统引导无人船沿着航点依次航行。这种导航方式虽然能够实现无人船的基本自主航行功能，但在复杂海况和动态环境下，无人船难以应对突发情况，容易发生碰撞事故。

技术实现思路

1、本发明实施例提供无人船自主航行控制方法及系统，能够解决现有技术中的问题。

2、本发明实施例的第一方面，

3、提供无人船自主航行控制系统，包括：

4、无人船船体和设置于所述无人船船体上的无人船自主航行控制系统，所述无人船自主航行控制系统包括无人船控制系统、无人船环境感知系统、通信系统、岸基控制系统、无人船自主避障系统、gps定位模块、imu姿态模块和视觉感知系统；

5、所述无人船控制系统包括边缘计算机、控制板、电流采集器和电压降压模块，所述边缘计算机用于处理传感器数据、下达指令和处理视觉感知系统的数据，所述控制板由arm芯片构成，用于执行无人船控制指令，通过控制电机转动实现无人船横向、纵向运动；所述imu姿态模块用于提供无人船航行方位、俯仰姿态与多轴加速度数据；所述电流采集器用于采集无人船工作时的电流电压，转化成无人船实时功率并与电池信息结合以获取无人船剩余续航时间，所述电压降压模块用于转换电池电压为控制板与传感器供电；

6、所述无人船环境感知系统包括流速传感器、水深传感器、风速风向传感器、气压传感器和光照传感器，分别用于采集无人船航行水域的水流流速信息、深度信息、风速风向信息、大气压强信息和光照强度信息，并将采集的信息发送给所述边缘计算机；

7、所述视觉感知系统包括高清摄像头和双目相机，所述高清摄像机用于观察无人船航行水域水面状况，监控无人船航行，并将视频信息通过所述通信系统发送到所述岸基控制系统实现岸基监控，同时将视频信息发送给所述边缘计算机，所述双目相机用于获取无人船航行域水面环境的图像景深信息，并发送给所述边缘计算机；所述边缘计算机将采集到的数据经过整合处理后通过所述通信系统传输至所述岸基控制系统；

8、所述边缘计算机内设有船端目标识别程序，通过对所述高清摄像头和双目相机采集的图像信息进行图像去噪、直方图均衡化增强、surf特征提取、障碍物识别后，通过分析图像处理后的结果判断无人船当前航行水域水面是否存在阻碍航行的障碍物，当存在障碍物时，发送相应的避障指令到所述控制板，所述控制板执行视觉感知避障程序，控制无人船做出避障行为；

9、所述无人船自主避障系统通过设置于所述无人船船体的三维激光雷达检测前方障碍物，并将障碍物信息发送到所述边缘计算机，所述边缘计算机内设有激光雷达避碰程序，通过所述激光雷达避碰程序确认障碍物信息，并发送指令给所述控制板，所述控制板执行激光雷达避碰程序，控制无人船做出避障行为；

10、所述岸基控制系统包括无人船控制与显示软件、雷达渲染显示软件、运动控制器和电脑，所述无人船控制与显示软件用于控制无人船航行运动，显示无人船工况信息，所述雷达渲染显示软件用于显示激光雷达扫描的图像，所述运动控制器用于操纵无人船运动。

11、在一种可选的实施方式中，

12、所述边缘计算机还用于：

13、对所收到的图像的每个像素点，构建一个由多元函数f(x，y)的二阶偏导数构成的hessian矩阵，其中，f(x，y)表示坐标为p(x，y)处的像素值，通过求hessian矩阵判别式的局部极值确定该像素点是否为关键点；

14、为使关键点具有尺度不变性，在构建hessian矩阵前，采用二阶标准高斯函数对所收到的图像进行滤波，滤波后像素值由二阶标准高斯函数和原始像素值计算得到；

15、对滤波后的图像，在像素点p处求关于坐标x和y的二阶偏导，得到不同尺度下的hessian矩阵。

16、在一种可选的实施方式中，

17、hessian矩阵如下公式所示：

18、；

19、hessian矩阵判别式如下公式所示：

20、；

21、不同尺度下的hessian矩阵如下公式所示：

22、；

23、其中， h(f(x，y))表示hessian矩阵， f表示多元函数， (x，y)表示像素点的空间坐标， l xx (p，σ)表示图像 l在点 p和尺度σ下沿 x方向的二阶偏导数， l xy (p，σ)表示图像 l在点 p和尺度σ下的混合二阶偏导数， l yy (p，σ)表示图像 l在点 p和尺度σ下沿 y方向的二阶偏导数。

24、在一种可选的实施方式中，

25、还包括：

26、所述三维激光雷达采用vfh向量场直方图算法进行点云特征提取，通过统计视点方向与每个法线之间角度的直方图来计算视点的特征分量，包括：

27、使用vfh方法进行特征提取，使用整个点云对象来进行计算估计，在计算特征描述时以物体中心点与物体表面其他所有点之间的点对作为计算单元，添加视点方向与每个点估计法线之间额外的统计信息；

28、将视点方向融入到相对法线角计算中，通过统计视点方向与每个法线之间角度的直方图来计算视点的特征分量。

29、在一种可选的实施方式中，

30、所述控制板执行视觉感知避障程序，控制无人船做出避障行为包括：

31、将障碍物的位置坐标转换到以无人船为中心的极坐标系下，得到障碍物相对于无人船的方位角和距离；

32、结合无人船的当前速度和航向，采用基于势场法的避障策略，计算避障所需的航向变化量，其中障碍物对应斥力势场，目标点对应引力势场，无人船在斥力势场和引力势场的合力作用下调整航向，远离障碍物，朝着目标点航行；

33、基于避碰安全距离概念计算避障所需的速度变化量，当障碍物距离小于安全距离时，无人船减速直至停船，当障碍物距离大于安全距离时，无人船维持当前速度或加速；

34、控制板根据计算出的航向变化量和速度变化量，调整无人船的舵角和发动机油门，控制无人船做出避障行为。

35、在一种可选的实施方式中，

36、所述系统还包括：

37、通信系统，包括高功率电台，高增益天线，云端服务器，物联网模组；

38、所述边缘计算机通过lan通信接口连接高功率电台，高功率电台与高增益天线连接，高功率电台之间通过微波无线通信连接，使边缘计算机的数据能够经由高功率电台传输到岸基控制系统内，实现船端数据远距离传输，所述云端服务器用于传输控制板通过物联网模组连接5g网络上传的数据，实现控制板与岸基控制系统之间的数据跨域传输功能。

39、本技术实施例的第二方面，

40、提供无人船自主航行控制方法，包括：

41、启动无人船，检查船体及其船载设备是否正常，打开无人船电源，设备正常工作；

42、边缘计算机通过lan通信接口连接高功率电台，控制板通过物联网模组连接5g网络与云端服务器建立tcp连接，通信系统工作；

43、无人船环境感知系统所采集的航行水域环境信息通过通信系统发送给岸基控制系统；

44、将无人船gps定位模块和imu姿态模块采集的无人船航速航向信息、姿态信息，以及激光雷达和视觉感知系统获取的图像信息发送给无人船控制系统；无人船控制系统中的边缘计算机对收到的数据进行整合，经过处理后通过通信系统发送到岸基控制系统；

45、岸基控制系统接收无人船操作系统传输的数据后，在无人船控制和显示软件选择自动航行模式，并为无人船确定自主航行起始位置和终点位置，由通信系统发送到无人船控制系统；

46、无人船控制系统控制无人船按照岸基控制系统确定的起始位置和终点位置，由边缘计算机实时控制无人船进行自动航行；

47、在航行过程中，无人船避障系统检测到障碍物后，执行对应的避障程序，躲避障碍物并恢复航行路线。

48、本发明实施例的第三方面，

49、提供一种电子设备，包括：

50、处理器；

51、用于存储处理器可执行指令的存储器；

52、其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行前述所述的方法。

53、本发明实施例的第四方面，

54、提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现前述所述的方法。

55、本技术通过边缘计算机处理传感器数据、下达指令和处理视觉感知系统数据，控制板执行无人船控制指令，imu姿态模块提供航行姿态数据，电流采集器和电压降压模块实现无人船电力管理，保证了无人船自主航行过程中的数据处理、控制执行和能源供给，实现了无人船的自主运动控制；

56、环境感知系统中的各类传感器全面采集无人船航行水域的流速、水深、风速风向、气压和光照等环境信息，为无人船自主决策提供了丰富的感知数据，提高了无人船对航行环境的感知能力和适应性；

57、视觉感知系统利用高清摄像头和双目相机获取航行水域的视频图像和景深信息，通过边缘计算机内的船端目标识别程序进行图像处理和障碍物识别，实现了对水面障碍物的有效检测，并通过控制板执行视觉感知避障程序，使无人船具备了视觉感知避障能力，提高了航行安全性。

58、无人船自主避障系统利用三维激光雷达检测前方障碍物，通过边缘计算机内的激光雷达避碰程序确认障碍物信息并控制无人船避障，为无人船提供了另一种可靠的避障方式，进一步增强了无人船的避障能力。

59、通过边缘计算机将环境感知数据和视觉感知数据进行整合处理并传输至岸基控制系统，实现了无人船和岸基控制中心的实时信息交互，便于岸基人员及时掌握无人船的航行状态和周围环境信息，实现岸基监控。

60、综合利用控制系统、环境感知系统、视觉感知系统和自主避障系统，构建了一套完整的无人船自主航行系统，实现了无人船在复杂海况下的自主感知、自主决策和自主控制，提高了无人船执行任务的灵活性、适应性和安全性，推动了无人船技术在海洋领域的应用。

技术特征：

1.无人船自主航行控制系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述边缘计算机还用于：

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，hessian矩阵如下公式所示：

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制板执行视觉感知避障程序，控制无人船做出避障行为包括：

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

7.无人船自主航行控制方法，用于应用在前述权利要求1-6中任一项所述的系统，其特征在于，包括：

8.一种电子设备，其特征在于，包括：

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，所述计算机程序指令被处理器执行时实现权利要求7所述的方法。

技术总结
本发明提供无人船自主航行控制方法及系统，涉及航行控制技术领域，包括无人船船体和设置于所述无人船船体上的无人船自主航行控制系统，所述无人船自主航行控制系统包括无人船控制系统、无人船环境感知系统、通信系统、岸基控制系统、无人船自主避障系统、GPS定位模块、IMU姿态模块和视觉感知系统；所述无人船控制系统包括边缘计算机用于处理传感器数据、下达指令和处理所述视觉感知系统的数据，控制板由ARM芯片构成，用于执行无人船控制指令；IMU姿态模块用于精准化无人船运动，电流采集器用于采集无人船工作时的电流电压，转化成无人船实时功率并与电池信息结合以获取无人船剩余续航时间，电压降压模块用于转换电池电压为控制板与传感器供电。

技术研发人员：赵东,田鑫,王蕊,何世全,孟成君,孟勋,李萼祥,顾泽正
受保护的技术使用者：江苏韩通赢吉重工有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23