一种无人艇控制系统的制作方法

1.本实用新型涉及无人艇领域，尤其涉及一种无人艇控制系统。


背景技术：

2.无人水面艇技术研究与开发近几年得到不断的发展，而无人艇控制系统的集成构建是进行硬件体系和软件体系设计、运动控制算法开发的基础和前提。目前对无人艇的研究目前主要集中在自主航行、自动避障等某一方面技术的研究上，对无人艇远程控制及自主航行控制的运动控制系统组成和各子系统之间逻辑关系的集成设计研究较少。
3.新型先进的无人艇，需具备执行多任务和使命要求，要求在复杂海况环境下需具备自主导航、环境感知、自主航行、自主决策避障等先进技术能力。而目前的无人艇的运用主要用于内河、湖泊执行水质监测、水文气象探测，海上应急搜救等功能，由于无人艇的设备配置不高，无人艇控制系统的结构相对简单，导致功能单一。
4.综上所述，现有技术中的无人艇设备配置不高，控制系统结构简单，导致无人艇存在着功能单一的技术问题。


技术实现要素：

5.针对现存的上述技术问题，本实用新型提供了一种无人艇控制系统，本实用新型提供的无人艇控制系统所包含的模块多样，使得无人艇能够实现多样化的功能。
6.为了解决上述技术问题，本实用新型在第一方面提供了一种无人艇控制系统，包括岸基控制模块以及安装在无人艇上的无人艇系统，所述无人艇系统包括计算机模块、信息采集模块、通信模块、动力推进模块以及任务模块；所述信息采集模块、所述动力推进模块以及所述任务模块分别与所述计算机模块相连接，所述通信模块分别与所述计算机模块以及所述岸基控制模块无线连接。
7.优选的，所述信息采集模块包括导航模块、环境感知模块以及传感器模块，所述导航模块、环境感知模块以及传感器模块分别与所述计算机模块相连接。
8.优选的，所述导航模块包括惯性导航单元、gnss卫星定位导航单元、卡尔曼滤波器、ais设备、多普勒计程仪以及回声测深仪，所述惯性导航单元的输出端与卡尔曼滤波器的第一输入端相连接，所述gnss卫星定位导航单元的输出端与卡尔曼滤波器的第二输入端相连接，所述卡尔曼滤波器的输出端、ais设备的输出端、所述多普勒计程仪的输出端以及所述回声测深仪的输出端分别与计算机模块的输入端相连接。
9.优选的，所述环境感知模块包括arpa雷达、光电视觉传感器以及全景监控设备，所述arpa雷达的输入端、所述光电视觉传感器的输入端以及所述全景监控设备输入端分别与所述计算机模块相连接。
10.优选的，所述传感器模块包括气象仪、漏水检测传感器以及火灾探测器，所述气象仪的输出端、漏水检测传感器的输出端以及所述火灾探测器的输出端分别与所述计算机模块的输入端相连接。
11.优选的，所述通信模块包括无线宽带单元、北斗短报文通信单元以及铱星通信单元。
12.优选的，所述动力推进模块包括航速航向控制单元，所述航速航向控制单元包括微处理器、柴油机、柴油机控制器、喷水推进器、喷泵控制器，所述微处理器的输入端与所述计算机模块的输出端相连接，所述微处理器的输出端分别与所述柴油机控制器的输入端以及所述喷泵控制器的输入端相连接，所述柴油机控制器的输出端与所述柴油机相连接，所述喷泵控制器的输出端与所述喷水推进器相连接。
13.优选的，所述动力推进模块还包括供电单元，所述供电单元与所述无人艇系统相连接。
14.优选的，所述任务模块包括侦察模块、水文气象探测模块以及海上搜救模块。
15.优选的，所述岸基控制模块包括信息综合监控系统、电子海图系统、雷达显示系统和视频监控系统。
16.相比于现有技术，本实用新型实施例具有如下有益效果：
17.本实用新型实施例通过设置岸基控制模块以及在无人艇上设置无人艇系统，无人艇系统包括自动驾驶模块、信息采集模块、通信模块、动力推进模块以及任务模块；所述信息采集模块、所述动力推进模块以及所述任务模块分别与所述计算机模块相连接，所述通信模块分别与所述计算机模块以及所述岸基控制模块无线连接。本实用新型实施例的无人艇控制系统通过各个模块之间的相互配合，使得无人艇控制系统能够满足执行多任务和使命的要求，解决了现有技术中无人艇功能单一的技术问题。
附图说明
18.下文将结合说明书附图对本实用新型进行进一步的描述说明，其中：
19.图1：为本实用新型实施例提供的一种无人艇控制系统的结构示意图。
20.图2：为本实用新型实施例提供的一种无人艇控制系统的结构示意图。
21.图3：为本实用新型实施例提供的一种无人艇控制系统的无人艇结构示意图。
22.图4：为本实用新型实施例提供的卡尔曼滤波器的工作原理图。
23.图5：为本实用新型实施例提供的通信模块的拓扑结构图。
24.图6:为本实用新型实施例提供的岸基控制模块的结构示意图。
25.附图标记如下：
26.岸基控制模块1、无人艇系统2、计算机模块3、环境感知模块4、导航模块5、通信模块6、传感器模块7、动力推进模块8、任务模块9、惯性导航单元10、gnss卫星定位导航单元11、照明设备12、ais设备13、多普勒计程仪14、回声测深仪15、arpa雷达16、光电视觉传感器17、全景监控单元18、无线宽带单元19、北斗短报文通信单元20、铱星通信单元21、气象仪22、漏水检测传感器23、火灾探测器24、航速航向控制单元25、供电单元26、微处理器27、柴油机28、柴油机控制器29、喷水推进器30、喷泵控制器31、柴油发电机组32、直流母排配电板33、浮充式充放电板34及蓄电池组35、信息综合监控系统36、电子海图系统37、雷达显示系统38、视频监控系统39、岸基无线带宽设备40、岸基交换机41、艇端无线带宽设备42、艇端交换43、岸基铱星卫星设备44、艇端铱星卫星设备45、岸基北斗显控单元46、岸基北斗接收机47、岸基以太网路由器48、艇端北斗显控单元49、艇端北斗接收机50、艇端以太网路由器51。
具体实施方式
27.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.如图1、图2所示，本实用新型提供了一种无人艇控制系统，包括岸基控制模块1以及安装在无人艇上的无人艇系统2，其中无人艇的结构如图3所示，无人艇系统2包括计算机模块3、环境感知模块4、导航模块5、通信模块6、传感器模块7、动力推进模块8以及任务模块9，环境感知模块4、导航模块5、传感器模块7、动力推进模块8以及任务模块9分别与计算机模块3相连接，通信模块6分别与计算机模块3以及岸基控制模块1无线连接。
29.导航模块5包括惯性导航单元10、gnss卫星定位导航单元11、卡尔曼滤波器、ais设备13、多普勒计程仪14以及回声测深仪15，惯性导航单元10的输出端与卡尔曼滤波器的第一输入端相连接，gnss卫星定位导航单元11的输出端与卡尔曼滤波器的第二输入端相连接，卡尔曼滤波器的输出端、ais设备13的输出端、多普勒计程仪14的输出端以及回声测深仪15的输出端分别与计算机模块3的输入端相连接。
30.由于gps信号更新频率低，信号传输过程存在折射与反射造成信号传播时间误差，导致定位误差加大。而惯性导航单元10(imu)主要由三个轴加速度传感器以及三个轴的陀螺仪组成，作为高频传感器，可以在短时间内实时提供物体在三维空间内的位移信息，但随着时间推移及温度变化等，惯性导航单元10也存在误差累积加大问题。
31.因此，本实施例基于惯性导航单元10与gnss卫星定位导航单元11各自的优缺点，采用惯性导航单元10和卫星定位终端gnss组合导航方式，以惯性导航单元10为主体，采用卡尔曼滤波器实现位移信息与gnss定位信息的融合得到融合定位信息，从而获取精确的导航定位信息及姿态航向信息。
32.卡尔曼滤波器可以从一组有限的、包含噪声的物体位置的观察序列预测出物体的位置坐标及速度。它具有很强的鲁棒性，即使对物体位置的观测有误差，根据物体历史状态与当前对位置的观测，也可以较准确地推算出物体的位置。卡尔曼滤波器运行时主要分两个阶段：预测阶段基于上个时间点的位置信息去预测当前的位置信息；更新阶段通过当前对物体位置的观测去纠正位置预测，从而更新物体位置信息。如图4所示，在得到新的gnss定位信息前，只能通过积分惯性传感器的数据在上一次位置估算的基础上，使用惯性导航单元10对当前的位置进行实时预测。但惯性导航单元10(imu)的定位误差会随着运行时间增长，所以当接收到新的比较精准的gnss定位信息时，使用精准的gnss定位信息对当前的位置预测进行更新。通过不断地执行这两个步骤，取两者所长，对无人艇进行准确实时定位。假设惯性导航单元10的频率是1khz，而gnss卫星定位导航单元11的频率是10hz，那么每两次gps更新之间，使用100个惯性导航单元10的数据点进行位置预测。
33.多普勒计程仪14用于获取无人艇的仪获取无人艇速度和航程信息。
34.回声测深仪15用于获取水深信息，并提供浅水报警信息。
35.ais设备13用于获取无人艇周围船舶的身份信息及航行状态信息。
36.导航模块5将采集到的信息发送至计算机模块3，计算机模块3通过通信模块6将导航模块5的采集到的信息发送至岸基控制模块1中进行监控，为无人艇提供精确的导航定位
信息、航速信息、姿态航向信息等。
37.环境感知模块4包括arpa雷达16、光电视觉传感器17以及全景监控设备，arpa雷达16的输入端、光电视觉传感器17的输入端以及全景监控设备输入端分别与计算机模块3相连接。
38.arpa雷达16是传统船舶30海里内远距离探测的主要工具，用于采集无人艇周围的障碍物雷达位置信息，能够提供全天候、全域的图像，具有高分辨率和精确度。主要提供目标的雷达图像视频信息，目标的运动态势分析数据，目标与无人艇即将相遇目标距离、时间等信息。缺陷是对快速回转目标准确度受一定影响，对小型动态目标探测能力有限。对于无人艇而言，由于arpa雷达16安装高度较低，一般距水面2米，对7米小型无人艇的发现距离一般在3海里左右。如两艘无人艇以30节的速度相向而行，从发现到目标相遇的时间只有3分钟。如果海况恶劣，浪高大，海杂波影响显著，探测距离将进一步降低。
39.光电视觉传感器17用于生成无人艇周围障碍物的纵深视图，光电视觉传感器17采用红外热成像和可见光全景成像融合技术，生成无人艇前方和周边障碍物的纵深视图。光电视觉传感器17在低角情景下，不受镜面效应或天线扫掠的影响，能够很好地解决低角度跟踪问题。和arpa雷达16相比，光电视觉传感器17能够较好地对付慢速运动目标、反射截面积小的目标和雾、霾、雨、雪杂波环境中的目标。
40.全景监控单元18用于生成无人艇周围的视频图像信息；全景监控单元18提供实时高分辨、宽广监测范围的视频图像信息，为无人艇远程遥控、监测及有人驾驶提供周围视频图像信息。
41.环境感知模块4将采集到的信息发送至计算机模块3，计算机模块3再通过通信模块6将环境感知模块4采集到的信息发送至岸基控制模块1中进行监控，由于无人艇在自主航行过程要实现自动避障的前提是具备对周围环境目标障碍的感知和识别能力，因此设置环境感知模块4，为自主航行和自主避障决策管理提供依据。
42.通信模块6用于通过无线方式实现无人艇系统2和岸基控制模块1的之间的数据传输。通信模块6包括无线宽带单元19、北斗短报文通信单元20以及铱星通信单元21。如图5所示，无线宽带单元19包括岸基无线带宽设备40、岸基交换机41、艇端无线带宽设备42以及艇端交换机43，岸基无线带宽设备40与艇端无线带宽设备42之间通过有线网络相连接，岸基无线带宽设备40与岸基交换机41之间通过有线网络相连接，艇端无线带宽设备42与艇端交换机43之间通过有线网络相连接，岸基交换与岸基控制模块1通过有线网络相连接，艇端交换机43与自动驾驶模块之间通过有线网络相连接。铱星通信单元21包括岸基铱星卫星设备44以及艇端铱星卫星设备45，岸基铱星卫星设备44与岸基控制模块1相连接，艇端铱星卫星设备45与岸基控制模块1相连接。北斗短报文通信单元20包括岸基北斗显控单元46、岸基北斗接收机47、岸基以太网路由器48、艇端北斗显控单元49、艇端北斗接收机50以及艇端以太网路由器51，岸基以太网路由器48分别与岸基北斗显控单元46以及岸基北斗接收机47相连接，艇端以太网路由器51分别与艇端北斗显控单元49以及艇端北斗接收机50相连接。
43.通信模块6作为无人艇系统2与岸基控制站实现远程监测及遥控的关键桥梁，可靠的通信范围就是无人艇系统2执行各种任务的最大范围，为满足无人艇近岸及远海的无线通信要求，采用无线宽带网络、北斗短报文通信与铱星低速网络组合方式，实现岸基与无人艇的实时无线通信。
44.近岸时，借助岸基控制模块1和无人艇架设的天线，通过无线宽带网络实现与无人艇通信，用于无人艇预置使命和数据下载。远海时，利用北斗短报文与岸基控制系统实现通信；此外，利用铱星卫星建立低速网络，通过岸基控制系统实现基本的控制指令远程收发。
45.传感器模块7用于采集无人艇的环境信息，将环境信息发送至计算机模块3中；传感器模块7是无人艇的环境信息采集的重要手段，通过采集无人艇的环境信息为无人艇的故障检测、应急处理以及安全航行提供保障支持。
46.传感器模块7包括气象仪22、漏水检测传感器23以及火灾探测器24，气象仪22的输出端、漏水检测传感器23的输出端以及火灾探测器24的输出端分别与计算机模块3的输入端相连接。气象仪22用于采集无人艇航行环境风向、风速、气压等外部环境信息；漏水检测传感器23用于监测重点区域如机舱、推进器舱漏水信息；火灾探测器24用于监测关键部位烟雾火灾情况。上述传感器通过串口或总线方式将采集信息传递给计算机模块3，计算机模块3通过无线宽带网络或卫星通信以太网技术将外部环境信息以及内部环境信息给岸基控制模块1从而进行远程监控，为故障检测及应急处理、安全航行提供保障支持。
47.动力推进模块8包括航速航向控制单元25以及供电单元26。
48.动力推进模块8包括航速航向控制单元25，航速航向控制单元25包括微处理器27、柴油机28、柴油机控制器29、喷水推进器30、喷泵控制器31，微处理器27的输入端与计算机模块3的输出端相连接，微处理器27的输出端分别与柴油机控制器29的输入端以及喷泵控制器31的输入端相连接，柴油机控制器29的输出端与柴油机28相连接，喷泵控制器31的输出端与喷水推进器30相连接。柴油机28通过岸基控制模块1从而实现远程启动及远程遥控功能，岸基控制模块1通过卫星通信网络系统发送控制指令至计算机模块3，通过串口通讯方式将控制命令传递给微处理器27，由微处理器27向柴油机控制器29、喷水泵控制器分别发送控制信号给柴油机28以及喷水推进器30，控制柴油机28油门开度及喷水推进器30的喷口转向，实现无人艇的航速以及航向调节。同时微处理器将采集到的柴油机28油门开度、喷口开度方向、航速等信息通过串口传递给计算机模块3，计算机模块3通过卫星通信以太网技术将采集到的设备状态实时信息传递给岸基控制模块1用于监测显示及远程遥控。
49.供电单元26与无人艇系统2相连接。供电单元26用于为无人艇系统2进行供电，供电单元26包括柴油发电机组32、直流母排配电板33、浮充式充放电板34及蓄电池组35，由于无人艇上的电子设备如导航模块5及通信模块6因在发电系统短时故障仍需继续保证工作状态，所以供电单元26采用浮充式充放电板34，保证无人艇在失电情况下重要电子设备的可靠安全运行，直流母排配电板33同时用于无人艇上其他设备如照明设备12的供电。
50.任务模块9用于根据任务指令执行相应的作业；无人艇控制系统采用模块化设计方式，任务模块9通过搭载不同功能作业模块，保证无人艇在各种复杂环境下执行侦察、水文气象探测、海上搜救等任务。
51.任务模块9包括侦察模块、水文气象探测模块以及海上搜救模块；
52.侦察模块用于执行侦察作业；
53.水文气象探测模块用于执行水文气象探测作业，例如在船底下搭载水文测量仪器和设备，实现水文气象探测任务。
54.海上搜救模块用于执行海上搜救作业。
55.岸基控制模块1包括信息综合监控系统36、电子海图系统37、雷达显示系统38和视
频监控系统39。
56.在本实施例中，如图6所示，岸基控制模块1包括信息综合监控系统36、电子海图系统37、雷达显示系统38和视频监控系统39。岸基控制模块1通过无线宽带网络技术及卫星通信技术，可发送控制命令至计算机模块3中。
57.工作人员通过电子海图系统37设定及加载自主航行路径后，通过通信模块6发送控制指令至计算机模块3，计算机模块3通过无线网络串口或卫星通信以太网技术接收岸基控制模块1发送的控制指令，通过串口通讯方式将控制指令传递给控制单元实现对喷水推进器30航速、航向控制，以及实现对柴油发电机组32远程启停控制等功能，同时在行进的过程中，计算机模块3通过总线或串口通讯方式实时采集无人通过艇上各个模块及传感器状态信息，通过无线网络串口或卫星通信以太网技术传递给岸基控制模块1，在信息综合监控系统36、雷达显示系统38以及视频监控系统39中进行远程信息显示及监控。
58.在应急情况下，可发送控制指令给自动驾驶控制计算机，并通过微处理器27传递油门开度、喷口方向指令给柴油机控制器29及喷泵控制器31，结合信息综合监控系统36、电子海图显示系统以及视频显示系统实现有人驾驶操作。
59.以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。