一种无人船一键返航控制系统及方法与流程

本发明属于无人船控制技术领域，特别是涉及一种无人船一键返航控制系统及方法。

背景技术

无人船是一种新型的水上监测平台，其中以河川、湖泊、水库、海岸及港湾等水域为对象，以小型船舶为载体，集成定位导航、通讯与控制设备，可搭载多种监测传感器，以遥控/自主的工作方式完成特定的水文和水环境要素监测。由于无人船具有布置灵活、成本经济、自动测量等特点，在水文要素观测、水环境监测、水库及河道泥沙淤积量评估、水利工程选址和水下考古等方面具有广阔的应用前景。随着科学技术的发展，对无人船的应用研究越来越广泛，路径规划技术、自主导航技术以及一键返航等技术是有关无人船研究的关键问题，也是无人船人工智能研究的重要内容，在一定程度上标志着无人船智能水平的高低。无人船需要在复杂的海洋环境中自主航行和作业，并在作业完成后安全返航，因此无人船对操纵性、控制性能和可靠性均提出了更为苛刻的要求。为了保证无人船安全、可靠、自主地完成各种复杂任务并安全返航，这就需要研究更加先进的路径规划、自主导航、一键返航等技术。

无人船在水面行驶过程中，如遇特殊情况，如遥控器断连、低电量等，需要执行一键返航，即行驶回到出发位置。关于无人船的一键返航技术，现有的技术方案中主要存在如下两种方法：

一种方法是仅记录起始点，执行一键返航时将起始点作为航迹点执行直线返回。此种方案的缺点是，直接以起始点为航点沿直线返回，如果当中存在障碍物或拐弯处，无人船将无法避免地撞击损毁。

另一种方法是隔一定时间或距离记录当前无人船位置作为航迹点，当执行一键返回操作时则按记录航迹点的顺序跟踪航点，直到回到起始位置。此种方案的缺点是，无差别地按一定时间或距离记录当前无人船位置为航点会产生较大内存，同时，当无人船在一个区域重复行驶会产生许多的重复航迹，极大的浪费内存，当执行一键返航时，无人船会在一个区域重复行驶，会造成电量的极大浪费。

技术实现要素：

为了有效避免无人船返航时碰撞障碍物，同时节省存储单元存储航点时的内存，以及节省无人船返航时的所用电量，本发明提出了一种无人船一键返航控制系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种无人船一键返航控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

a、在无人船行驶过程中，根据预设的时间间隔或预设的距离间隔，测量无人船的当前位置及当前航向作为当前航点；

b、获取当前航点信息，并按顺序编号进行保存记录，同时根据当前航点判断和/或处理所述无人船的航行轨迹；

c、判断是否需要执行一键返航，若不需要，则重复执行步骤a；若需要，则执行一键返航，控制无人船按处理后的航行轨迹进行逆向跟踪返航，返回起始位置。

优选的，所述步骤b中，根据当前航点判断和/或处理所述无人船的航行轨迹的具体方法为：所述无人船在航行过程中每隔一定时间间隔记录航行轨迹中的航点，并把所述航点记录到gps地图中进行保存。

优选的，所述步骤b中，当前航点的存储格式为(x,y,n),其中，x，y为当前航点坐标，n为记录的当前航点序号，为自然数。

优选的，所述步骤c中，判断是否需要执行一键返航的情况包括：

判断是否有接收到来自于控制终端的一键返航请求，若有接收到控制终端的一键返航请求，则执行一键返航；或者

判断是否有检测到无人船出现电源电量低于一定阈值的情况，当有检测到无人船出现电源电量低于一定阈值时，则执行一键返航；或者

判断无人船是否已执行完所述任务且与控制终端断联，如出现上述情况，则执行一键返航。

优选的，所述步骤c中，执行一键返航，控制无人船按处理后的航行轨迹进行逆向跟踪返航的过程包括：

c1、以当前航点为圆心，预设的r为半径设置一个圆形区域；

c2、判断该圆形区域内是否存在之前记录的航点，若不存在，则增大r的数值，扩大所述圆形区域，并重新判断该圆形区域内是否存在之前记录的航点；若存在之前记录的航点，则判断之前记录的航点为一个还是多个：若为一个，则将无人船的航向指向该航点；若为多个，则选择该圆形区域内航点序号为之前记录的最小航点作为所述无人船的航向指向，同时剔除该圆区域内其它的航点；

c3、判断是否完成所有之前记录航点的跟踪返航，若是，则结束一键返航；若不是，则返回步骤c1，直到完成所有之前记录航点的跟踪返航。

优选的，所述r大于等于两个相邻序号的航点之间的最大距离，所述两个相邻序号的航点之间的最大距离为所述无人船的最大速度与所述时间间隔的乘积。

本发明还提供一种无人船一键返航控制系统，其特征在于：所述系统包括：

采集模块：用于在无人船行驶过程中，根据预设的时间间隔或预设的距离间隔，测量无人船的当前位置及当前航向作为当前航点，发送给主控模块；

主控模块：用于获取当前航点信息，并按顺序编号进行保存记录，同时根据当前航点判断和/或处理所述无人船的航行轨迹；并判断是否需要执行一键返航，若需要执行一键返航，则控制无人船沿处理后的航行轨迹进行逆向跟踪返航，返回起始位置。

优选的，所述采集模块包括：

gps导航模块：用于根据预设的时间间隔或预设的距离间隔，测量无人船的当前位置；

电子罗盘：用于根据预设的时间间隔或预设的距离间隔，测量无人船的当前航向。

优选的，所述主控模块包括：

存储单元：用于存储获取的当前航点信息，并按顺序编号进行保存记录；

判断处理单元：用于获取当前航点，并根据当前航点判断和/或处理所述无人船的航行轨迹；

返航控制单元：用于判断是否有接收到来自于控制终端的一键返航请求，或者是否有检测到无人船出现电源电量低于一定阈值的情况，或者无人船是否已执行完所述任务且与控制终端断联，若出现上述任一所述情况，则控制无人船按判断处理单元处理后的航行轨迹进行逆向跟踪返航，返回起始位置。

优选的，所述执行一键返航，控制无人船按处理后的航行轨迹进行逆向跟踪返航的过程包括：

以当前航点为圆心，预设的r为半径设置一个圆形区域；判断该圆形区域内是否存在之前记录的航点，若不存在，则增大r的数值，扩大所述圆形区域，并重新判断该圆形区域内是否存在之前记录的航点；若存在之前记录的航点，则判断之前记录的航点为一个还是多个：若为一个，则将无人船的航向指向该航点；若为多个，则选择该圆形区域内航点序号为之前记录的最小航点作为所述无人船的航向指向，同时剔除该圆区域内其它的航点；

判断是否完成所有之前记录航点的跟踪返航，若是，则结束一键返航；若不是，则返回上述步骤，直到完成所有之前记录航点的跟踪返航。

本发明采用如上技术方案带来的有益技术效果是：根据本发明技术方案，实现了一种无人船一键返航控制方法，同时，通过本发明方法，显著提高了系统存储航点的准确性，可有效避免无人船返航时碰撞障碍物，同时节省了存储单元存储航点时的内存，以及极大的节省了无人船返航时所用的电量，实现无人船低电返航。

附图说明

为了更清楚地说明本发明所述实施例，下面将对实施例所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的无人船一键返航控制方法流程示意图；

图2是本发明一个实施例提供的执行一键返航的返航方法流程示意图；

图3是本发明一个实施例提供的根据预设的距离间隔，测量的无人船当前航点，并按顺序编号进行保存记录的示意图；

图4是本发明一个实施例提供的当判断圆内存在一个之前记录的航点时的示意图；

图5是本发明一个实施例提供的当判断圆内存在多个之前记录的航点时的示意图；

图6是本发明一个实施例提供的一键返航时逆向跟踪处理过的航行轨迹示意图；

图7是本发明一个实施例提供的无人船一键返航控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述，本文通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，即所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1所示，本发明提供的一种无人船一键返航控制方法，包括如下步骤：

a、在无人船行驶过程中，根据预设的时间间隔或预设的距离间隔，测量无人船的当前位置及当前航向作为当前航点；

b、获取当前航点信息，并按顺序编号进行保存记录，同时根据当前航点判断和/或处理所述无人船的航行轨迹；

c、判断是否需要执行一键返航，若不需要，则重复执行步骤a；若需要，则执行一键返航，控制无人船按处理后的航行轨迹进行逆向跟踪返航，返回起始位置。

在一个优选实施例中，如图2所示，所述步骤b中，根据当前航点判断和/或处理所述无人船的航行轨迹的具体方法为：所述无人船在航行过程中每隔一定时间间隔记录航行轨迹中的航点，并把所述航点记录到gps地图中进行保存。

在一个优选实施例中，所述步骤b中，当前航点的存储格式为(x,y,n),其中，x，y为当前航点坐标；n为记录的当前航点序号，为自然数。

在一个优选实施例中，所述步骤c中，判断是否需要执行一键返航的情况包括：判断是否有接收到来自于控制终端的一键返航请求，若有接收到控制终端的一键返航请求，则执行一键返航；或者，判断是否有检测到无人船出现电源电量低于一定阈值的情况，当有检测到无人船出现电源电量低于一定阈值时，则执行一键返航；或者，判断无人船是否已执行完所述任务且与控制终端断联，如出现上述情况，则执行一键返航。

在一个优选实施例中，所述步骤c中，执行一键返航，控制无人船按处理后的航行轨迹进行逆向跟踪返航的过程包括：

c1、以当前航点为圆心，预设的r为半径设置一个圆形区域；

c2、判断该圆形区域内是否存在之前记录的航点，若不存在，则增大r的数值，扩大所述圆形区域，并重新判断该圆形区域内是否存在之前记录的航点；若存在之前记录的航点，则判断之前记录的航点为一个还是多个：若为一个，则将无人船的航向指向该航点；若为多个，则选择该圆形区域内航点序号为之前记录的最小航点作为所述无人船的航向指向，同时剔除该圆区域内其它的航点；

c3、判断是否完成所有之前记录航点的跟踪返航，若是，则结束一键返航；若不是，则返回步骤c1，直到完成所有之前记录航点的跟踪返航。

在一个优选实施例中，所述r大于等于两个相邻序号的航点之间的最大距离，所述两个相邻序号的航点之间的最大距离为所述无人船的最大速度与所述时间间隔的乘积。

示例性的，为了更清楚的描述本发明中无人船一键返航控制的具体方法，详见图3～图6所示，详述步骤如下：

步骤a、无人船沿图3箭头所示方向行驶，以一定距离d，通过gps导航模块测量无人船的当前位置以及通过电子罗盘测量无人船的当前航向，作为当前航点；

步骤b、获取当前航点信息，分别在t1、t2、t3、t4…时刻以1,2,3,4…作为序号保存记录航点到gps地图中；

c、判断是否需要执行一键返航，若不需要，则重复执行步骤a；若需要，则执行一键返航，控制无人船按处理后的航行轨迹进行逆向跟踪返航(如图6所示，按照航点序号由大到小的顺序进行航迹跟踪)，返回起始位置。具体的，执行一键返航的返航过程包括，c1、以当前航点为圆心，预设的r为半径设置一个圆形区域；c2、判断该圆形区域内是否存在之前记录的航点，若不存在，则增大r的数值，扩大所述圆形区域，并重新判断该圆形区域内是否存在之前记录的航点；若存在之前记录的航点，则判断之前记录的航点为一个还是多个：若为一个，则将无人船的航向指向该航点(如图4所示，如在t5时刻判断圆区域内存在之前记录航点n4，则让t5时刻航点序号等于n4并保存,同时删除t4时刻记录的航点)；若为多个，则选择该圆形区域内航点序号为之前记录的最小航点作为所述无人船的航向指向，同时剔除该圆区域内其它的航点(如图5所示，在圆区域内存在多个之前记录的航点n7和n8，则让当前位置航点序号等于n7并保存，同时删除之前记录的航点n7和n8，以及序号大于n7的航点)；c3、判断是否完成所有之前记录航点的跟踪返航，若是，则结束一键返航；若不是，则返回步骤c1，直到完成所有之前记录航点的跟踪返航。

实施例2

本发明提供的一种无人船一键返航控制系统，系统包括：

采集模块：用于在无人船行驶过程中，根据预设的时间间隔或预设的距离间隔，测量无人船的当前位置及当前航向作为当前航点，发送给主控模块；

主控模块：用于获取当前航点信息，并按顺序编号进行保存记录，同时根据当前航点判断和/或处理所述无人船的航行轨迹；并判断是否需要执行一键返航，若需要执行一键返航，则控制无人船沿处理后的航行轨迹进行逆向跟踪返航，返回起始位置。

进一步的，在本实施例中，系统还包括用于与控制终端无线通信的无线通信模块，所述主控模块经由所述无线通信模块接收来自控制终端的返航指令或触发自动返航等模式。

在一个优选实施例中，所述采集模块包括：

gps导航模块：用于根据预设的时间间隔或预设的距离间隔，测量无人船的当前位置；

电子罗盘：用于根据预设的时间间隔或预设的距离间隔，测量无人船的当前航向。

在本实施例中，gps导航模块、电子罗盘分别与主控模块连接。

在一个优选实施例中，所述主控模块包括：

存储单元：用于存储获取的当前航点信息，并按顺序编号进行保存记录；

判断处理单元：用于获取当前航点，并根据当前航点判断和/或处理所述无人船的航行轨迹；

返航控制单元：用于判断是否有接收到来自于控制终端的一键返航请求，或者是否有检测到无人船出现电源电量低于一定阈值的情况，或者无人船是否已执行完所述任务且与控制终端断联，若出现上述任一所述情况，则控制无人船按判断处理单元处理后的航行轨迹进行逆向跟踪返航，返回起始位置。

在本实施例中，还包括有用于接收控制终端(如遥控器)指令的射频收发模块以及射频处理模块，所述射频处理模块用于检测射频收发模块所接收到的遥控器指令，并生成相应的遥控信号并发送给返航控制单元，或当无人船执行完所述任务与控制终端(如遥控器)出现断联以致所述射频处理模块检测不到遥控器指令时，所述射频处理模块反馈信息给返航控制单元，所述返航控制单元自动控制无人机执行返航，按判断处理单元处理后的航行轨迹进行逆向跟踪返航，返回起始位置。

在本实施例中，检测无人船是否出现电源电量较低情况(低于一定阈值)，可通过设置电压检测元件检测电源电量，当电压检测元件检测到电源电量较低时，生成低电量信息，无人船发出低电报警并在返航控制单元的控制下，按判断处理单元处理后的航行轨迹进行逆向跟踪返航，返回起始位置。

在本实施例中，判断处理单元可以是通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路asic，现场可编程门阵列fpga、模拟电路、数字电路、及其组合等。控制终端可以是提供地理位置坐标的飞行控制器(如手机、pad或其他移动终端，由船手操作，用于远程控制无人船返航等操作)，存储单元是易失性存储器或非易失性存储器，本发明中存储单元存储当前航点的存储格式为(x,y,n),其中，x，y为当前航点坐标，n为记录的当前航点序号，为自然数。

在一个优选实施例中，根据当前航点判断和/或处理所述无人船的航行轨迹的具体方法为：所述无人船在航行过程中每隔一定时间间隔记录航行轨迹中的航点，并把所述航点记录到gps地图中进行保存。

在一个优选实施例中，所述执行一键返航，控制无人船按处理后的航行轨迹进行逆向跟踪返航的过程包括：

以当前航点为圆心，预设的r为半径设置一个圆形区域；判断该圆形区域内是否存在之前记录的航点，若不存在，则增大r的数值，扩大所述圆形区域，并重新判断该圆形区域内是否存在之前记录的航点；若存在之前记录的航点，则判断之前记录的航点为一个还是多个：若为一个，则将无人船的航向指向该航点；若为多个，则选择该圆形区域内航点序号为之前记录的最小航点作为所述无人船的航向指向，同时剔除该圆区域内其它的航点；

判断是否完成所有之前记录航点的跟踪返航，若是，则结束一键返航；若不是，则返回上述步骤，直到完成所有之前记录航点的跟踪返航。

在一个优选实施例中，所述r大于等于两个相邻序号的航点之间的最大距离，所述两个相邻序号的航点之间的最大距离为所述无人船的最大速度与所述时间间隔的乘积。

通过采用本发明系统及方法，可显著提高系统存储航点的准确性，有效避免无人船因返航时碰撞障碍物而损毁，同时可大量节省存储单元存储航点时的内存，以及可极大的节省无人船返航时所用电量，实现无人船低电返航。

通过以上实施方式的描述，本发明中使用的“模块”、“系统”等术语旨在包括与计算机相关的实体，例如但不限于硬件、固件、软硬件组合、软件或者执行中的软件，即本领域的普通技术人员可以清楚地了解到部分实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分是以硬件加计算机软件产品的形式体现出来的，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。最后需要说明的是，以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而并非对其限制。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能够理解，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。