一种快速科研用模块化无人船实验平台及方法

本发明属于无人船、智能航行控制及科研实验平台，具体涉及一种快速科研用模块化无人船实验平台及方法。

背景技术：

1、无人船作为一种能够在水面自主航行的智能设备，广泛应用于水质监测、环境调查、水面巡检、目标搜索、应急救援、航道测绘和智能交通等领域；随着人工智能、机器人控制、多传感器融合和自主导航技术的发展，无人船逐渐成为高校、科研机构和工程实验室开展智能控制算法验证的重要平台。

2、现有无人船平台通常面向具体应用场景进行定制化设计，船体结构、推进系统、传感器安装方式、控制系统和通信接口往往相互绑定；在科研人员需要开展新的算法验证任务时，通常需要重新设计硬件结构、布置传感器、修改通信程序和调整控制软件，这会延长实验验证周期、提高调试难度、降低平台的复用率。

3、尤其是在路径规划、轨迹跟踪、非线性模型预测控制、智能避障、多传感器融合和无人船集群协同等实验任务中，研究人员需要频繁更换算法、传感器和实验载荷；而现有无人船大多缺乏统一的机械接口、电气接口和软件框架，这会严重影响实验任务的验证效率。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种快速科研用模块化无人船实验平台及方法。

2、基于上述目的，本发明通过如下技术方案实现：

3、本发明第一方面提供了一种快速科研用模块化无人船实验平台，包括用于提供无人船水面航行所需的浮力和安装基础的船体模块，船体模块上设置有标准化机械安装接口；所述船体模块上可拆卸安装有动力推进模块、供电与配电模块、主控模块、定位导航模块、多传感器感知模块、通信模块、实验载荷扩展模块、数据记录与算法部署模块。

4、所述动力推进模块用于驱动无人船前进、转向、制动或保持航行状态。

5、所述供电与配电模块用于向动力推进模块、主控模块、定位导航模块、多传感器感知模块、通信模块和实验载荷扩展模块供电，并对不同电压等级的用电设备进行配电和保护。

6、所述主控模块用于接收定位导航模块、多传感器感知模块和通信模块传输的数据，并运行无人船科研实验程序、航行控制程序、感知处理程序、通信程序和数据记录程序。

7、所述定位导航模块用于获取无人船的位置、速度、姿态、航向和惯性测量信息。

8、所述多传感器感知模块用于获取无人船周围环境信息、障碍物信息或目标信息。

9、所述通信模块用于实现无人船与岸基端、遥控端或其他无人船之间的数据交互。

10、所述实验载荷扩展模块用于安装科研实验所需的传感器、采样装置、执行机构、通信设备或计算设备。

11、所述数据记录与算法部署模块包括存储单元及运行于主控模块或岸基上位机中的算法部署程序；所述数据记录与算法部署模块用于记录无人船实验过程中的定位数据、感知数据、控制指令、任务信息、算法参数和实验结果，并支持不同科研算法的加载、切换和验证。

12、所述船体模块、动力推进模块、多传感器感知模块、通信模块和实验载荷扩展模块通过标准化机械接口、电气接口、通信接口或软件接口与主控模块连接，使无人船实验平台能够根据不同实验任务快速更换硬件配置、快速部署控制算法并形成可复现实验数据。

13、所述主控模块采用统一软件框架通过根据实验任务配置文件识别已连接功能模块，加载与已连接功能模块对应的驱动程序和科研算法，并建立统一坐标系和统一时间基准。

14、所述数据记录与算法部署模块通过将实验任务配置、硬件模块标识、算法版本、算法参数、传感器数据和控制数据按照统一时间戳关联存储，用以支持实验过程回放和同一实验条件下的算法对比。

15、根据上述快速科研用模块化无人船实验平台，优选地，所述船体模块包括通过连接支撑框架相连接的左浮体和右浮体，连接支撑框架上设有可拆卸船舱，可拆卸船舱两侧设有与连接支撑框架可拆卸连接的船舱连接固定件，船舱连接固定件并通过螺栓、定位销、快拆锁紧件或其组合与连接支撑框架连接；所述动力推进模块至少包括两个电推进器，电推进器分别设置在左浮体及右浮体尾端，电推进器分别通过差速控制实现无人船的航向调整。

16、根据上述快速科研用模块化无人船实验平台，优选地，所述实验载荷扩展模块包括可更换安装板、防水电气接口、标准通信接口和载荷供电接口，使科研人员能够快速安装水质采样器、机械臂、摄像头、雷达、边缘计算设备或通信设备；所述可拆卸船舱的内部设置有主控制盒，主控制盒的内部至少集成设置有主控模块、供电与配电模块、通信模块、推进器的驱动单元及数据记录与算法部署模块中的一种，主控制盒的外部设置有用于连接多传感器感知模块、定位导航模块、通信天线、动力推进模块和实验载荷扩展模块的防水电气接口或防水通信接口。

17、根据上述快速科研用模块化无人船实验平台，优选地，所述定位导航模块至少包括gnss定位单元、rtk定位单元、惯性测量单元、磁力计、电子罗盘或飞控模块中的两种，或者包括能够同时输出位置、速度、姿态和航向信息的组合导航设备；所述多传感器感知模块至少包括激光雷达、深度相机、毫米波雷达、单目相机、双目相机、超声波传感器、水质传感器中的一种，多传感器感知模块用于水面障碍物检测、岸线识别、水面目标检测、水环境参数采集或其他环境信息获取。

18、所述主控模块运行机器人中间件，并通过话题、服务、动作、串口、usb、以太网或can通信方式与定位导航模块、多传感器感知模块、通信模块、推进器的驱动单元和岸基控制端进行数据交互。

19、所述数据记录与算法部署模块将路径规划算法、轨迹跟踪算法、避障控制算法、多传感器感知算法或多无人船协同算法封装为具有统一输入和统一输出的功能模块；所述统一输入包括无人船当前状态、目标任务、参考路径或环境感知信息；所述统一输出包括速度控制指令、航向控制指令、推进器控制指令、局部目标点或协同控制指令。

20、所述标准化机械安装接口至少设置在船舱连接固定件、连接支撑框架、推进器安装支架、实验载荷扩展模块或传感器安装支架中的其中一处上；所述标准化机械安装接口至少包括阵列式安装孔、长圆形调节孔、导轨式安装槽或快拆式安装结构中的一种，用于调节或更换传感器支架、通信设备支架、载荷支架、可拆卸船舱或推进器安装支架。

21、所述通信模块至少包括近程通信单元、远程通信单元或船内网络通信单元中的一种，用于实现遥控接管、岸基监控、任务下发、实验数据回传或多无人船状态共享。

22、本发明第二方面提供了一种根据本发明第一方面所述快速科研用模块化无人船实验平台的控制方法，包括以下步骤：

23、s1、根据实验任务生成实验任务配置文件；所述实验任务配置文件包括任务类型、参考航线、目标速度、传感器配置、控制算法类型、控制周期、数据记录参数和安全约束参数。

24、s2、根据实验任务配置文件选择或配置船体模块、动力推进模块、定位导航模块、多传感器感知模块、通信模块和实验载荷扩展模块；根据实验任务配置文件更换或调整可拆卸船舱、连接支撑框架及相应船体附件，并通过标准化机械接口、电气接口和通信接口完成对各模块连接。

25、s3、经供电与配电模块对主控模块、定位导航模块、多传感器感知模块、通信模块和动力推进模块进行初始化，并建立统一坐标系、统一时间基准和通信链路。

26、s4、主控模块通过实时接收定位导航模块输出的位置、速度、姿态、航向和惯性测量信息，并接收多传感器感知模块输出的图像数据、深度数据、点云数据、障碍物信息或目标信息。

27、s5、主控模块采用实验启动点或预设参考点作为局部坐标系原点，对定位导航模块输出的位置数据进行局部坐标转换，并对定位导航模块、多传感器感知模块和通信模块输出的数据进行时间同步、滤波处理和状态估计，获得无人船当前状态量。

28、s6、主控模块根据参考航线、当前状态量和环境感知信息生成局部参考轨迹或局部目标点，并根据实验任务配置文件调用对应的路径规划算法、轨迹跟踪控制算法、避障控制算法、多传感器感知算法或多无人船协同算法。

29、s7、在实验任务包括无人船航行控制且所述无人船航行控制为轨迹跟踪控制时，主控模块根据当前状态量和局部参考轨迹计算位置误差、航向误差和速度误差，并执行选定的轨迹跟踪控制算法计算期望纵向推力和期望转向力矩；在实验任务包括避障控制时，在控制计算过程中加入障碍物安全距离约束；在实验任务为多传感器感知任务时，输出障碍物信息、目标信息或环境特征；在实验任务为多无人船协同任务时，输出局部目标点、协同状态或协同控制指令。

30、s8、在步骤s7输出期望纵向推力和期望转向力矩时，主控模块根据期望纵向推力和期望转向力矩进行双推进器控制分配，得到左推进器控制量和右推进器控制量，并对左推进器控制量和右推进器的控制量进行限幅及推力-执行指令转换，再发送至推进器驱动单元。

31、s9、采用数据记录与算法部署模块同步记录实验过程中的实验任务配置文件、模块配置参数、无人船状态数据、传感器数据、控制指令、算法参数、目标轨迹、实际轨迹和实验结果，形成可回放、可分析和可复现的实验数据集。

32、s10、利用主控模块或岸基上位机计算实验数据集的实验评价指标。

33、s11、根据实验评价指标调整控制算法参数、更换科研算法、更换多传感器感知模块或更换实验载荷扩展模块；在实验任务配置、硬件模块、多传感器感知模块或实验载荷扩展模块发生变化时，返回步骤s1重新生成实验任务配置文件；在仅调整算法参数或更换软件算法时，则返回步骤s6重新生成局部参考轨迹并调用对应科研算法，进入下一轮科研验证。

34、根据上述快速科研用模块化无人船实验平台的控制方法，优选地，在步骤s5中，所述局部坐标转换是将定位导航模块输出的经纬度信息转换为局部平面坐标；所述局部平面坐标满足：

35、

36、

37、其中，、为局部坐标系原点的经度和纬度，、为无人船当前位置的经度和纬度，为地球半径，、分别为无人船在局部坐标系下的东向位置和北向位置，经纬度角度采用弧度表示。

38、根据上述快速科研用模块化无人船实验平台的控制方法，优选地，在步骤s7中，在实验任务包括无人船航行控制且所述无人船航行控制为轨迹跟踪控制时，主控模块根据无人船当前状态量和局部参考轨迹计算位置误差，、航向误差和速度误差；

39、

40、

41、

42、

43、其中，分别为无人船当前位置、航向角和纵向速度，分别为局部参考轨迹对应的参考位置、参考航向角和参考纵向速度，所述航向误差保持在范围内。

44、根据上述快速科研用模块化无人船实验平台的控制方法，优选地，在步骤s7中，所述轨迹跟踪控制算法采用非线性模型预测控制算法时，主控模块根据步骤s5获得的无人船当前状态量构建无人船位姿向量、速度向量、状态向量和控制输入向量：

45、

46、

47、

48、

49、其中，为无人船在局部坐标系下的位置，为航向角，分别为纵向速度和横向速度，为艏摇角速度，为期望纵向推力，为期望转向力矩。

50、无人船三自由度运动学模型满足：

51、

52、

53、

54、无人船三自由度动力学模型满足：

55、

56、其中，和分别无人船在局部坐标系下东向位置x和北向位置y对时间的变化率；为航向角对时间的变化率，为速度向量对时间的导数，为期望纵向推力，数值表示不施加直接横向控制力，为期望转向力矩；为无人船惯性与附加质量矩阵；为科氏力和向心力矩阵；为水动力阻尼矩阵；为风、浪、流产生的外界扰动力和扰动力矩。

57、所述主控模块按照控制周期对无人船模型进行离散化；所述无人船模型是指由无人船三自由度运动学模型和三自由度动力学模型共同构成的无人船运动数学模型：

58、

59、并在预测时域内构建目标函数：

60、

61、其中，为非线性模型预测控制目标函数值，为第k个预测步的无人船预测状态，为第个预测步的参考状态，为控制输入，为相邻控制输入变化量，、分别为状态误差权重矩阵、控制输入权重矩阵、控制输入变化权重矩阵和终端误差权重矩阵，为预测时域终端的无人船预测状态，为预测时域终端对应的参考状态，上标表示向量或矩阵的转置。

62、所述目标函数满足：

63、

64、

65、

66、当检测到第个障碍物时，无人船与障碍物之间的距离满足：

67、

68、

69、其中，和分别为控制输入的下限向量；和分别为控制输入变化量的下限向量和上限向量；和分别为无人船纵向速度的下限和上限；分别为第个预测步无人船在局部坐标系下的东向预测位置和北向预测位置；为第个障碍物在局部坐标系下的位置；为综合考虑无人船外廓尺寸、障碍物尺寸和安全裕度设置的预设最小安全距离。

70、步骤s6调用并在步骤s7执行的轨迹跟踪控制算法至少包括pid控制、los制导控制、模型预测控制（mpc）、非线性模型预测控制（nmpc）、滑模控制或自适应控制中的一种。

71、根据上述快速科研用模块化无人船实验平台的控制方法，优选地，在步骤s8中，设左推进器和右推进器之间的横向距离为，期望纵向推力为，期望转向力矩为，则左推进器控制量和右推进器控制量为：

72、

73、

74、主控模块对左推进器控制量和右推进器控制量进行限幅处理：

75、

76、

77、其中，和分别为推进器允许输出的最小值和最大值。

78、将限幅后的推进器推力按照预先标定的推力-执行指令映射关系转换为推进器控制指令：

79、

80、

81、其中，分别为左推进器和右推进器的执行指令，、分别为根据推进器推力标定实验获得的推力-转速、推力-pwm或推力-控制量映射函数。

82、在步骤s9中，所述实验数据集中的实验数据以rosbag、csv、txt、数据库文件或云端数据包形式存储；所述实验数据包含统一时间戳、位姿信息、速度信息、传感器原始数据、控制输入、目标轨迹、实际轨迹、算法运行状态、模块配置参数和实验评价指标。

83、根据上述快速科研用模块化无人船实验平台的控制方法，优选地，在步骤s10中，所述实验评价指标至少包括平均轨迹误差、最大轨迹误差、航向均方根误差、路径完成率、最小避障距离、控制输入平滑度、通信延迟或实验数据完整率中的一种。

84、所述平均轨迹误差满足：

85、

86、所述最大轨迹误差满足：

87、

88、所述航向均方根误差满足：

89、

90、所述控制输入平滑度满足：

91、

92、其中，为采样点数量，为无人船第个采样时刻的实际位置和航向，为对应时刻的参考位置和参考航向。

93、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

94、（1）本发明通过模块化设计的船体模块、动力推进模块、主控模块、定位导航模块、多传感器感知模块、通信模块和实验载荷扩展模块，使无人船能够根据不同实验任务进行快速搭建和调整，提高平台复用性，方便根据不同的科研实验场景设计无人船平台；本发明能够快速搭建、快速部署、快速调试和快速复现实验结果，能够满足高校和实验室对无人船算法验证、系统集成和工程测试的需求。

95、（2）本发明通过在船体模块上设置标准化机械安装接口，方便传感器支架、通信设备支架、载荷支架和可拆卸船舱能够快速安装或更换，避免每次开展新实验时重新设计船体结构和安装方式，从而缩短实验准备周期。

96、（3）本发明通过标准化电气接口、通信接口和软件接口，将定位导航模块、多传感器感知模块、通信模块、动力推进模块和实验载荷扩展模块统一接入主控模块，使不同硬件设备能够快速接入模块化无人船实验平台，有效降低集成和调试难度。

97、（4）本发明通过统一软件框架实现航行控制、环境感知、通信交互、数据记录和算法部署等功能，能够在不改变底层硬件连接方式的情况下，快速切换路径规划、轨迹跟踪、避障控制、多传感器感知和多无人船协同等算法，满足不同的实验验证需求。

98、（5）本发明通过设置数据记录与算法部署模块，能够实现同步记录无人船状态数据、传感器数据、控制指令、算法参数、目标任务和实验结果的目的，便于进行实验回放、算法对比和科研结果复现。

99、（6）本发明既能够用于单船路径跟踪、避障和多传感器感知实验，也能够扩展至多无人船集群协同实验，适合高校、科研机构和工程实验室开展无人船智能控制、环境感知和协同作业相关研究。