一种无人船自动靠泊系统及方法与流程

本发明涉及无人船控制的技术领域，特别涉及一种无人船自动靠泊系统及方法。

背景技术：

目前，岛礁上的补给主要靠不足千吨的浅吃水型登陆船进行补给，但受限于登陆船只本身设计，航速高、运力较小，运送货物种类也偏少。无人补给船相比有人登陆船，由于其可以在不利于人工操作的海况下运营，并且可以通过精简船员所用的生活设备，降低船体重量，从而可运载更多的货物，非常适合于岛礁补给任务，无人补给船将成为诸多岛礁之间、岛礁和陆地之间的高效补给运输平台，而在无人补给船装货-运输-靠泊-卸货-返航整个补给过程中，全过程无人化操作将成为发展趋势。

目前，国内外对无人船的研究集中在各类小型遥控无人船，其在靠泊过程中，主要依靠远程遥控或者人工辅助来进行靠泊作业，还没有实现完全无人化操作。在岛礁补给过程中，由于岛礁环境恶劣，人员操作情况下具有一定的危险性，因此，针对岛礁补给过程的特殊性，实现高效安全的岛礁补给，改进现有技术缺陷是十分必要的。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种无人船自动靠泊系统及方法，实现无人船靠泊过程中的无人化自动靠泊，其对于实现岛礁补给过程无人化具有重要意义，能有效提升无人船补给安全性和补给效率，降低补给成本。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一种无人船自动靠泊系统，包括码头泊位管理子系统和无人船靠泊子系统，所述码头泊位管理子系统用于管理泊位信息及引导无人船自动靠泊，实现码头无人化操作，所述无人船靠泊子系统用于实现无人船的自动靠泊；

所述码头泊位管理子系统包括硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括第一摄像头装置、岸基无线通信装置、泊位指示装置和岸基工作站；所述软件系统包括摄像头数据采集模块、无线通信信息处理模块、信息处理模块、泊位信息管理模块和显示模块；

所述第一摄像头装置，用于实时获取码头的视频/图像信息；

所述岸基无线通信装置，用于与无人船进行数据传输；

所述泊位指示装置，用于以无人船在靠泊过程中的泊位识别；

所述岸基工作站，用于进行子系统信息处理和显示，子系统的所有信息都汇集到岸基工作站；

所述摄像头数据采集模块，用于采集码头的实时的视频/图像信息；

所述的无线通信信息处理模块，用于接收船基无线通信装置发送的信息，同时发送相对应的反馈信息；

所述的信息处理模块，用于对接收到的无线通信信息进行处理，获取请求类型及详细内容，并得出相对应的需反馈的数据；或者用于对视频/图像信息进行处理，识别泊位是否有船舶或影响靠泊的障碍物；

所述的泊位信息管理模块，用于管理泊位空闲状态；

所述的显示模块，用于显示码头泊位的实时视频信息和泊位空闲信息；

所述无人船靠泊子系统，包括硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括超声波传感器装置、第二摄像头装置、gps装置、环境监测装置、船基无线通信装置、靠泊处理系统和靠泊控制装置；所述软件系统包括初始化模块、超声波数据采集/处理模块、摄像头数据采集/处理模块、gps数据采集/处理模块、信息融合模块、路径规划与跟踪模块、靠泊控制模块；

所述超声波传感器装置，用于实时获取船舶右舷侧及前后障碍物的距离信息；

所述第二摄像头装置，用于实时获取船体右舷侧的视频/图像信息；

所述gps装置，用于实时获取无人船的位置信息；

所述环境监测装置，用以获取船舶所处环境参数；

所述的船基无线通信装置，用以与码头岸基进行通信；

所述靠泊处理系统，用于对采集或接收到的数据进行处理分析及信息融合，根据结果进行靠泊路径规划和跟踪；

所述的靠泊控制装置，用于依据指令完成相应的无人船行驶操作；

所述的初始化模块，用于在进行自动靠泊操作前，检测并初始化靠泊子系统；

所述的超声波数据采集/处理模块，采用时间法作为超声波测距算法，根据各个探头之间的安装位置关系，对多个超声波传感器探头得到的信息进行融合；

所述的摄像头数据采集/处理模块，用于实现在复杂背景下识别泊位标识、漂浮障碍物的算法；

所述的gps数据采集/处理模块，获取实时gps信息进行无人船的定位；

所述的信息融合模块，用于对采集到的所有信息进行处理分析和信息融合；

所述的路径规划及跟踪模块，根据信息融合结果规划无人船从当前位置到目标位置的最佳路径；

所述的靠泊控制模块，依据当前的无人船状态和规划的靠泊路径，计算出靠泊时所需的角度、动力、方向信息，并与整船一起完成靠泊作业。

作为优选的技术方案，所述摄像头装置为1个，安装在码头位置；

所述岸基无线通信装置，采用2.4g无线通信方式；

所述泊位指示装置，为单个泊位安装的3个标记点，标记点均匀分布；

所述岸基工作站为放置于远程监控室的工控机。

作为优选的技术方案，所述超声波传感器装置为围绕船舶侧面安装的6个超声波传感器，其中船艏1个，船艉2个，船舶右舷侧3个；

所述第二摄像头装置为在船舶右舷侧顶部安装1个摄像头；

所述gps装置为在船体顶部安装的船载gps仪器；

所述环境监测装置为安装在无人船上的风向仪、流速仪、纵摇传感器和横摇传感器；

所述的靠泊处理系统以总线型工控机为处理核心。

作为优选的技术方案，所述无人船行驶操作包括角度、方向或动力方面的行驶操作。

本发明还提供了一种无人船自动靠泊系统的控制方法，包括下述步骤：

s1、码头泊位管理子系统进行泊位管理的步骤，具体包括下述内容：

s11、码头摄像头装置采集码头泊位实时图像信息，针对实时图像判断泊位是否具有停泊条件，并实时更新泊位信息；

s12、在接收到有停泊请求时，将有停泊条件的泊位信息发送给无人船；

s13、在接收到停泊完成或离开泊位信息时，结合实时图像信息进行判定泊位是否有停靠船舶占用，并以声光提示方式进行提醒；

s14、码头泊位管理子系统循环执行步骤s11-s13；

s2、无人船靠泊子系统进行停靠处理的步骤，具体包括下述内容：

s21、无人船在航行过程中，当按照规划的路线行驶到指定岛礁附近时，通过船基无线通信搜索岸基无线信号，并与岸基无线通信建立连接；

s22、向岸基工作站发送靠泊请求，等待岸基信息返回；

s23、岸基管理站将具备靠泊条件的泊位信息发送给无人船靠泊处理系统；

s24、无人船自动行驶到靠泊工作区域内，结合泊位gps信息和第二摄像头装置调整船舶方位，使船舶右舷侧面向泊位并识别泊位；

s25、船舶右舷侧超声波装置将实时检测船舶右舷侧与泊位的距离；艏艉超声波装置实时检测船舶艏艉方向距离障碍物的距离，保证无人船前后的安全；环境监测装置实时监测靠泊过程中的环境因素；

s26、靠泊处理系统通过对采集和接收到的所有数据进行数据融合和处理，获取泊位和障碍物方位和距离信息，同时结合无人船当前的位置和目标位置实时规划出最佳的靠泊路径；根据靠泊路径，结合实时环境监测参数，靠泊控制模块发送控制指令按照所述靠泊路径对无人船进行转向、变速操作，实时改变无人船的运动状态；

s27、重复步骤s25、s26，直至无人船安全、准确地停泊在指定泊位；

s28、靠泊成功后，向岸基发送靠泊成功信息。

6、根据权利要求5所述的无人船自动靠泊系统的控制方法，其特征在于，步骤s12中，所述停泊条件包括没有停靠船舶占用、没有可影响停泊的障碍物以及停泊环境适合。

作为优选的技术方案，所述步骤s23中，所述具备靠泊条件的泊位信息括泊位gps信息和泊位号。

作为优选的技术方案，所述步骤s24中，调整船舶方位是通过处理第二摄像头装置采集的视频/图像数据，识别泊位的标记点，同时结合gps定位来完成，在识别并对准泊位后，开始自动靠泊作业。

作为优选的技术方案，所述步骤s25中，所述环境因素包括水深、纵摇、横摇、风速、风向、流速和流向。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明通过无人化的码头泊位管理子系统和无人船靠泊子系统，解决在无人补给船补给过程中的无人化自动靠泊操作，提高了补给过程的安全性和补给效率。

2.本发明在无人船上安装超声波测距装置、gps装置、摄像头装置和环境监测装置，获取自动靠泊过程中的数据，同时通过数据融合处理，得到更加准确的靠泊路径规划，提高自动靠泊系统的安全性和准确性。

附图说明

图1是本发明中无人船自动靠泊系统构成图；

图2是本发明中码头泊位管理子系统结构框图；

图3是本发明中无人船靠泊子系统结构框图；

图4是本发明中无人船靠泊过程流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例1的一种无人船自动靠泊系统，包括码头泊位管理子系统和无人船靠泊子系统。

如图2所示，所述码头泊位管理子系统包括硬件系统和软件系统,硬件系统包括摄像头装置，岸基无线通信装置、泊位指示装置和岸基工作站；

所述的摄像头装置为码头位置安装的1个摄像头，用以实时获取码头的视频/图像信息；

所述的岸基无线通信装置采用2.4g无线通信方式，用以与无人船进行数据传输；

所述的泊位指示装置为单个泊位安装的3个标记点，标记点均匀分布，用以无人船在靠泊过程中的泊位识别；

所述的岸基工作站为放置于远程监控室的工控机，用以进行子系统信息处理和显示，子系统的所有信息都汇集到岸基工作站；

本发明中的码头泊位管理子系统，其软件系统包括摄像头数据采集模块、无线通信信息处理模块、信息处理模块、泊位信息管理模块和显示模块，其中：

摄像头数据采集模块采集码头的实时的视频/图像信息；

无线通信信息处理模块接收船基无线通信装置发送的信息，同时发送相对应的反馈信息；

信息处理模块对接收到的无线通信信息进行处理，获取请求类型及详细内容，并得出相对应的需反馈的数据；对视频/图像信息进行处理，识别泊位是否有船舶或影响靠泊的障碍物；

泊位信息管理模块管理泊位空闲状态；

显示模块用于显示码头泊位的实时视频信息和泊位空闲信息。

如图3所示，所述无人船靠泊子系统包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括超声波传感器装置、摄像头装置、gps装置、环境监测装置、船基无线通信装置、靠泊处理系统和靠泊控制装置

所述的超声波传感器装置为围绕船舶侧面安装的6个超声波传感器，其中船艏1个，船艉2个，船舶右舷侧3个，用以实时获取船舶右舷侧及前后障碍物的距离信息；

所述的摄像头装置为在船舶右舷侧顶部安装1个摄像头，用以实时获取船体右舷侧的视频/图像信息；

所述的gps装置为在船体顶部安装的船载gps仪器，用以实时获取无人船的位置信息；

所述的环境监测装置为安装在无人船上的风向仪、流速仪、纵/横摇传感器，用以获取船舶所处环境参数；

所述的船基无线通信装置，用以与码头岸基进行通信；

所述的靠泊处理系统以总线型工控机为处理核心，用以对采集或接收到的数据进行处理分析及信息融合，根据结果进行靠泊路径规划和跟踪；

所述的靠泊控制装置用于依据指令完成相应的无人船行驶操作；

所述的无人船行驶操作包括角度、方向或动力方面的行驶操作；

本发明中的无人船靠泊子系统，软件系统包括初始化模块、超声波数据采集/处理模块、摄像头数据采集/处理模块、gps数据采集/处理模块、信息融合模块、路径规划与跟踪模块、靠泊控制模块；

所述的初始化模块为在进行自动靠泊操作前，检测并初始化靠泊子系统；

所述的超声波数据采集/处理模块采用时间法作为超声波测距算法，根据各个探头之间的安装位置关系，对多个超声波传感器探头得到的信息进行融合；

所述的摄像头数据采集/处理模块实现在复杂背景下识别泊位标识、漂浮障碍物的算法；

gps数据采集/处理模块获取实时gps信息进行无人船的定位；

信息融合模块用于对采集到的所有信息进行处理分析和信息融合；

路径规划及跟踪模块根据信息融合结果规划无人船从当前位置到目标位置的最佳路径；

靠泊控制模块依据当前的无人船状态和规划的靠泊路径，计算出靠泊时所需的角度、动力、方向情况等信息，并与整船一起完成靠泊作业。

本实施例1通过码头泊位管理子系统，管理泊位信息及引导无人船自动靠泊，实现码头无人化操作；通过无人船靠泊子系统，实现无人船自动准确地靠泊在指定泊位上。本发明在无人船靠泊过程中，实现无人化自动靠泊，对于实现岛礁补给过程无人化具有重要意义，能有效提升无人船补给安全性和补给效率，降低补给成本。

实施例2

本实施例2是上述实施例1无人船自动靠泊系统的控制方法，该控制方法包括码头泊位管理子系统进行泊位管理的步骤和无人船靠泊子系统进行停靠处理的步骤。

所述码头泊位管理子系统进行泊位管理的步骤，具体包括下述内容

s11、码头摄像头装置采集码头泊位实时图像信息，针对实时图像判断泊位是否具有停泊条件，并实时更新泊位信息；

s12、在接收到有停泊请求时，将有停泊条件的泊位信息发送给无人船；

s13、在接收到停泊完成或离开泊位信息时，结合实时图像信息进行判定泊位是否有停靠船舶占用，并以声光提示方式进行提醒；

s14、码头泊位管理子系统循环执行s11-s13步骤。

如图4所示，所述无人船靠泊子系统进行停靠处理的步骤包括下述内容：

s21、无人船在航行过程中，当按照规划的路线行驶到指定岛礁附近时，通过船基无线通信搜索岸基无线信号，并与岸基无线通信建立连接；

s22、向岸基工作站发送靠泊请求，等待岸基信息返回；

s23、岸基管理站将具备靠泊条件的泊位信息发送给无人船靠泊处理系统，信息包括泊位gps信息，泊位号；

s24、无人船自动行驶到靠泊工作区域内，结合泊位gps信息和摄像头装置调整船舶方位，使船舶右舷侧面向泊位并识别泊位，此过程主要通过处理摄像头采集的视频/图像数据，识别泊位的标记点，同时结合gps定位来完成，在识别并对准泊位后，开始自动靠泊作业；

s25、船舶右舷侧超声波装置将实时检测船舶右舷侧与泊位的距离；艏艉超声波装置实时检测船舶艏艉方向距离障碍物的距离，保证无人船前后的安全；环境监测装置实时监测靠泊过程中的环境因素，如水深、纵摇、横摇、风速、风向、流速、流向等；

s26、靠泊处理系统通过对采集和接收到的所有数据进行数据融合和处理，获取泊位和障碍物方位和距离信息，同时结合无人船当前的位置和目标位置实时规划出最佳的靠泊路径；根据靠泊路径，结合实时环境监测参数，靠泊控制模块发送控制指令按照所述靠泊路径对无人船进行转向、变速操作，实时改变无人船的运动状态；

s27、重复步骤s25和s26，直至无人船安全、准确地停泊在指定泊位；

s28、靠泊成功后，向岸基发送靠泊成功信息。

基于上述码头泊位管理子系统的工作流程和无人船靠泊子系统的工作流程，本实施例2可以实现无人船的自动靠泊，其对于实现岛礁补给过程无人化具有重要意义，能有效提升岛礁补给过程安全性和补给效率，降低补给成本。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。