一种无人驾驶船舶自主起锚控制方法与流程

本发明涉及无人驾驶船舶技术领域，尤其涉及一种无人驾驶船舶自主起锚控制方法。

背景技术：

无人驾驶船舶起锚是指船舶能够自主进行单锚泊、双锚泊等起锚操作的控制方法。无人驾驶船舶起锚要求在条件满足的情况下，无人船可以自主控制锚机、车、自动舵等设备，完成起锚操作，同时要求控制船舶保持稳定。目前，现有船舶的起锚系统只是通过锚机控制器进行起锚操作，而忽视了起锚过程中风力转船力矩、水动力转船力矩以及舵转船力矩对船舶的综合作用，同时对锚泊环境的判断也大多数依靠于船员的驾驶经验，易产生船舶不稳、甚至失控的后果。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题，提供一种无人驾驶船舶自主起锚控制方法，实现无人驾驶船舶在锚泊状态下的自主起锚，并保证船身在起锚过程中的稳定。

本发明提供的技术方案是，一种无人驾驶船舶自主起锚控制方法，包括以下步骤：

起锚条件判断步骤：根据锚地锚泊信息数据和船舶自身锚泊信息数据，判断当前外部环境和船舶自身运行情况是否符合起锚条件，若是，执行起锚执行步骤；否则，执行异常情况处理步骤；

起锚执行步骤：根据舵力信息、风力信息、水流信息、船舶艏向信息及锚链信息控制船舶和锚机的运动；

起锚监控步骤：实时监控起锚条件判断步骤和起锚执行步骤的工作状态，若出现异常情况，执行异常情况处理步骤；

异常情况处理步骤：自主定位异常情况，输出并执行异常解决方案；当异常情况超出自主解决能力范围时，向岸基发送警报，并等待岸基反馈指令；

岸基指令执行步骤：根据岸基遥控操纵的指令对船舶的各个系统进行操控。

进一步的，单锚泊时，所述起锚执行步骤包括：

s7、判断船姿是否需要调整，若是，执行s8；否则，执行s9；

s8：船姿调整；

s9、锚机绞锚；

s10、冲洗锚链污泥；

s11、调整船舶艏向和风舷角；

s12、判断当前环境是否风大、流急，若是，执行s13；否则，执行s15；

s13、调整船舶主机转速，船舶进车；

s14、判断锚链是否达到松弛状态，若是，执行s15；否则，执行s13；

s15、判断锚链是否横越船首，若是，执行s16；否则，执行s17；

s16、调整船舶主机转速，配合自动舵，将船逐渐领直；

s17、实时监控锚链长度，锚机根据锚链长度控制绞锚；

s18、判断锚链在海底的长度是否小于设定值，若是，执行s19；否则，执行s17；

s19、判断船舶艏向是否需要调整，若是，执行s20；否则，执行s21；

s20、停止起锚，利用船舵调整好船舶艏向；

s21、判断锚是否离底，若是，执行s22；否则，执行s17；

s22、判断船舶艏向是否控制不当、船舶失控，若是，执行异常情况处理步骤；否则，执行s23；

s23、降下锚球或关闭锚灯；

s24、实时监控锚链长度，锚机根据锚链长度控制绞锚；

s25、判断起锚是否成功，若是，执行s26；否则，执行异常情况处理步骤；

s26、完成后续起锚结尾工作；

s27、判断起锚工作是否完成，若是，执行s28；否则，执行异常情况处理步骤。

进一步的，双锚泊时，所述起锚执行步骤包括：

s7、判断船姿是否需要调整，若是，执行s8；否则，执行s9；

s8、船姿调整；

s9、锚机同时对两锚进行绞锚；

s10、冲洗锚链污泥；

s11、调整船舶艏向和风舷角；

s12、判断当前环境是否风大、流急，若是，执行s13；否则，执行s15；

s13、调整船舶主机转速，船舶进车；

s14、判断锚链是否达到松弛状态，若是，执行s15；否则，执行s13；

s15、判断锚链是否横越船首，若是，执行s16；否则，执行sa

s16、调整船舶主机转速，配合自动舵，将船逐渐领直；

sa、锚机绞锚，同时系统实时监测剩余的锚链长度，当剩余的锚链长度为2-3节时，停止绞锚；

sb1、选择左锚继续绞锚，右锚暂时不动；

sb2、判断左锚是否正常：若是，执行异常情况处理步骤；否则，执行sb3；

sb3、左锚绞锚结束后，锚机对右锚进行绞锚；

s17、实时监控锚链长度，锚机根据锚链长度控制绞锚；

s19、判断船舶艏向是否需要调整，若是，执行s20；否则，执行s21；

s20、停止起锚，利用船舵调整好船舶艏向；

s21、判断锚是否离底，若是，执行s22；否则，执行s17；

s22、判断船舶艏向是否控制不当、船舶失控，若是，执行异常情况处理步骤；否则，执行s23；

s23、降下锚球或关闭锚灯；

s24、实时监控锚链长度，锚机根据锚链长度控制绞锚；

s25、判断起锚是否成功，若是，执行s26；否则，执行异常情况处理步骤；

s26、完成后续起锚结尾工作；

s27、判断起锚工作是否完成，若是，执行s28；否则，执行异常情况处理步骤。

进一步的，s11包括根据舵力信息、风力信息、水流信息及船舶艏向信息控制船舶的运动，使船舶艏向迎风、且舵力转船力矩大于风力转船力矩。

进一步的，s11包括根据舵力信息、风力信息、水流信息及船舶艏向信息控制船舶的运动，当风级小于或等于三级时，控制船舶使风舷角小于80°、当风级大于三级时，控制船舶使风舷角小于10°。

进一步的，s14包括根据锚链拉力信息判断此时锚链的松弛状态。

进一步的，s21包括根据锚机负荷信息判断此时锚是否离底。

进一步的，通过转速传感器获取舵力信息，通过风速风向仪获取风力信息，通过磁罗经获取船舶艏向信息，通过电子海图获取水流信息。

进一步的，通过拉力传感器获取锚链拉力信息。

进一步的，通过负荷测量仪获取锚机负荷信息。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

本发明提出一种无人驾驶船舶自主起锚控制方法，起锚条件判断步骤、起锚执行步骤、起锚监控步骤、异常情况处理步骤及岸基指令执行步骤。其中，起锚执行步骤根据舵力信息、风力信息、水流信息、船舶艏向信息及锚链信息控制船舶和锚机的运动。本发明通过对船舶自身状态及周围环境的实时监控，能够自主地实时调整船姿并控制起锚操作，保障了无人船在起锚过程中的稳定控制。并且，整个起锚过程无需人为干预，实现真正意义上的自动化起锚作业，大大提高了起锚效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例无人驾驶船舶起锚指令操控系统的结构框图；

图2为本发明实施例无人驾驶船舶为单锚时的起锚控制方法流程图；

图3为本发明实施例无人驾驶船舶为双锚时的起锚控制方法流程图。

其中，01-锚泊状态感知模块，02-锚泊状态认知模块，03-起锚控制模块，04-实时监控模块，05-异常情况处理模块，06-岸基指令响应模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明公开一种无人驾驶船舶起锚指令操控系统，参照图1，包括锚泊状态感知模块01、锚泊状态认知模块02、起锚控制模块03及实时监控模块04。锚泊状态感知模块01采集和接收岸基、船载设备的锚泊数据、并上传至锚泊状态认知模块02；锚泊状态认知模块02对锚泊数据进行分析、判断是否满足起锚条件、并将锚泊数据分析结果反馈至起锚控制模块03；起锚控制模块03根据接收到的锚泊数据分析结果控制船舶及锚机的运动；实时监控模块04实时监控锚泊状态感知模块01、锚泊状态认知模块02及起锚控制模块03的工作状态。该起锚指令操控系统还包括异常情况处理模块05，用于接收实时监控模块04监控到的异常数据、并进行分析处理。还包括岸基指令响应模块06，用于接收、执行岸基发送的指令。

具体而言，该起锚指令操控系统与船舶自身已有的集成控制平台信号连接，相当于拓展了现有船舶的起锚控制功能，适用性强。

锚泊状态感知模块01包括岸基指令交互子模块和船载设备锚泊数据采集子模块。岸基指令交互子模块接收岸基发送的锚泊数据，船载设备锚泊数据采集子模块采集船载设备的锚泊数据。岸基发送的锚泊数据包括通过图像装置采集的锚泊环境信息、附近海域的天气海况、该海域法律法规等。船载设备的锚泊数据包括通过船舶上的各种传感器采集的信息，包括：转速传感器采集舵力信息及锚机的主机转速信息、风速风向仪采集风力信息、电子海图采集水流信息、磁罗经采集船舶艏向信息、拉力传感器采集锚链拉力信息、负荷测量仪采集锚机负荷等信息。

锚泊状态感知模块01将采集、接收到的上述有关环境和船舶自身的锚泊数据信息上传至锚泊状态认知模块02，锚泊状态认知模块02对这些锚泊数据进行分析，确定此时的环境及船舶自身情况是否满足起锚条件。若满足起锚条件，起锚指令操控系统则进行后续的起锚作业，若不满足起锚条件，则锚泊状态认知模块02将异常信息传递给异常情况处理模块05，异常情况处理模块05对异常信息进行分析处理。

其中，异常情况处理模块05包括自主视情维护子模块和岸基警报发送子模块，当异常情况处理模块05根据接收到的异常数据自主定位异常起源，则自主视情维护子模块对异常情况进行处理；若异常情况超出船舶的自主解决能力范围，则岸基警报发送子模块向岸基发送警报、并等待岸基反馈指令。

锚泊状态认知模块02将对锚泊数据的分析结果反馈至起锚控制模块03，起锚控制模块03根据锚泊数据分析结果实时调整船舶和锚机的运动。在起锚过程中，锚泊状态感知模块01和锚泊状态认知模块02仍会实时采集、接收、分析锚泊数据，为起锚控制模块03实时提供起锚泊状态信息，以使起锚控制模块03能够准确、有效地控制船舶运动和锚机的运动，使船舶在起锚过程中维持稳定、避免船舶失控。

本发明基于上述起锚指令操控系统，还公开一种自主起锚控制方法，包括以下步骤：

起锚条件判断步骤：锚泊状态认知模块02根据接收到的由锚泊状态感知模块01上传的锚泊数据，判断当前环境是否符合起锚条件，若符合起锚条件，则将锚泊数据上传至起锚控制模块03，若不符合起锚条件，则将锚泊数据反馈至异常情况处理模块05；

起锚执行步骤：起锚控制模块03根据锚泊数据控制船舶及锚机的运动；

起锚监控步骤：实时监控模块04实时监控锚泊状态感知模块01、锚泊状态认知模块02及起锚控制模块03的工作状态，若出现异常数据，则返回至异常情况处理步骤：

异常情况处理步骤：对实时监控模块04反馈的异常数据进行分析处理；

岸基指令执行步骤：岸基指令响应模块06接收、执行岸基发送的指令。

其中，使船舶在起锚过程中保持稳定、避免失控的关键在于起锚执行步骤，本发明对起锚执行步骤进行了深入研究，使起锚控制模块03充分根据锚泊状态认知模块02反馈的锚泊数据分析结果来调整船舶的运动和锚机的运动。

具体而言，起锚执行步骤包括船舶艏向调整步骤，转速传感器监测的舵力信息、风速风向仪监测的风力信息、磁罗经监测的船舶艏向信息、电子海图监测的水流信息上传至锚泊状态感知模块01，锚泊状态感知模块01将接收到的舵力信息、风力信息、船舶艏向信息及水流信息上传至锚泊状态认知模块02，锚泊状态认知模块02对接收到的数据进行分析、并将分析结果反馈至起锚控制模块03，起锚控制模块03根据分析结果控制船舶的运动，使船舶艏向迎风、且舵力转船力矩大于风力转船力矩。

进一步的，船舶艏向调整步骤还包括起锚控制模块03根据接收到的舵力信息、风力信息、船舶艏向信息及水流信息控制船舶的运动，当风级小于或等于三级时，控制船舶使风舷角小于80°、当风级大于三级时，控制船舶使风舷角小于10°。

进一步的，起锚执行步骤还包括锚链调整步骤，拉力传感器检测锚链拉力并上传至锚泊状态感知模块01，负荷测量仪监测锚机负荷并上传至锚泊状态感知模块01，锚泊状态认知模块02根据分析接收到的锚链拉力信息判断此时锚链的松弛状态、根据接收到的锚机负荷判断此时锚是否离底，起锚控制器根据锚泊状态认知模块02反馈的锚链状态控制锚机的运动。

下文对无人驾驶船舶为单锚泊和双锚泊的起锚控制方法分别进行详述。

当无人驾驶船舶为单锚泊时，起锚控制方法如图2所示，包括以下步骤：

s1、岸基指令交互子模块接收岸基发送的锚泊数据，船载设备锚泊数据采集子模块采集船载设备的锚泊数据；

s2、锚泊状态认知模块02接收并分析s1上传的锚泊数据；

s3、判断是否满足起锚条件：锚泊状态认知模块02根据锚泊数据分析结果判断此时船舶自身状态、天气海况、法律法规等是否满足起锚条件，不满足条件时执行s4；否则，执行s5；

s4、异常情况处理步骤：异常情况处理模块05对锚泊状态认知模块02、实时监控模块04反馈的异常数据进行分析处理；

s5、判断是否有岸基遥控操纵的指令：当起锚指令操控系统检测有岸基遥控操纵指令输入，执行s6；否则，执行s7；

s6、岸基指令执行步骤：岸基指令响应模块06接收、执行岸基发送的指令，此时船舶处于被遥控操纵状态，船舶不执行自主起锚，而是根据岸基的遥控指令对船舶的各个系统进行操控；

s7、判断船姿是否需要调整，若是，执行s8；否则，执行s9；

s8、船姿调整：起锚控制模块03根据下一步操作需要规划目标船姿，并通过侧推器完成船姿调整。

s9、起锚控制模块03控制锚机绞锚；

s10、在绞锚的同时，起锚控制模块03控制锚机开启锚链水系统，对锚链进行冲洗；

s11、起锚控制模块03根据锚泊数据认知模块02反馈的舵力信息、风力信息、船舶艏向信息及水流信息来综合控制船舶的运动，使船舶艏向迎风、且舵力转船力矩大于风力转船力矩；同时，当风级小于或等于三级时，控制船舶使风舷角小于80°、当风级大于三级时，控制船舶使风舷角小于10°；

s12、判断当前环境是否风大、流急：锚泊状态认知模块02根据风力信息和水流信息判断当前环境是否风大流急、并将判断结果反馈至起锚控制模块03，如果是风大流急，由于锚链绷的很紧，此时不能硬绞，执行s13；否则，执行s15；

s13、主机转速调整船舶进车：起锚控制模块03调整船舶主机转速，使船舶进车，同时转速传感器实时监测主机转速、并将数据上传至锚泊状态认知模块02，锚泊状态认知模块02将主机转速信息反馈至起锚控制模块03，起锚控制模块03再根据当前环境信息实时调整主机转速，以使船舶顺利进车；

s14、判断锚链是否达到松弛状态：拉力传感器检测锚链拉力、并将拉力值上传至锚泊状态感知模块01，锚泊状态认知模块02根据拉力值判断当前锚链是否处于松弛状态、并将分析结果反馈至起锚控制模块03，若锚链处于松弛状态时执行s15，否则，返回s13；

s15、判断锚链是否横越船首：磁罗经检测船舶艏向、并将船舶艏向信息发送至锚泊状态感知模块01，锚泊状态认知模块02根据锚链位置和船舶艏向信息判断当前锚链是否横越船艏、并将分析结果反馈至起锚控制模块03，若锚链横越船首，执行s16；否则，执行s17；

s16、起锚控制模块03控制主机转速，通过与自动舵的配合，将船逐渐领直；

s17、锚机继续绞锚，同时，锚泊状态认知模块02根据转速传感器检测到的锚机的转速信息和绞锚时间计算出锚链长度，实现对锚链长度的实时监控；

s18、判断锚链在海底的长度是否小于设定值：锚泊状态认知模块01根据计算的锚链长度判断当前锚链在海底的长度是否小于设定值，若是，执行s19；否则返回s17；

s19、判断船舶艏向是否需要调整：磁罗经实时监测船舶艏向信息、并上传至锚泊状态感知模块01，锚泊状态认知模块02将船舶艏向信息与系统预设的船舶艏向预期信息进行对比，判断当前船舶艏向信息是否出现较大偏差，如果船舶艏向出现较大偏差，执行s20；否则，执行s21；

s20、停止起锚，利用船舵调整好船舶艏向：由于船舶出现较大偏差，此时起锚控制模块03控制锚机停止起锚操作，然后通过船舵调整好船舶艏向；

s21、判断锚是否离底：负荷测量仪监测锚机负荷、并将数据上传至锚泊状态感知模块01，锚泊状态认知模块02根据锚机负荷判断此时锚是否离底，若是，执行s22；否则，返回执行s17；

s22、判断船舶艏向是否控制不当，船舶失控：磁罗经监测船舶艏向信息、并上传至锚泊状态感知模块01，锚泊状态认知模块02根据船舶艏向信息判断当前船舶艏向是否控制不当，若是，表明此时出现了异常情况，执行s4；否则执行s23；

s23、降下锚球或关闭锚灯：当系统检测到锚离底后，起锚控制模块03控制锚机使其降下锚球或关闭锚灯；

s24、锚机继续绞锚，同时，锚泊状态认知模块02根据转速传感器检测到的锚机的转速信息和绞锚时间计算出锚链长度，实现根据实时监控锚链长度进行绞锚；

s25、判断起锚是否成功：锚泊状态认知模块02根据锚链长度判断是否起锚成功，若是，执行s26；否则，执行s4；

s26、完成后续结尾工作：起锚成功后，根据需要选择将锚悬于舷外或收妥；

s27、判断起锚工作是否完成：若检测到起锚工作没有完成，表明出现了异常情况，执行s4；否则，执行s28；

s28、设置时钟t读取起锚数据：实时监控模块04对锚泊状态感知模块01、锚泊状态认知模块02和起锚控制模块03以时钟t为时间单位进行扫描监控，判断这3个模块是否工作正常，扫描时钟t的设定决定了系统对于外部环境的反应精度，t值可以根据航行环境的不同设置不同的值；

s29、系统根据实时监控模块04反馈的数据，判定执行以下步骤：当检测到有异常情况，执行s4；当接收到岸基遥控指令，执行s6；成功完成起锚操作，则结束。

当船舶为双锚泊时，起锚的控制方法如图3所示，大部分与单锚泊的起锚控制方法相同，下文仅对双锚泊的起锚控制方法与单锚泊的起锚控制方法中的不同点进行阐述。

s9、起锚控制模块03控制锚机对两锚同时进行绞锚；

s15、判断锚链是否横越船首，若是，执行s16；否则，执行sa；

s16和s17之间还包括如下步骤：

sa、锚机进行绞锚的同时，系统实时监测剩余的锚链长度，当剩余的锚链长度为2-3节时，停止绞锚；

sb1、选择左锚继续绞锚，右锚暂时不动；

sb2、判断左锚是否正常：若是，执行s4；否则，执行sb3；

sb3、左锚绞锚结束后，起锚控制模块03控制锚机对右锚进行收绞。

并且，双锚泊时，s17执行完后直接执行s19，不需要执行s18。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。