一种无人船艇的智能通信导航系统及方法与流程

本发明涉及航行器自动跟踪技术领域，尤其涉及一种无人船艇的智能通信导航系统及方法。

背景技术：

无人船艇是一种无人操作的水面舰艇，由于其具有体积小、成本低、操作便捷等优点，已经成为无人运载器领域研究的一大热点，受到各国海洋研究方面的重视。而协同自主航行控制是无人船艇区别于有人操纵船舶的核心技术之一。无人船艇协同控制方法的关键技术有两点：

协同航行中，当无人船艇距离目标船较近时，需要做避障处理；无人船艇与目标船的距离大于避障距离时，按照协同算法进行常规导航跟踪目标船。

目前，航向控制方法是利用传统的pid协同控制算法，将航向保持作为自动控制目标，使船舶能够自动跟随给定的航向，或将航向纳入自主控制的范围，进行闭环控制，但对航速控制不及时不自主，不能对航速进行及时自主的调节，且对避障情况单独分析较少，易造成控制不及时不精准。

发明专利cn108646766a公开了一种基于协同控制的无人船安全跟踪方法及跟踪系统，能够解决对航速控制不及时不准确的问题，但其未将无人船艇所处环境的风速因素考虑其中。当遇到环境突发的风速过大情况下，可能发生无人船艇受风速风向的影响快速接近目标船，导致两船相撞的情况，或是无人船艇快速偏离目标船情况。

因此，急需提供一种无人船艇的智能通信导航系统及方法。

技术实现要素：

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的无人船艇的智能通信导航系统及方法，该系统及方法能够实时地计算无人船艇与目标船之间的实际距离，一旦该实际距离小于预设距离阈值，使无人船艇及时避开目标船。

根据本发明的一个方面，本发明提供的无人船艇的智能通信导航方法，包括以下步骤：无人船艇通信模块将控制中心发送的跟踪启动信号发给无人船艇数据处理模块；无人船艇数据处理模块控制无人船艇通信模块建立与目标船通信模块之间的跟踪通信信道；目标船定位模块通过跟踪通信信道将实时的目标船运动参数发送给无人船艇数据处理模块；风速风向仪将事实检测到的无人船艇所处环境下的风速、风向等参数发送给无人船艇数据处理模块；无人船艇数据处理模块根据目标船运动参数、无人船艇定位模块发回的无人船艇运动参数，以及风速风向仪发回的风速、风向参数，计算得到无人船艇控制信号，并发送至无人船艇遥测控模块；无人船艇遥测控模块根据无人船艇控制信号实时调整无人船艇的跟踪轨迹。

进一步地，无人船艇数据处理模块根据目标船运动参数和无人船艇定位模块发回的无人船艇运动参数计算得到无人船艇控制信号，包括以下步骤：

实时接收无人船艇和目标船的运动参数并解析出无人船艇和目标船的位置数据；根据无人船艇和目标船的位置数据实时计算无人船艇与目标船之间的实际距离；接收该实际距离并与预设距离阈值进行比较：

1.当该实际距离小于预设距离阈值时：

计算无人船艇与风向之间的角度△θ0，以及风速与无人船艇的相对速度v(v＝v风/v船)，当相对速度小于或等于第一预设值v1时，计算无人船艇与目标船之间的实际角度；根据该实际角度计算无人船艇的设定航向并发送至无人船艇遥测控系统；

当所述相对速度大于第一预设值v1、小于第二预设值v2，且所述角度△θ0小于或等于第一预设角度θ1时，控制无人船艇减速后，计算无人船艇与目标船之间的实际角度；根据该实际角度计算无人船艇的设定航向并发送至无人船艇遥测控系统；

当所述相对速度大于第一预设值域v1、小于第二预设值v2，且所述角度△θ0大于第一预设角度θ1时，控制无人船艇加速后，计算无人船艇与目标船之间的实际角度；根据该实际角度计算无人船艇的设定航向并发送至无人船艇遥测控系统；

当所述相对速度大于第二预设值v2，且所述角度△θ0小于第一预设角度θ1时，控制人船停速后，计算无人船艇与目标船之间的实际角度；根据该实际角度计算无人船艇的设定航向并发送至无人船艇遥测控系统；

当所述相对速度大于第二预设值v2，且所述角度大于或等于第一预设角度θ1时，控制人船加速后，计算无人船艇与目标船之间的实际角度；根据该实际角度计算无人船艇的设定航向并发送至无人船艇遥测控系统；

当所述相对速度大于第二预设值，且所述角度大于或等于第一预设角度时，控制无人船艇加速后，计算无人船艇与目标船之间的实际角度；根据该实际角度计算无人船艇的设定航向并发送至无人船艇遥测控系统；

进一步地，所述第一预设值为0.5，所述第二预设值为1。进一步地，所述第一预设角度可以为90o。

2.当该相对距离大于预设距离阈值时，判断无人船艇与目标船之间的相对位置或相对舷角是否变化；根据相对位置或相对舷角是否变化创建航路点并发送至无人船艇遥测控系统。

进一步地，无人船艇数据处理模块根据目标船运动参数，无人船艇定位模块发回的无人船艇运动参数以及风向风速仪发回的风向、风速参数计算得到无人船艇控制信号，还包括：实时解析无人船艇对水速度和无人船艇航向差；根据无人船艇对水速度和无人船艇航向差计算无人船艇的期望速度，并将无人船艇的期望速度发送至无人船艇遥测控系统，以实时调整无人船艇的速度。

进一步地，所述无人船艇的智能通信导航方法，还包括：目标船定位模块将实时的目标船运动参数发送给控制中心。

根据本发明的一个方面，本发明提供的无人船艇的智能通信导航系统，包括：无人船艇通信模块，用于将控制中心发送的跟踪启动信号发给无人船艇数据处理模块；无人船艇数据处理模块，用于控制无人船艇通信模块建立与目标船通信模块之间的跟踪通信信道；目标船定位模块，用于通过跟踪通信信道将实时的目标船运动参数发送给无人船艇数据处理模块；风速风向仪，用于检测无人船艇所处环境下的风速、风向；无人船艇数据处理模块，用于根据目标船运动参数、无人船艇定位模块以及风速风向仪发回的无人船艇运动参数、风速、风向计算得到无人船艇控制信号，并发送至无人船艇遥测控模块；无人船艇遥测控模块，用于根据无人船艇控制信号实时调整无人船艇的跟踪轨迹。

进一步地，无人船艇数据处理模块包括：运动参数解析单元，用于实时接收无人船艇和目标船的运动参数并解析出无人船艇和目标船的位置数据；实际距离计算单元，用于根据无人船艇和目标船的位置数据实时计算无人船艇与目标船之间的实际距离；距离比较单元，用于接收该实际距离并与预设距离阈值进行比较；实际角度计算单元，用于当该实际距离小于预设距离阈值时，计算无人船艇与目标船之间的实际角度；速度计算单元，用于当该实际距离小于预设距离阈值时，计算风速与无人船艇速的相对值；设定船速计算单元，用于根据所述无人船艇与风速之间的角度、风速与无人船艇速的相对值设定船速并发送至无人船艇遥测控系统；设定航向计算单元，用于根据该实际角度计算无人船艇的设定航向并发送至无人船艇遥测控系统；相对位置变化判断单元，用于当该相对距离大于预设距离阈值时，判断无人船艇与目标船之间的相对位置是否变化；相对舷角变化判断单元，用于当该相对距离大于预设距离阈值时，判断无人船艇与目标船之间的相对舷角是否变化；航路点创建单元，用于根据相对位置或相对舷角是否变化创建航路点并发送至无人船艇遥测控系统。

进一步地，所述无人船艇的智能通信导航系统，还包括：无人船艇摄像装置，用于实时采集无人船艇运动参数；其中，无人船艇通信模块，还用于将无人船艇运动参数实时传输至目标船，使得目标船及时调整航行轨迹。

进一步地，无人船艇数据处理模块还包括：期望速度计算单元，用于根据无人船艇对水速度和无人船艇航向差计算无人船艇的期望速度，并将无人船艇的期望速度发送至无人船艇遥测控系统，以实时调整无人船艇的速度，其中，运动参数解析单元，还用于实时解析无人船艇对水速度和无人船艇航向差。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

本发明的跟踪方法及跟踪系统通过实际距离计算单元实时地计算无人船艇与目标船之间的实际距离，并通过距离比较单元对实际距离和预设距离阈值进行比较，一旦该实际距离小于预设距离阈值，对无人船艇进行航向的调整，以避开目标船，实现安全跟踪；在小于距离阈值的情况下，进一步考虑周围环境风速风向对无人船艇速船向的影响，从而避免在风速过大情况下，无人船艇快速接近目标船，导致两船碰撞的情况，或是在风速过大且风向偏离无人船艇航向过大，从而影响无人船艇偏离目标船的情况。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的无人船艇的智能通信导航方法流程图；

图2是本发明的无人船艇数据处理模块工作原理流程图；

图3是本发明的无人船艇的智能通信导航系统框图；

图4是本发明的无人船艇数据处理模块框图；

图5为本发明的无人船艇的智能通信导航系统示意图。

在附图中，1-目标船应用台，2-控制中心网络交换机，3-无人船艇及船载任务载荷应用台，4-控制中心北斗通信链路，5-控制中心卫通通信链路，6-目标船卫通通信链路，7-无人船艇北斗通信链路，8-目标船位置和航向发布器，9-目标船网络交换机，10-目标船视频与数据近程传输系统，11-无人船艇视频与数据近程传输系统，12-摄像头，13-指挥控制模块，14-摄像云台，15-船载任务载荷，16-无人船艇遥测控系统，17-无人船艇体。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

图1是本发明的无人船艇的智能通信导航方法流程图，如图1所示，本发明提供的无人船艇的智能通信导航方法，包括以下步骤：无人船艇通信模块将控制中心发送的跟踪启动信号发给无人船艇数据处理模块；无人船艇数据处理模块控制无人船艇通信模块建立与目标船通信模块之间的跟踪通信信道；目标船定位模块通过跟踪通信信道将实时的目标船运动参数发送给无人船艇数据处理模块；风速风向仪将检测到的无人船艇所处环境的风速、风向等参数发送给无人船艇数据处理模块；无人船艇数据处理模块根据目标船运动参数、无人船艇定位模块，以及风速风向仪发回的无人船艇运动参数、风速、风向计算得到无人船艇控制信号，并发送至无人船艇遥测控模块；无人船艇遥测控模块根据无人船艇控制信号实时调整无人船艇的跟踪轨迹。其中，目标船运动参数和无人船艇运动参数均包括船航行中的速度、航向、位置等。

图2是本发明的无人船艇数据处理模块工作原理流程图，无人船艇数据处理模块根据目标船运动参数、无人船艇定位模块、以及风速风向仪发回的无人船艇运动参数，风速、风向参数，计算得到无人船艇控制信号，具体包括以下步骤：

s1.实时接收无人船艇、目标船的运动参数，以及无人船艇所处环境的风速、风向，并解析出无人船艇和目标船的位置数据；

s2.根据无人船艇和目标船的位置数据实时计算无人船艇与目标船之间的实际距离；接收该实际距离并与预设距离阈值进行比较；

s3.当该实际距离小于预设距离阈值时，进入步骤s41；当该相对距离大于预设距离阈值时，进入步骤s5

s41.计算无人船艇与风向之间的角度△θ0，以及风速与无人船艇的相对速度v(v＝v风/v船)，当相对速度小于或等于第一预设值v1时，进行步骤s42；

当所述相对速度大于第一预设值v1、小于第二预设值v2，且所述角度△θ0小于或等于第一预设角度θ1时，控制无人船艇减速后，进行步骤s42；

当所述相对速度大于第一预设值域v1、小于第二预设值v2，且所述角度△θ0大于第一预设角度θ1时，控制无人船艇加速后，进行步骤s42；

当所述相对速度大于第二预设值v2，且所述角度△θ0小于第一预设角度θ1时，控制人船停速后，进行步骤s42；

当所述相对速度大于第二预设值v2，且所述角度大于或等于第一预设角度θ1时，控制人船加速后，进行步骤s42；

当所述相对速度大于第二预设值v2，且所述角度大于或等于第一预设角度θ1时，控制无人船艇加速后，进行步骤s42；

s42.计算无人船艇与目标船之间的实际角度；根据该实际角度计算无人船艇的设定航向并发送至无人船艇遥测控系统；

s51.判断无人船艇与目标船之间的相对位置或相对舷角是否变化；根据相对位置或相对舷角是否变化创建航路点并发送至无人船艇遥测控系统。

本发明的跟踪方法通过实际距离计算单元实时地计算无人船艇与目标船之间的实际距离，并通过距离比较单元对实际距离和预设距离阈值进行比较，一旦该实际距离小于预设距离阈值，对无人船艇进行航向的调整，以避开目标船，实现安全跟踪。

在小于距离阈值的情况下，进一步考虑周围环境风速、风向对无人船艇速船向的影响，从而避免在风速过大情况下，无人船艇快速接近目标船，导致两船碰撞的情况，或是在风速过大且风向偏离无人船艇航向过大，从而影响无人船艇偏离目标船的情况。

无人船艇数据处理模块根据目标船运动参数和无人船艇定位模块发回的无人船艇运动参数计算得到无人船艇控制信号，还包括：实时解析无人船艇对水速度和无人船艇航向差；根据无人船艇对水速度和无人船艇航向差计算无人船艇的期望速度，并将无人船艇的期望速度发送至无人船艇遥测控系统，以实时调整无人船艇的速度。本发明的跟踪方法通过期望速度计算单元根据无人船艇对水速度和无人船艇航向差实时地计算无人船艇的期望速度，从而实时地调整无人船艇的航速，以与目标船保持稳定的跟踪状态。

所述无人船艇的智能通信导航方法，还包括：将无人船艇运动参数实时传输至目标船，使得目标船及时调整航行轨迹。本发明的跟踪方法中通过将无人船艇运动参数实时传输至目标船，目标船能够在紧急情况下及时调整自身的航行轨迹，进一步确保了无人船艇的避障。

所述无人船艇的智能通信导航方法，还包括：目标船定位模块将实时的目标船运动参数发送给控制中心。本发明的跟踪方法中通过目标船定位模块将实时的目标船运动参数发送给控制中心，使得当目标船与无人船艇之间的数据传输中断时，控制中心能够将接收的目标船运动参数发送至无人船艇，为目标船运动参数的获取设置双重保障。

图3是本发明的无人船艇的智能通信导航系统框图，如图3所示，本发明提供的无人船艇的智能通信导航系统，包括：无人船艇通信模块，用于将控制中心发送的跟踪启动信号发给无人船艇数据处理模块；无人船艇数据处理模块，用于控制无人船艇通信模块建立与目标船通信模块之间的跟踪通信信道；目标船定位模块，用于通过跟踪通信信道将实时的目标船运动参数发送给无人船艇数据处理模块；风速风向仪，用于检测无人船艇所处环境下的风速、风向；无人船艇数据处理模块，用于根据目标船运动参数、无人船艇定位模块以及风速风向仪发回的无人船艇运动参数、风速、风向计算得到无人船艇控制信号，并发送至无人船艇遥测控模块；无人船艇遥测控模块，用于根据无人船艇控制信号实时调整无人船艇的跟踪轨迹。

图4是本发明的无人船艇数据处理模块框图，如图4所示，无人船艇数据处理模块包括：运动参数解析单元，用于实时接收无人船艇和目标船的运动参数并解析出无人船艇和目标船的位置数据；实际距离计算单元，用于根据无人船艇和目标船的位置数据实时计算无人船艇与目标船之间的实际距离；距离比较单元，用于接收该实际距离并与预设距离阈值进行比较；实际角度计算单元，用于当该实际距离小于预设距离阈值时，计算无人船艇与风速之间的角度、无人船艇与目标船之间的实际角度；速度计算单元，用于当该实际距离小于预设距离阈值时，计算风速与无人船艇速的相对值；设定船速计算单元，用于根据所述无人船艇与风速之间的角度、风速与无人船艇速的相对值设定船速并发送至无人船艇遥测控系统；设定航向计算单元，用于根据该实际角度计算无人船艇的设定航向并发送至无人船艇遥测控系统；相对位置变化判断单元，用于当该相对距离大于预设距离阈值时，判断无人船艇与目标船之间的相对位置是否变化；相对舷角变化判断单元，用于当该相对距离大于预设距离阈值时，判断无人船艇与目标船之间的相对舷角是否变化；航路点创建单元，用于根据相对位置或相对舷角是否变化创建航路点并发送至无人船艇遥测控系统。

所述无人船艇的智能通信导航系统，还包括：无人船艇摄像装置，用于实时采集无人船艇运动参数；其中，无人船艇通信模块，还用于将无人船艇运动参数实时传输至目标船，使得目标船及时调整航行轨迹。

运动参数解析单元包括无人船艇运动参数解析单元和目标船运动参数解析单元。

实施例

图5为本发明的无人船艇的智能通信导航系统示意图，如图5所示，本发明的无人船艇的智能通信导航系统包括：相互之间信号连接的控制中心、无人船艇和目标船，其中，无人船艇通信模块包括无人船艇北斗通信链路7和无人船艇视频与数据近程传输系统11，目标船通信模块包括目标船卫通通信链路6和目标船视频与数据近程传输系统10，无人船艇数据处理模块为指挥控制模块13，无人船艇数据处理模块用于对无人船艇和目标船的运动参数进行解析，根据解析后的运动参数计算得到无人船艇控制信号数据发送至无人船艇遥测控系统，以控制无人船艇使得其轨迹随目标船实时调整，因此，控制中心包括目标船应用台1、控制中心网络交换机2、无人船艇及船载任务载荷应用台3、控制中心北斗通信链路4、控制中心卫通通信链路5等设备组成，各个设备间通过控制中心网络交换机2互联，形成数据传输局域网，指挥控制模块13包括运动参数解析单元(其包括无人船艇运动参数解析单元和目标船运动参数解析单元)、实际距离计算单元、距离比较单元、实际角度计算单元、速度计算单元、设定船速计算单元、设定航向计算单元、相对位置变化判断单元、相对舷角变化判断单元和航路点创建单元；无人船艇包括无人船艇体17、无人船艇北斗通信链路7、指挥控制模块13、无人船艇遥测控系统16、无人船艇视频与数据近程传输模块11、摄像头12、摄像云台14、船载任务载荷15等设备组成；目标船包括目标船位置和航向发布器8、目标船网络交换机9和目标船视频与数据近程传输模块10组成、风速风向仪(图中未示出)。控制中心与无人船艇通过各自的北斗通信链路通信连接，控制中心与目标船通过各自的卫通通信链路通信连接，无人船艇与目标船通过各自的视频与数据近程传输模块通信连接。

本发明的无人船艇的智能通信导航系统的工作原理如下：

利用无人船艇及船载任务载荷应用台实时接收无人船艇发送的无人船艇运动参数，风速风向仪发送的风速、风向参数，以及并利用目标船应用台实时接收目标船发送的目标船运动参数，分别利用无人船艇及船载任务载荷应用台和目标船应用台根据无人船艇运动参数，目标船运动参数，风速、风向参数发送控制模式启动信号，例如协同控制下的跟踪启动信号；

利用无人船艇的指挥控制模块实时接收无人船艇运动参数，风速、风向参属和目标船发送的目标船运动参数；

利用目标船运动参数解析单元实时接收目标船的运动参数并解析出目标船的位置数据并利用无人船艇运动参数解析单元实时接收无人船艇的运动参数并解析出无人船艇的位置数据。

目标船将目标船运动参数同时发送至控制中心和无人船艇，使得当目标船与无人船艇之间的数据传输中断时，控制中心能够将接收的目标船运动参数发送至无人船艇，为目标船运动参数的获取设置双重保障。

利用距离比较单元接收该实际距离并与预设距离阈值进行比较，例如，预设距离阈值可以设置为60m。

本发明的跟踪方法在无人船艇加速和减速时，通过增加无人船艇与目标船的相对距离，以及对风向与无人船艇航向相对角度、风速与无人船艇速的相对值作为判定条件，实现对航速的合理调节，避免加速或减速过大。

利用相对位置变化判断单元在该相对距离大于预设距离阈值时，判断无人船艇与目标船之间的相对位置是否变化并利用相对舷角变化判断单元在该相对距离大于预设距离阈值时，判断无人船艇与目标船之间的相对舷角是否变化。

本发明的商业价值是向客户提供具备能够目标船功能的无人船艇，与其它设备(如控制中心、目标船)组成系统，实现对目标船的跟踪拍摄等功能。

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。