水面无人艇多源融合导航与远程监控系统及方法与流程

本发明涉及水面无人艇智能航行控制，具体涉及水面无人艇多源融合导航与远程监控系统及方法，适用于水域测绘、水质巡检、水面清污及航道巡逻等长期离岸无人值守作业场景。

背景技术：

1、水面无人艇能够实现自主航行与远程管控，现已广泛应用于水域环境监测、水质采样、航道巡检、水文测绘等水上作业场景，越来越多长期离岸、无人值守的巡检任务开始投入实际应用。现有水面无人艇导航与远程监控方案存在如下技术局限。

2、1、现有单gps导航方式易受水域环境干扰，常规双gps架构缺少船体艏向角解算的几何约束条件。目前多数无人艇依靠单台gps接收机输出定位以及航向信息，当航行区域周边存在岸侧建筑、植被、桥梁遮挡或者水面产生卫星信号多路径反射时，定位与航向数据易发生波动。部分方案虽然搭载两台gps接收机，一般仅对两路定位结果开展对比校验，两台接收机安装位置没有相对船体中轴线进行固定约束；受侧向水流影响，船体船头指向与实际运动前进方向并不一致，两点坐标差值计算所得方位角不等同于船体艏向角。同时多数双gps导航系统并未引入imu惯性测量单元开展航向数据融合，也没有针对低速、静止、卫星信号衰减等工况设置航向切换策略，在上述工况下航向输出精度容易下降。

3、2、基于modbus-rtu总线的多传感器采集架构缺少总线访问管控机制，通信稳定性不足。无人艇通常挂载水质、姿态、动力参数等多类外设传感器，众多外设共用一条modbus-rtu半双工总线进行数据交互，总线同一时刻仅允许一台从站设备发送报文；主控并发下发多条读写指令时容易引发报文冲突、应答超时、数据异常。现有采集方案缺少帧级互斥访问时序管控，针对继电器等频繁切换设备未设置读写冷却间隔；电压采样通道缺少瞬时扰动过滤流程，电源波动产生的异常采样数据可直接参与导航解算；外设通信中断后缺少自动重连恢复流程，长距离离岸巡检作业中一旦通信中断，巡检任务将会被迫暂停。

4、3、航迹航行控制系统仅支持单程航点任务，不具备航线闭环往复自动巡检能力。现有无人艇普遍采用岸基预先配置航点序列的航行模式，无人艇依次遍历起点、途经点、终点航点后，一般在终点悬停或者结束任务。如需再次开展同一航线巡检，必须由操作人员远程重新下发航点任务，系统无法自主回到航线起点开展下一轮巡逻，难以实现无人干预条件下不间断循环巡线作业。

5、4、继电器执行机构控制流程缺少硬件状态回读校验以及独立硬件超时保护机制。现有无人艇下发继电器动作指令之后，主控默认指令执行成功，并不会读取继电器硬件寄存器的实际开关状态开展一致性比对校验。总线干扰、瞬时电气扰动可造成指令接收失败，软件目标状态和硬件实际工作状态不一致时无法被及时识别。同时部分控制系统未配置独立硬件看门狗超时切断链路，当主控程序卡死、喂狗信号中断，继电器可持续保持导通状态，易造成舵机、推进器长时间工作。

6、5、监控数据完全依赖无线网络上传云端，断网环境下本地无态势监控能力。当前多数无人艇将航行轨迹、设备工况、故障告警等运行数据，通过4g/5g无线通信链路传输至岸基云端平台进行展示。当无人艇驶入通信盲区、无线网络发生波动中断时，岸基监控终端无法获取无人艇实时航行状态、设备运行参数以及故障报警信息，航行态势监控链路发生中断。

7、综上所述，现有水面无人艇导航与远程监控技术存在艏向解算缺少几何约束、多传感器总线通信缺少时序防护、无法自主执行闭环往复巡检任务、继电器控制无硬件闭环校验与超时保护、断网工况无本地离线态势监控等技术局限，有必要开发一种集成首尾双gps-imu多模式航向融合、modbus总线帧级互斥采集、全自动循环巡线、继电器双态校验看门狗安全管控、本地离线日志与态势可视化的一体化水面无人艇多源融合导航远程监控系统，解决长时间离岸无人值守作业条件下导航稳定性、传感器采集可靠性、航行安全冗余、断网监控等工程问题。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有水面无人艇导航与远程监控技术存在的技术缺陷，提供水面无人艇多源融合导航与远程监控系统及方法。本发明能够解决现有方案船体艏向解算缺乏首尾点位几何约束、modbus总线多传感器轮询采集易发生报文冲突、无法自主完成航线闭环往复巡检、继电器控制指令缺少硬件状态闭环校验保护、无线网络中断后丧失本地离线态势监控能力的技术问题，实现长期离岸无人值守工况下双gps-imu多源航向融合导航、总线传感数据稳定采集、全自动循环巡迹航行、执行机构安全闭环管控以及在线-离线一体化航行态势监控。

2、根据本发明的第一方面，提供了水面无人艇多源融合导航与远程监控系统，包括：双gps冗余航向融合模块，用于接收并解析具有预设相对位置关系且分别安装于船首和船尾的第一定位接收机和第二定位接收机经各自独立通道传输的定位原始数据，以及接收并解析惯性测量单元imu的偏航角数据；对解析得到的定位测量数据执行主备切换消抖处理，并在第一定位接收机和第二定位接收机均失效时，输出预设航线的起点作为默认位置，且依据第一定位接收机和第二定位接收机的坐标差值解算船体艏向角，自适应选择航向输出源以输出定位信息和航向信息；modbus多传感器采集模块，用于在通信总线上对下挂外设通过帧级互斥锁执行帧级互斥访问、操作冷却、电压跳变过滤以及断线重连处理，输出传感采集信息；循环巡线导航模块，配置路径跟随算法，用于接收定位信息、航向信息及传感采集信息；在判定抵达航线终点时，将目标航点重置为航线的起点以执行循环循迹处理，输出舵机控制指令，并向继电器看门狗闭环控制模块输出继电器控制指令；继电器看门狗闭环控制模块，配置软硬件双态校验模型，用于对接收的继电器控制指令执行通道级下发与硬件状态回读校验，并在控制超时条件下强制切断继电器输出。

3、进一步的，所述航向输出源包括双gps坐标差计算航向模式、gps原始定位数据中的rmc航向模式、惯性测量单元imu偏航角航向模式以及gps与imu融合航向模式；所述双gps冗余航向融合模块依据预设航速阈值以及传感器信号健康状态完成模式切换；在无人艇实时航速大于预设航速阈值时选择rmc航向模式；在无人艇实时航速小于等于预设航速阈值或者无人艇处于静止状态时，自适应选择双gps坐标差计算航向模式；在双gps定位信号失效时切换至惯性测量单元imu偏航角航向模式；在gps定位信号有效并且imu测量数据可用时，切换至gps与imu融合航向模式。

4、进一步的，所述modbus多传感器采集模块对通信总线上挂载的下挂外设执行读写操作前，获取对应的帧级互斥锁，并依据预设超时条件判定锁获取状态；在执行继电器写操作并释放帧级互斥锁之后，进入预设时长的操作冷却阶段；处于预设时长的操作冷却阶段时，对下挂外设的读取操作返回前一帧缓存数据。

5、进一步的，所述modbus多传感器采集模块对动力电压通道执行电压跳变过滤处理，当相邻两次采样得到的电压差值大于预设电压阈值时，丢弃当前帧采样数据；在与下挂外设通信过程中，当连续未收到应答的次数达到预设重连阈值时，断开当前网络连接并执行重连。

6、进一步的，所述循环巡线导航模块所配置的路径跟随算法，依据预设前视距离从当前位置向前搜索确定预瞄航点；当无人艇与目标航点的平面距离小于预设抵达半径时，判定为抵达目标航点。

7、进一步的，所述循环巡线导航模块将解算得到的航向偏差角归一化至预设角度区间，并线性映射输出目标舵角；当航向偏差角处于预设微调区间内，输出脉冲宽度调制pwm信号完成舵角调节；当航向偏差角超出预设微调区间，则向继电器看门狗闭环控制模块输出继电器控制指令，经由继电器看门狗闭环控制模块控制转向继电器执行转向操作。

8、进一步的，所述软硬件双态校验模型包括由软件期望继电器输出状态构成的目标状态集合，以及由硬件寄存器回读得到的继电器真实状态构成的硬件确认状态集合；所述继电器控制指令为脉冲点动指令；所述继电器看门狗闭环控制模块接收到脉冲点动指令后启动硬件计时，若在预设延时周期内未收到系统状态维持信号，硬件计时到期后自动切断继电器输出。

9、进一步的，所述继电器看门狗闭环控制模块下发继电器控制指令后，依据预设回读时间延迟执行硬件状态回读，用以更新硬件确认状态集合；当目标状态集合与硬件确认状态集合不一致时，重试下发继电器控制指令；当供电电压小于预设电压低限时，延长回读时间；供电电压恢复后，经过预设稳定期时长，再恢复常规校验流程。

10、进一步的，还包括监控及日志存储模块；所述监控及日志存储模块依据预设采样频率通过本地数据库记录全状态快照；所述全状态快照包括定位信息、姿态信息、电压电流、继电器真实状态、系统报警码；所述监控及日志存储模块预存本地离线地图资源，配置网络状态检测功能；在网络断开时读取本地离线地图资源并展示航行态势数据，实现断网条件下的离线态势监控。

11、根据本发明的第二方面，提供了水面无人艇多源融合导航与远程监控方法，包括：通过双gps冗余航向融合模块接收并解析具有预设相对位置关系且分别安装于船首和船尾的第一定位接收机和第二定位接收机经各自独立通道传输的定位原始数据，以及接收并解析惯性测量单元imu的偏航角数据；对解析得到的定位测量数据执行主备切换消抖处理，并在第一定位接收机和第二定位接收机均失效时，输出预设航线的起点作为默认位置，且依据第一定位接收机和第二定位接收机的坐标差值解算船体艏向角，自适应选择航向输出源以输出定位信息和航向信息；通过modbus多传感器采集模块在通信总线上对下挂外设通过帧级互斥锁执行帧级互斥访问、操作冷却、电压跳变过滤以及断线重连处理，输出传感采集信息；通过循环巡线导航模块配置路径跟随算法，接收定位信息、航向信息及传感采集信息；在判定抵达航线终点时，将目标航点重置为航线的起点以执行循环循迹处理，输出舵机控制指令，并向继电器看门狗闭环控制模块输出继电器控制指令；通过继电器看门狗闭环控制模块配置软硬件双态校验模型，对接收的继电器控制指令执行通道级下发与硬件状态回读校验，并在控制超时条件下强制切断继电器输出。

12、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

13、1、提升无人艇全工况导航精度与环境抗干扰能力。本发明构建首尾固定几何约束的双gps搭配imu多源融合导航架构，利用船首、船尾接收机固定间距关系精准解算船体真实艏向角，弥补传统双gps无安装约束、航向解算逻辑不闭环的缺陷。系统依据航行速度、卫星信号质量及设备工作状态，自适应切换双gps坐标差航向、gps-rmc航向、imu偏航角航向、gps/imu融合航向四种工作模式，可适配高速航行、低速驻停、卫星信号遮挡、多路径干扰等复杂水域工况，有效规避定位漂移、航向跳变、数据中断问题，保障全场景导航输出的连续性与准确性。

14、2、规范modbus-rtu总线访问时序机制，提升多传感器长期采集稳定性。本发明针对modbus-rtu半双工总线通信特性，增设帧级互斥访问、设备操作冷却延时、电压跳变滤波、外设断线重连一体化防护机制，解决传统总线并发读写引发的报文冲突、应答异常、数据覆盖、采样失真及掉线无法自愈问题。通过标准化总线交互逻辑与电气数据过滤机制，实现多类传感外设、继电器设备的稳定数据交互与状态采集，为无人艇导航解算、态势监控、设备状态研判提供连续可靠的底层数据支撑。

15、3、实现无人艇自主闭环循环巡检，降低无人值守作业人工干预成本。本发明内置航点抵达判定与航点自动重置逻辑，无人艇完整遍历预设航线、抵达终点航点后，可自主将终点航点重置为航线起点，自动开启下一轮循迹巡检作业。无需人工远程重新配置航点任务、无需人工介入航线重启，可实现全天候、不间断、自动化水域往复巡线作业，有效提升常态化水域巡检作业的自动化水平与作业效率。

16、4、构建继电器硬件闭环校验与看门狗超时保护体系，提升设备控制安全冗余。本发明建立软硬件双态校验模型，对继电器控制指令实现下发执行、状态回读、异常重试的闭环校验流程，解决传统纯软件开环控制存在的指令执行不可核查、状态不一致无法识别的问题。同时搭载独立硬件看门狗超时切断机制，在程序卡死、线程阻塞、系统状态维持信号中断工况下，自动强制切断继电器输出，规避舵机持续偏航、推进器长通失控等安全风险，提升长期无人值守作业的安全性。

17、5、适配复杂供电波动工况，提升系统电气运行适配性。本发明增设电压自适应校验调控机制，可根据艇载供电电压实时状态动态调整硬件状态回读与校验时序。在蓄电池低压、电源波动等不稳定工况下自动延长校验间隔，规避电压扰动引发的误校验、误重试及设备震荡问题；供电电压恢复稳定后自动回归常规校验逻辑，适配水上复杂供电工况，提升系统全时段运行稳定性。

18、6、实现在线离线一体化态势监控，补齐断网工况监控短板。本发明搭建本地全维度数据快照存储与离线态势可视化系统，通过本地数据库实时存储无人艇定位信息、船体姿态、电气参数、设备状态及故障告警全量数据，预存本地离线地图资源。系统可自动识别无线网络连通状态，在网络正常时完成云端态势上传，在信号盲区、网络波动断网工况下，依托本地数据实现航行态势自主渲染与状态监控，解决传统无人艇断网失联、态势空白的技术问题，大幅提升系统运行鲁棒性。

19、7、采用模块化集成架构，设备改造适配性与工程推广性强。本发明各功能模块独立运行、数据互通、逻辑闭环，整体架构层级清晰、数据流向规范。整套系统可兼容改造各类中小型水面无人艇现有软硬件架构，无需大规模更换艇载硬件设备，可快速适配航道巡检、水质监测、水文测绘等多类无人值守水域作业场景，部署成本低、适配范围广，具备较高的工程落地价值与产业化推广价值。