一种基于船舶运动预测的船舶安全辅助驾驶系统的制作方法

本发明属于内河航道船舶辅助驾驶领域，具体涉及一种基于船舶运动预测的船舶安全辅助驾驶系统。

背景技术：

内河航道相较于宽阔的深远海水域，具有航道弯曲、水面狭窄、水流变化剧烈、船舶间距小等特点，增加了船舶在复杂环境中航行的复杂性，驾驶员必须具有丰富的驾驶经验，根据不同的情况及时操舵和调整航速。在船舶进出港时，由于船舶数量增加、水域狭窄、限制约束多，对驾驶员的操作要求更高。由于船舶操纵和通航环境的复杂性，导致船舶航行存在巨大航行风险，易造成巨大的社会和经济损失。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于船舶运动预测的船舶安全辅助驾驶系统，提高船舶航行和港口靠离泊中的安全性。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于船舶运动预测的船舶安全辅助驾驶系统，其特征在于：它包括船舶运动数据采集系统、环境感知采集系统、船舶运动预测计算单元、船舶运动轨迹助航显示系统和船舶安全辅助决策系统；其中，

所述的船舶运动数据采集系统，用于实时采集本船运动姿态数据，本船运动姿态数据包括在航行过程中的位置、航速、加速度、方位角、航向角、航向角速度、航向角加速度、螺旋桨转速和舵角；

所述的环境感知采集系统，用于采集本船的航行环境信息，本船的航行环境信息包括所处环境的水文气象信息以及本船周围水域环境与他船在航情况；

所述的船舶运动预测计算单元，用于根据本船运动姿态数据，实时计算并预测船舶未来一段时间内的运动态势，生成船舶运动预测线；并可依据船舶所需的艏向和速度的调整量，计算所需的舵角和螺旋桨转速；

所述的船舶运动轨迹助航显示系统，用于重构环境感知采集系统采集的航行环境信息，并将船舶运动预测线进行重叠和显示；

所述的船舶安全辅助决策系统，基于周围环境与运动预测就船舶安全指标参数做出计算和预估，提供安全预警和操作建议。

按上述方案，所述的船舶运动数据采集系统包括惯性测量模块imu、定位装置、转速传感器和角度传感器；通过惯性测量模块imu测量船舶实时的速度和加速度；通过定位装置进行船舶实时定位和测量航向角；通过转速传感器测量螺旋桨的转速；通过角度传感器测量舵角。

按上述方案，所述的环境感知采集系统包括安装在船舶罗经甲板上的气象站、计程仪、摄像头、固态雷达、ais和激光雷达。

按上述方案，所述的船舶运动预测计算单元具体通过应用船舶操纵性相关的经验回归公式和计算流体力学方法，对船舶的运动轨迹进行预测。

按上述方案，所述的船舶安全辅助决策系统由所述环境感知采集系统提供周围水域通航环境信息，以船舶运动数据采集系统提供的本船运动姿态数据作为船舶运动预测计算单元输入给出的运动预测线，基于船舶最小会遇时间tcpa和最小会遇距离dcpa实时评估本船与周围船舶碰撞风险，给出船舶应采取的避碰策略及相应的艏向和速度的调整量，并作为反向输入输入船舶运动预测计算单元，给出船舶应执行的螺旋桨转速和舵角，向驾驶员提供合理的建议。

本发明的有益效果为：本发明基于船舶运动预测和动态场景捕捉，在驾驶室的助航显示器上显示出船舶的运动预测线，辅助驾驶员做出操纵决策，提高船舶航行和港口靠离泊中的安全性。

附图说明

图1为本发明一实施例的工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于船舶运动预测的船舶安全辅助驾驶系统，如图1所示，它包括船舶运动数据采集系统、环境感知采集系统、船舶运动预测计算单元、船舶运动轨迹助航显示系统和船舶安全辅助决策系统。

所述的船舶运动数据采集系统，用于实时采集本船运动姿态数据，本船运动姿态数据包括在航行过程中的位置、航速、加速度、方位角、航向角、航向角速度、航向角加速度、螺旋桨转速和舵角。船舶运动数据采集系统包括惯性测量模块imu、定位装置、转速传感器和角度传感器；通过惯性测量模块imu测量船舶实时的速度和加速度；通过定位装置进行船舶实时定位和测量航向角；通过转速传感器测量螺旋桨的转速；通过角度传感器测量舵角。定位装置可以是gps或北斗等。

所述的环境感知采集系统，用于采集本船的航行环境信息，本船的航行环境信息包括所处环境的水文气象信息以及本船周围水域环境与他船在航情况。环境感知采集系统包括安装在船舶罗经甲板上的气象站、计程仪、摄像头、固态雷达、ais和激光雷达，可以根据要求在指定角度内水平和垂直旋转，满足航行时的环境捕捉要求。

所述的船舶运动预测计算单元，用于根据本船运动姿态数据，实时计算并预测船舶未来一段时间内的运动姿态，包括轨迹、线（加）速度、角（加）速度，生成船舶运动预测线；并依据船舶所需的艏向和速度的调整量，计算所需的舵角和螺旋桨转速等操作参量。

所述的船舶运动轨迹助航显示系统，用于重构环境感知采集系统采集的航行环境信息，并将船舶运动预测线进行重叠和显示。

所述的船舶安全辅助决策系统，基于周围环境与运动预测就船舶安全指标参数做出计算和预估，提供安全预警和操作建议。具体的，船舶安全辅助决策系统由所述环境感知采集系统提供周围水域通航环境信息，以船舶运动数据采集系统提供的本船运动姿态数据作为船舶运动预测计算单元输入给出的运动预测线，基于船舶最小会遇时间tcpa和最小会遇距离dcpa实时评估本船与周围船舶碰撞风险，给出船舶应采取的避碰策略及相应的艏向和速度的调整量，并作为反向输入输入船舶运动预测计算单元，给出船舶应执行的螺旋桨转速和舵角，向驾驶员提供合理的建议。

当船舶航行或者港口靠离泊过程当中，驾驶员可以打开该系统，船舶运动数据采集系统便开始采集船舶航行时的位置、航速、加速度、方位角、航向角、航向角速度、航向角加速度、螺旋桨转速、舵角等航行参数。同时，环境感知采集系统工作，将实时采集的船舶周围水域内的气象、水文、通航信息传输给船舶运动轨迹助航显示系统。船舶运动预测计算单元接收到船舶运动数据采集系统采集的数据，进行船舶运动轨迹预测，生成船舶运动预测线，传输给船舶运动轨迹助航显示系统。船舶运动轨迹助航显示系统一方面对环境感知采集系统采集的周围环境信息进行重构，另一方面将船舶运动预测线重叠显示在重构后的场景中，供驾驶员参考。船舶安全辅助驾驶系统根据船舶运动轨迹助航显示系统中运动预测线和其他船只或者障碍物的位置关系，基于tcpa、dcpa等指标参数做出安全风险评估，结合船舶运动数据采集系统的船舶航行数据，向驾驶员反馈航行调整意见。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明提供一种基于船舶运动预测的船舶安全辅助驾驶系统，船舶运动数据采集系统实时采集本船运动姿态数据；环境感知采集系统采集本船的航行环境信息；船舶运动预测计算单元根据本船运动姿态数据，实时计算并预测船舶未来一段时间内的运动轨迹，生成船舶运动预测线；船舶运动轨迹助航显示系统重构环境感知采集系统采集的航行环境信息，并将船舶运动预测线进行重叠和显示；船舶安全辅助决策系统，基于周围环境与运动预测就船舶安全指标参数做出计算和预估，提供安全预警和操作建议。本发明基于船舶运动预测和动态场景捕捉，在驾驶室的助航显示器上显示出船舶的运动预测线，辅助驾驶员做出操纵决策，提高船舶航行和港口靠离泊中的安全性。

技术研发人员：刘佳仑;马枫;严新平
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2019.07.29
技术公布日：2019.10.15