流速下的无人船入库方法、装置、计算机设备及存储介质与流程

1.本发明涉及无人船入库技术领域，尤其是指流速下的无人船入库方法、装置、计算机设备及存储介质。


背景技术：

2.随着无人驾驶技术的飞速发展，无人船也受到了越来越多的关注，并且已经被应用到诸多作业场景中辅助人们工作。为了更好地提升无人船的智能化程度，自主停靠以及自主返航充电功能不可或缺。出于减轻系统重量、节约成本与能耗，以及提高系统可靠性的考虑，无人船多为欠驱动系统。这种欠驱动特性使得无人船仅能实现纵向速度的控制，而无法实现横向平移，然而在实际工作场景中，例如在较大流速的河道中，船只受水流作用下会产生横向位移，这极大地影响了船只入库的精准性。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供流速下的无人船入库方法、装置、计算机设备及存储介质。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：第一方面，本实施例提供了一种流速下的无人船入库方法，包括以下步骤：预先设定库位并标记，以作为库位标记点；启动无人船返航任务，并规划出最优返航路径；估算无人船抵抗水流所需的漂角；根据最优返航路径和漂角，控制无人船朝库位标记点运动，直至到达。
5.其进一步技术方案为：所述预先设定库位并标记，以作为库位标记点步骤中，通过手动遥控无人船驶入库位,然后将无人船保持静止一段时间，记录这段时间无人船的经纬度信息与方向角信息，并以此确定库位，即库位标记点。
6.其进一步技术方案为：所述规划出最优返航路径指的是根据主航道信息、无人船当前位置信息以及库位标记点规划出最优返航路径。
7.其进一步技术方案为：所述估算无人船抵抗水流所需的漂角步骤中，通过构建无人船在定值水流中的运动学和动力学模型，估算无人船抵抗水流所需的漂角。
8.其进一步技术方案为：所述根据最优返航路径和漂角，控制无人船朝库位标记点运动，直至到达步骤中，根据最优返航路径和漂角，计算油门参数，控制无人船按照油门参数朝库位标记点运动，直至到达。
9.其进一步技术方案为：所述根据最优返航路径和漂角，控制无人船朝库位标记点运动，直至到达步骤之后，还包括：判断无人船是否入库成功；若无人船入库成功，则自动结束返航任务；若无人船未入库成功，则重新规划返航路线，并执行返航任务。
10.第二方面，本实施例提供了一种流速下的无人船入库装置，包括：设定单元、启动规划单元、估算单元及控制单元；
所述设定单元，用于预先设定库位并标记，以作为库位标记点；所述启动规划单元，用于启动无人船返航任务，并规划出最优返航路径；所述估算单元，用于估算无人船抵抗水流所需的漂角；所述控制单元，用于根据最优返航路径和漂角，控制无人船朝库位标记点运动，直至到达。
11.其进一步技术方案为：所述设定单元中，通过手动遥控无人船驶入库位,然后将无人船保持静止一段时间，记录这段时间无人船的经纬度信息与方向角信息，并以此确定库位，即库位标记点。
12.第三方面，本实施例提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器及处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述所述的流速下的无人船入库方法。
13.第四方面，本实施例提供了一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时可实现如上述所述的流速下的无人船入库方法。
14.本发明与现有技术相比的有益效果是：通过预先设定库位，然后规划出最优返航路径，再估算无人船抵抗水流所需的漂角，然后控制无人船朝库位标记点运动，直至到达，使得无人船在较大流速下也可以实现精准入库，扩大了应用场景。
15.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明实施例提供的流速下的无人船入库方法的流程示意图；图2为本发明实施例提供的无人船轨迹跟随示意图；图3为本发明实施例提供的流速下的无人船入库装置的示意性框图；图4为本发明实施例提供的计算机设备的示意性框图。
具体实施方式
18.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做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。
19.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和
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包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
20.还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上
下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
21.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
22.请参阅图1所示的具体实施例，本发明公开了一种流速下的无人船入库方法，包括以下步骤：s1，预先设定库位并标记，以作为库位标记点；在一实施例中，通过手动遥控无人船驶入库位,然后将无人船保持静止一段时间（例如：5-30秒），记录这段时间无人船的经纬度信息与方向角信息，并以此确定库位，即库位标记点。
23.s2，启动无人船返航任务，并规划出最优返航路径；在一实施例中，当无人船任务执行完毕或电量过低时，可通过控制终端（如手机、平板、电脑等）启动无人船返航任务。控制终端下发返航指令后，根据主航道信息、无人船当前位置信息以及库位标记点规划出最优返航路径。
24.具体地，无人船当前位置信息是通过gps定位或北斗定位获取的经纬度信息。
25.具体地，在实际场景中，河流会有很多分支，主航道是指有一定宽度，起主要通行作用的航道，主航道的标记方法是遥控船只沿着河流主航道运动，同时记录经纬度点信息，最终形成一条完整的主航道中心线，即主航道信息，并进行存储。
26.具体地，无人船在进行返航任务的时候，首先会从无人船当前位置行驶至主航道，接着由主航道行驶到库前方，同时计算出一个可到库区域，无人船抵达该区域后生成倒行路线，执行倒库。
27.s3，估算无人船抵抗水流所需的漂角；在一实施例中，河道中的水流在一段时间内通常是稳定或缓慢变化的，即水流的流速和方向基本是固定的，通过构建无人船在定值水流中的运动学和动力学模型，估算无人船抵抗水流所需的漂角。
28.具体地，运动学指在地面坐标系中，船舶位置坐标与运动参数（包括船只航向角、前向速度、侧向速度以及航向角速度）之间的关系。
29.具体地，运动学的公式如下：；其中，为无人船在地面坐标系下的水平面坐标，为航向角，为前向速度，为侧向速度，为航向角速度。
30.具体地，动力学模型可以用非线性方程概括为：；其中，表示船速，表示附加质量和惯性矩阵，表示coriolis和向心项的斜对称矩阵，表示半正定拖曳矩阵值函数，表示三个自由度
施加到船体的力矩矢量。
31.参阅图2所示，所需的漂角的估算如下：设定路线切向角为，无人船当前位置为，预瞄点位置为，为路径坐标系下的横向跟踪误差，为预瞄距离，为所需的漂角。
32.具体地，无人船在进行路径跟随时，实际上是一个不断跟点的过程，预瞄点位置是指无人船下一时刻期望去往的位置。
33.在定值水流的干扰下，常规pid控制无法较快的实现路线跟踪，并且水流速度大小发生较大变化时，相同的pid参数无法适用。因此，水流的影响可以使用前馈控制进行补偿，这需要先估计出船艏抵抗水流所需要补偿的方向。在水流作用下，无人船的期望方向角为：；其中，积分项为无人船为了抵抗水流影响而补偿的偏差。
34.为了得到无人船抵抗定值水流所需漂角的估计值，设计自适应状态观测器，自适应状态观测器用于估计状态和辨识模型未知参数，是一种算法，具体如下；；其中，为自适应增益，为无人船的合速度，利用卡尔曼滤波法求解上述方程，即可得到。
35.具体地，得到了状态方程和观测方程后，计算状态估计误差与观测估计误差，给定初始值，根据误差不断迭代修正，从而得到较为准确的漂角估计值。
36.s4，根据最优返航路径和漂角，控制无人船朝库位标记点运动，直至到达。
37.在一实施例中，根据最优返航路径和漂角，计算油门参数，控制无人船按照油门参数朝库位标记点运动，直至到达。具体如下：根据无人船实际位置、预瞄点位置及水流干扰补偿项，计算得到期望方向角，并由此计算转弯油门，从而使无人船的角朝向期望轨迹（即库位标记点方向）。
38.具体地，设计双环pid控制器，输入期望方向角与船当前角的之间的差值，得到转弯油门值。其中，角指的是无人船的方向角。
39.根据无人船实际位置与预瞄点位置之间的距离，得出期望的纵向速度，并由此计算直行油门，从而使无人船向期望轨迹靠近（即库位标记点方向），直至到达。
40.具体地，期望的纵向速度是根据无人船当前位置与目标点距离以及路线点的曲率得出的，距离越远目标速度越大，曲率越小目标速度越大，然后综合考虑做加权。
41.具体地，设计单环pid控制器，输入无人船当前速度与期望速度之间的差值，得到直行油门。
42.在一实施例中，在s4步骤之后，还包括：判断无人船是否入库成功；若无人船入库成功，则自动结束返航任务；若无人船未入库成功，则重新规划返航路线，并执行返航任务。
43.本发明通过预先设定库位，然后规划出最优返航路径，再估算无人船抵抗水流所需的漂角，然后控制无人船朝库位标记点运动，直至到达，使得无人船在较大流速下也可以实现精准入库，扩大了应用场景。
44.请参阅图3所示，本发明还公开了一种流速下的无人船入库装置，包括：设定单元10、启动规划单元20、估算单元30及控制单元40；所述设定单元10，用于预先设定库位并标记，以作为库位标记点；所述启动规划单元20，用于启动无人船返航任务，并规划出最优返航路径；所述估算单元30，用于估算无人船抵抗水流所需的漂角；所述控制单元40，用于根据最优返航路径和漂角，控制无人船朝库位标记点运动，直至到达。
45.其中，所述设定单元10中，通过手动遥控无人船驶入库位,然后将无人船保持静止一段时间，记录这段时间无人船的经纬度信息与方向角信息，并以此确定库位，即库位标记点。
46.其中，所述规划出最优返航路径指的是根据主航道信息、无人船当前位置信息以及库位标记点规划出最优返航路径。
47.其中，所述估算单元30中，通过构建无人船在定值水流中的运动学和动力学模型，估算无人船抵抗水流所需的漂角。
48.其中，所述控制单元40中，根据最优返航路径和漂角，计算油门参数，控制无人船按照油门参数朝库位标记点运动，直至到达。
49.其中，该装置还包括：判断单元，用于判断无人船是否入库成功；若无人船入库成功，则自动结束返航任务；若无人船未入库成功，则重新规划返航路线，并执行返航任务。
50.需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，上述流速下的无人船入库装置和各单元的具体实现过程，可以参考前述方法实施例中的相应描述，为了描述的方便和简洁，在此不再赘述。
51.上述流速下的无人船入库装置可以实现为一种计算机程序的形式，该计算机程序可以在如图4所示的计算机设备上运行。
52.请参阅图4，图4是本技术实施例提供的一种计算机设备的示意性框图；该计算机设备500可以是终端，也可以是服务器，其中，终端可以是智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式电脑、个人数字助理和穿戴式设备等具有通信功能的电子设备。服务器可以是独立的服务器，也可以是多个服务器组成的服务器集群。
53.参阅图4，该计算机设备500包括通过系统总线501连接的处理器502、存储器和网络接口505，其中，存储器可以包括非易失性存储介质503和内存储器504。
54.该非易失性存储介质503可存储操作系统5031和计算机程序5032。该计算机程序5032包括程序指令，该程序指令被执行时，可使得处理器502执行一种流速下的无人船入库方法。
55.该处理器502用于提供计算和控制能力，以支撑整个计算机设备500的运行。
56.该内存储器504为非易失性存储介质503中的计算机程序5032的运行提供环境，该计算机程序5032被处理器502执行时，可使得处理器502执行一种流速下的无人船入库方法。
57.该网络接口505用于与其它设备进行网络通信。本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备500的限定，具体的计算机设备500可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
58.其中，所述处理器502用于运行存储在存储器中的计算机程序5032，以实现如下步骤：步骤s1，预先设定库位并标记，以作为库位标记点；步骤s2，启动无人船返航任务，并规划出最优返航路径；步骤s3，估算无人船抵抗水流所需的漂角；步骤s4，根据最优返航路径和漂角，控制无人船朝库位标记点运动，直至到达。
59.应当理解，在本技术实施例中，处理器502可以是中央处理单元 (central processing unit，cpu)，该处理器502还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (digital signal processor，dsp)、专用集成电路 (application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列 (field-programmable gate array，fpga) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。其中，通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
60.本领域普通技术人员可以理解的是实现上述实施例的方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。该计算机程序包括程序指令，计算机程序可存储于一存储介质中，该存储介质为计算机可读存储介质。该程序指令被该计算机系统中的至少一个处理器执行，以实现上述方法的实施例的流程步骤。
61.因此，本发明还提供一种存储介质。该存储介质可以为计算机可读存储介质。该存储介质存储有计算机程序，其中计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时可实现上述的流速下的无人船入库方法。该存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时可实现上述的方法。该程序指令包括以下步骤：步骤s1，预先设定库位并标记，以作为库位标记点；步骤s2，启动无人船返航任务，并规划出最优返航路径；步骤s3，估算无人船抵抗水流所需的漂角；步骤s4，根据最优返航路径和漂角，控制无人船朝库位标记点运动，直至到达。
62.所述存储介质可以是u盘、移动硬盘、只读存储器（read-only memory，rom）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的计算机可读存储介质。
63.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专
业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
64.在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的。例如，各个单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
65.本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。本发明实施例装置中的单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。
66.该集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，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，终端，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。
67.上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。