一种无人艇自动回航的方法和系统与流程

本发明涉及水面无人艇自动控制技术领域，具体涉及一种无人艇自动回航的方法和系统。

背景技术：

近年来，随着科技水平的提高与海洋开发战略的提出，无人艇相关技术进入快速发展阶段。无人艇作为一种新型水面设备，可以执行海岸线测绘、近海环境监测、远洋巡逻等任务。目前无人艇投放与回收主要依靠手动遥控配合机械回收装置。要提高无人艇的自动化水平，减少人员参与，甚至做到长期完全独立自主运行，需要解决无人艇在投放以及回收阶段的自动化实现这一问题。相较于投放，由于存在回收区域寻找、回收装置定位以及对接过程姿态调整等问题，回收的难度更大。因此，一种能够适用于移动母船、固定母港两种回收环境，能自主寻找回收区域、回收装置并能在非平静海况下根据相对位置进行姿态调整的自动回航方法和系统能够提高无人艇的实用性。此外，当无人艇遇到故障或者通信中断时，自动回航功能可以保证船的安全。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种无人艇自动回航的方法和系统，能够使无人艇在满足回航条件时自动切换到回航模式，并自动进入回收装置。

本发明的技术方案是：一种无人艇自动回航的方法，其步骤如下：

一、出发时记录出发点GNSS信息以及备用回航点GNSS信息；

二、根据设定条件进行回航状态判断；

三、监听新的回航点GNSS信息；

四、根据当前无人艇GNSS信息与回航点GNSS信息进行回航阶段判定；

五、当回航阶段变化或者回航点GNSS信息变化，重新规划回航路径；

六、根据信标寻找回航点所在区域中的回收装置；

七、根据无人艇所处回航阶段选择导航控制方式；

八、根据无人艇与回收装置的相对位置姿态进行航向修正，直至完成回航。

二中回航状态判断包括任务完成状况、当前海况、能源余量、紧急回航指令、无人艇故障信息。

所述回航阶段判定包括第一回航阶段、第二回航阶段及第三回航阶段，其中第一回航阶段为无人艇远离回收装置的阶段，第二回航阶段为无人艇靠近回收装置的阶段，第三回航阶段为无人艇在第二回航阶段中寻找到信标后的阶段。

当无人艇处于第一回航阶段时，根据无人艇自身GNSS信息以及出发点GNSS信息，选择两点间最短路径作为回航路线，然后结合海图信息，生成实际最短回航路径，当无人艇处于第二回航阶段时，根据回收装置形状以及无人艇GNSS信息生成搜寻信标路径，当无人艇处于第三回航阶段时，以回收装置开口中垂线为回收路径。

所述信标为放置在回收装置上方的色块，色块可用LED灯组成，并且通过颜色代表回收装置当前状态，所述无人艇通过图像识别技术识别色块的颜色。

当无人艇处于第一回航阶段时，采用GNSS导航，通过计算与规划路径的偏差来控制航向；当无人艇处于第二回航阶段时，采用GNSS和图像识别技术进行导航，搜寻回收装置信标，并进行路径规划；当无人艇处于第三回航阶段时，通过获得无人艇与回收装置的相对位置姿态，调用无人艇运动指令进行位姿调整。

相对位置姿态获取方法如下：通过高精度相对位置测量模块获得无人艇艇艏与回收装置入口的角度差，获得无人艇艇艏与回收装置入口的垂直距离以及入口中垂线的水平偏移距离。

一种基于上述无人艇自动回航的方法的无人艇自动回航系统，其由回收装置以及设置在无人艇上的回航模块构成，所述回收装置包括中控系统、数传电台、GNSS模块、信标模块以及高精度相对位置测量模块，所述回航模块设有艇载中控系统、数传模块、艇载GNSS模块、摄像模块、艇载高精度相对位置测量模块以及动力模块，所述艇载中控系统包括回航状态判断模块、回航路径规划模块、图像处理模块、高精度相对位置解算模块以及航控模块。

本发明的有益效果：本发明适用于返回母船回收装置以及返回母港回收装置两种基本情形，通过三个回航阶段划分、三种路径生成规则、三种导航控制方式实现由远及近、对环境感知能力不断提高的自主回航技术，该技术可以为后续功能（比如自主补给、自主检修等）提供支持。

附图说明

图1 为本发明方法和系统结构图

图2 为本发明回收器设备架构图

图3 为本发明无人艇设备架构图

图4 为本发明方法进入回航模式系统图

图5 为本发明方法的主要回航控制模块

图6 为本发明方法的回航阶段判定模块流程图

图7 为本发明方法的回航路径规划模块流程图

图8 为本发明方法的航控方式切换模块流程图

图9 为本发明方法的其他指令与异常处理模块流程图

图10 为本发明返回母船路径示意图1。

图11 为本发明返回母港路径示意图2。

具体实施方式

下面针对附图对本发明的实施例作进一步说明：

本发明公开了一种无人艇自动回航的方法，其步骤如下：

一、出发时记录出发点GNSS信息以及备用回航点GNSS信息；

二、根据设定条件进行回航状态判断；

三、监听新的回航点GNSS信息；

四、根据当前无人艇GNSS信息与回航点GNSS信息进行回航阶段判定；

五、当回航阶段变化或者回航点GNSS信息变化，重新规划回航路径；

六、根据信标寻找回航点所在区域中的回收装置；

七、根据无人艇所处回航阶段选择导航控制方式；

八、根据无人艇与回收装置的相对位置姿态进行航向修正，直至完成回航。

步骤二中回航状态判断包括任务完成状况、当前海况、能源余量、紧急回航指令、无人艇故障等信息。

所述回航阶段判定包括第一回航阶段、第二回航阶段及第三回航阶段，其中第一回航阶段为无人艇远离回收装置的阶段，第二回航阶段为无人艇靠近回收装置的阶段，第三回航阶段为无人艇在第二回航阶段中寻找到信标后的阶段。

当无人艇处于第一回航阶段时，根据无人艇自身GNSS信息以及出发点GNSS信息，选择两点间最短路径作为回航路线，然后结合海图信息，生成实际最短回航路径，当无人艇处于第二回航阶段时，根据回收装置形状以及无人艇GNSS信息生成搜寻信标路径，当无人艇处于第三回航阶段时，以回收装置开口中垂线为回收路径。

所述信标为放置在回收装置上方的色块，色块可用LED灯组成，并且通过颜色代表回收装置当前状态，所述无人艇通过图像识别技术识别色块的颜色。

当无人艇处于第一回航阶段时，采用GNSS导航，通过计算与规划路径偏差控制航向；当无人艇处于第二回航阶段时，采用GNSS和图像识别技术进行导航，搜寻回收装置信标，并进行路径规划；当无人艇处于第三回航阶段时，通过获得无人艇与回收装置的相对位置姿态，调用无人艇运动特殊指令进行位姿调整。

相对位置姿态获取方法如下：通过一种高精度相对位置测量模块获得无人艇艇艏与回收装置入口的角度差，获得无人艇艇艏与回收装置入口的垂直距离以及入口中垂线的水平偏移距离。

本文中GNSS信息包括出发点GNSS信息、备用回航点GNSS信息、回航点GNSS更新信息以及自身GNSS信息。其中出发点GNSS信息为出发时母船或者母港的GNSS信息，备用回航点GNSS信息指备用回收装置所在母港GNSS信息，备用回航点是无人艇回航第二选择点，用于无法回到出发母船或母港时使用，回航点GNSS更新信息用于母船移动后或者指定新的回航点时通知无人艇修改出发点GNSS信息。无人艇回航时依据出发点GNSS信息与自身GNSS信息进行回航阶段判定，然后进行回航路径规划。

如图1所示，一种无人艇自动回航系统包括两部分，分别是设置在母船或母港的回收装置101以及设置在无人艇上的回航模块102，无人艇自动回航分成三阶段，分别是第一回航阶段103、第二回航阶段104、第三回航阶段105。第一回航阶段103采用GNSS导航，第二回航阶段104采用GNSS、图像联合导航，第三回航阶段105采用相对位置调整方式导航。其中第一回航阶段为无人艇远离回收装置的阶段，第二回航阶段为无人艇靠近回收装置的阶段，第三回航阶段为无人艇在第二回航阶段中寻找到信标后的阶段。

如图2所示，回收装置101包括中控系统201、数传电台202、GNSS模块203、信标模块204、高精度相对位置测量模块205。中控系统201负责接收处理GNSS模块203数据并通过数传电台202向无人艇的回航模块102发送回收装置101位置信息。信标模块204状态由中控系统201根据回收装置状态控制，此外，中控系统201还负责周期性检查高精度相对位置测量模块205工作状态以及通过数传电台202向无人艇的回航模块102发送其他指令，例如紧急回航、新的任务。上述模块中，中控系统201、数传电台202、GNSS模块203一般部署在母船或者母港上，信标模块204、高精度相对位置测量模块205部署在回收装置入口处。上述模块通过网络连接，该网络为无线网络。

如图3所示，无人艇上与回航回收系统相关回航模块包括艇载中控系统301、数传模块302、艇载GNSS模块303、摄像模块、艇载高精度相对位置测量模块305、其他与航控相关的动力模块306。艇载中控系统301负责接收处理其他模块的数据。数传模块302负责与回收装置的数传电台202通信，接收GNSS数据和指令。艇载GNSS模块303采用较高精度定位天线，当与回收装置距离较近时采用RTK技术提高定位精度。摄像模块为摄像机304用于发现回收装置101上的信标204，信标为放置在回收装置上方的色块，色块可用LED灯组成。色块颜色代表回收装置当前状态，绿色表示可以回收，黄色表示等待，红色表示不可回收。信标的色块是无人艇由第二回航阶段进入第三回航阶段的判断标志。该阶段初期采用图像识别技术，使无人艇向回收装置靠近。所用摄像机为可180°水平旋转摄像机。艇载高精度相对位置测量模块305添加需要与之测距的高精度相对位置测量模块205的ID，进入测距范围后测量两者间距离，并通过相关算法确定无人艇与回收装置101的相对位置状态。航控相关的动力模块306包括路径规划模块、前方障碍物检测模块、防碰撞模块、动力控制模块、舵角控制模块等正常航行所需模块。

图4为一种无人艇自动回航系统进入回航模式的过程。在执行任务前预先设定目标任务、回航条件、出发点GNSS信息、备用回航点GNSS信息。当任务执行完成或者达到设定回航条件，就进入回航模式。此外，数传模块独立运行，用于更新回航GNSS信息（即出发点GNSS信息），当回航位置信息更新后通知回航路径规划模块重新规划回航路径。

图5为一种无人艇自动回航系统的回航模块，包括回航阶段判定模块、回航路径规划模块、航控方式切换模块、其他指令与异常处理模块。其中回航阶段判定模块用于确定回航路径规划以及航控方式切换所采用的规则。

根据图4、图5，一种无人艇自动回航系统流程为出航前设定回航相关参数，出航后监听回航条件判断模块，即实时监听预先设定目标任务或回航条件的达成情况，同时运行回收装置GNSS信息接收模块。当满足回航条件时，进入回航模式。回航模式下依然接收回收装置GNSS信息，同时运行回航阶段判定模块。根据回航阶段进行路径规划以及航控方式选择。此外，无人艇监听外部指令以及各模块工作状态。

图6为一种无人艇自动回航系统的回航阶段判定模块流程图。回航阶段由无人艇与回收装置的相对位置确定。当无人艇与回收装置距离远时为第一阶段，当无人艇进入回收装置所在区域时为第二阶段，当无人艇发现回收装置信标后进入第三阶段。

图7为一种无人艇自动回航系统的回航路径规划模块流程图。当检测到回收装置的GNSS信息变化或者回航阶段变化时，根据无人艇当前所处回航阶段进行路径规划。当处于第一回航阶段时，路径规划原则是以无人艇与回收装置两点连线段为基本路径，结合海图信息生成实际最短可行路径。当处于第二阶段时，路径规划原则是根据回收装置母体形态生成寻找信标的绕行路线。如果回收装置母体是船，那么绕行路径为以船为中心的圆，如果回收装置母体是岸，那么绕行路径为与岸平行的线段。当处于第三阶段时，路径为回收装置中垂线，根据无人艇与回收装置的相对位置状态调节艏向。

图8为一种无人艇自动回航系统的航控方式切换模块流程图。当无人艇处于第一回航阶段时，航控方式选择路径跟踪的方式，即根据与规划路径的偏差调节航向。当无人艇处于第二回航阶段时，采用路径跟踪与图像识别技术进行导航控制。当无人艇处于第三回航阶段时，航控方式选择相对位置调整航控方式，即根据艇艏与回收装置开口的相对位置通过无人艇特殊动作比如旋转、平移等动作调节艏向。

图9为一种无人艇自动回航系统的其他指令与异常处理模块流程图。无人艇的工作模式调整与指令相关。异常情况包括第二阶段未找到信标、信标显示命令不是可进入命令以及第三阶段无法通过高精度相对位置测量模块定位。若未找到信标则将备用回收装置GNSS坐标作为新的回航点，同时重新规划路径，如果在备用回航点处仍未找到信标，则就近靠岸停船。若信标命令不是可进入命令，则根据命令执行相应动作。若是第三阶段无法通过高精度相对位置测量模块定位，则通知回收装置并切换到遥控控制方式。

图10为一种无人艇自动回航系统返回母船回收装置路径示意图。图中无人艇1001沿设定回航线路1004从第一回航阶段进入第二回航阶段区域，发现母船1002的回收装置1003后进入第三回航阶段，然后进入回收装置1003。图中细长虚线1005为无人艇实际航行路线。

图11为一种无人艇自动回航系统返回母港回收装置路径示意图。图中无人艇1101沿设定回航线路1104从第一回航阶段进入第二回航阶段区域，发现母港1102的回收装置1103后进入第三回航状态，然后进入回收装置1103。图中细长虚线1105为无人艇实际航行路线。

实施例不应视为对发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。