一种无人艇自主停泊方法、装置及无人艇制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种无人艇自主停泊方法、装置及无人艇，属于无人艇控制技术领域，方法包括：GNSS全局引导：在无人艇接收到入港指令后，执行预先设定的入港任务，进入低速航迹航向保持区域，并使无人艇的航向航迹误差处于在一定范围内，以准备进入标签可视区域；标签像素引导：在进入标签可视区域后，根据标签可视区域内预设的色块标签，启动标签引导程序，精细调节无人艇姿态进入船坞泊位；若标签像素引导过程中出现连续丢像素帧或者航向航迹偏差超过预设范围，则将重置引导任务至低速航迹航向保持区域。本发明专利技术实施例能够低成本、有效保障无人艇入港/坞的稳定性和安全性，也能够提高进港/坞的精度，从而适用于狭小空间的无人艇停放。

An autonomous berthing method, device and unmanned boat

The invention discloses an autonomous berthing method, device and unmanned boat, belonging to the technical field of unmanned boat control. The method includes: GNSS global guidance: after the unmanned boat receives the port entry command, execute the pre-set port entry task, enter the low-speed track course keeping area, and make the course and track error of the unmanned boat within a certain range, so as to prepare the entry label to be visible Area; label pixel guidance: after entering the label visual area, start the label guidance program according to the preset color block label in the label visual area, and finely adjust the attitude of the unmanned boat to enter the dock berth; if there is continuous pixel loss frame in the label pixel guidance process or the heading track deviation exceeds the preset range, the guidance task will be reset to the low-speed track heading holding area. The embodiment of the invention can effectively guarantee the stability and safety of the unmanned boat entering the port / dock at a low cost, and also can improve the precision of the entering the port / dock, so as to be suitable for the unmanned boat parking in a narrow space.

【技术实现步骤摘要】
一种无人艇自主停泊方法、装置及无人艇
本专利技术涉及无人艇控制
，尤其涉及一种无人艇自主停泊方法、装置及无人艇。
技术介绍
水面无人艇(UnmannedSurfaceVehicle，USV)具有机动灵活、隐蔽性好和成本低等特点，广泛应用于救助、海洋资源探测以及侦查等民用和军用领域。目前，水面无人艇随着智能化程度的不断提高，必将在江湖探测、海洋工程与海洋军事领域有广泛的应用。当前无人艇的入港只能在低航速、低海况下人工操作进行，尤其在狭小空间里布置停船任务时很难准确及时的人工操作，因此，提供安全稳定可靠的自主入港解决方案是急需突破的瓶颈。中国专利技术专利“一种无人船自动靠泊系统及方法”(公开号CN109285389A)公开的系统及方法，包括码头泊位管理子系统和无人船靠泊子系统，通过摄像头采集图像信息进行泊位的自动化识别管理，通过无线装置与无人船进行数据交互，融合摄像头数据、超声波数据、GPS数据和环境监测数据，完成无人船的自动靠泊过程。但靠泊子系统的多传感器数据没有给出具体可操作的融合控制方法，也没有考虑摄像头特征图像的丢失情况，所述方法无法直接应用于狭窄空间的停泊。中国专利技术专利“基于单目视觉和激光数据融合的无人艇自主停泊系统和方法”(公开号CN108445880A)公开的系统及方法，通过视觉传感器检测标定泊位角度、激光传感器测定泊位距离相结合来实现无人艇的停泊。该方法没有给出具体可操作性的停泊策略；没有考虑当视觉传感器丢失特征时的紧急航行策略；且该方法没有考虑停泊中无人艇的姿态控制问题，无法直接应用于有限狭窄空间的停泊。中国专利技术专利“基于三维全景环视的无人艇自动锚泊视觉辅助系统”(公开号CN105741234A)公开的系统及方法，包括无人艇视频图像全景系统以及自动锚泊避障系统，通过安装至少四个摄像机和毫米波测距雷达来实现广阔的视角监控，将视频图像进行校正拼接以形成全景视觉，为无人艇锚泊系统服务。该方法缺乏针对性，仅为泊岸系统实现和提供图像和视频信息，没有给出实际的泊岸方法和策略；且该方法成本高，技术门槛高。中国专利技术专利“一种无人艇起吊回收视觉引导方法”(公开号CN107830860A)公开的系统及方法，公开了一种通过无线电台、透雾摄像头、激光测距仪以及IMU融合的起吊回收方案，实现和完成母船的确认、母船位置方位的检测以及近距离的起吊回收精准控制。该方法仍缺乏针对性，所述方法主要用于起吊回收；停泊中没有对泊岸姿态提出要求，很难仅依靠图像来保证无人艇与母船固定位置；且没有考虑丢失图像时无人艇的及时控制等问题；实现成本较高，过程复杂不易实现。综上，无人艇基于视觉图像的自主泊岸的难点在于：(1)需要考虑分阶段停泊策略，特别是停泊失败的策略，确保停泊的安全是首要的；(2)需要考虑摄像头等视觉模块的物理时间、空间以及气候的限制问题，像素的丢失等实际问题；(3)应用于狭窄空间的停泊需要考虑无人艇的准确姿态问题。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一，为此本专利技术提供了一种无人艇停泊方法、装置及计算机可读存储介质，从而实现对无人艇的精准姿态停放，方便应用于狭窄空间的停放。本专利技术实施例提供的具体技术方案如下：第一方面，提供了一种无人艇自主停泊方法，所述方法包括：GNSS全局引导：在无人艇接收到入港指令后，执行预先设定的入港任务，进入低速航迹航向保持区域，并使所述无人艇的航向航迹误差处于在一定范围内，以准备进入标签可视区域；标签像素引导：在进入所述标签可视区域后，根据所述标签可视区域内预设的色块标签，启动标签引导程序，精细调节无人艇姿态进入船坞泊位；若所述标签像素引导过程中出现连续丢像素帧或者航向航迹偏差超过预设范围，则将重置引导任务至所述低速航迹航向保持区域。进一步地，所述GNSS全局引导过程中，根据所述无人艇上的GNSS导航设备实时获取所述无人艇的位置和航向，并通过视线引导方法调整所述无人艇的航行偏距和偏航。进一步地，所述GNSS全局引导具体包括：在所述无人艇接收到入港指令后，根据泊位位置和入口方向执行高速回港任务，直至进入所述低速航迹航向保持区域；在进入所述低速航迹航向保持区域后，执行低速回港任务以准备进入所述标签可视区域。进一步地，所述标签引导程序采用嵌套控制方式，其外层为航迹航向保持控制器，内层为标签像素瞄准控制器，只有当航向航距偏差小于预设范围时才触发内层的标签像素瞄准控制器。进一步地，所述标签像素瞄准控制器为PID控制器。进一步地，所述标签像素瞄准控制器的结构如下：其中，u为基准值，e为特征像素与图像中心的偏差，Ts为伺服周期，Kp、Ti、Td为离线可调参数。进一步地，所述标签像素引导进一步包括：触发所述航迹航向保持控制器检测当前航向航迹偏差是否超过预设范围；若超过，则重置引导任务到低速航迹航向保持区域进行重新引导；若未超过，则触发所述标签像素瞄准控制器对所述色块标签进行探测稳定像素位置，并判断在一定时间内是否探测到稳定像素；若未探测到，则重置引导任务到所述低速航迹航向保持区域进行重新引导；若探测到，则触发所述标签像素瞄准控制器运行内层伺服环以增稳当前航行姿态，使得无人艇以准确的姿态进入狭窄的入口。进一步地，所述标签像素引导进一步还包括：当探测到的所述色块标签大于预设阈值时，确定所述内层伺服环失效；若预设时长内未检测到成功入港/坞的信号，则重置引导任务到所述低速航迹航向保持区域重新引导，否则确定成功完成入港任务。第二方面，提供了一种无人艇自主停泊装置，所述装置包括：GNSS全局引导模块，用于在无人艇接收到入港指令后，执行预先设定的入港任务，进入低速航迹航向保持区域，并使所述无人艇的航向航迹误差处于在一定范围内，以准备进入标签可视区域；标签像素引导模块，用于在进入所述标签可视区域后，根据所述标签可视区域内预设的色块标签，启动标签引导程序，精细调节无人艇姿态进入船坞泊位；引导任务重置模块，用于若所述标签像素引导过程中出现连续丢像素帧或者航向航迹偏差超过预设范围，则将重置引导任务至所述低速航迹航向保持区域。第三方面，提供了一种无人艇，所述无人艇上设置有视觉模块、GNSS模块以及如第二方面所述的无人艇自主停泊装置。本专利技术实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)低成本：采用低成本的视觉模块或单目摄像头以及通用GNSS模块，在保证精度的条件下，降低技术门槛。(2)安全稳定:将无人艇自主进港分为多个阶段，同时采用双层嵌套控制方案，将视觉图像短距离精度高和GNSS全天候实时的特点相融合，有效保障无人艇入港/坞的稳定性和安全性。(3)精度高：在依托GNSS无人艇的姿态大误差控制下，利用短距离作用但精度高的图像伺服以增加进坞/港的姿态刚度，从而提高进港/坞的精度，适用于狭小空间的无人艇停放。附图说明为了更清楚地说明本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人艇自主停泊方法，其特征在于，所述方法包括：/nGNSS全局引导：在无人艇接收到入港指令后，执行预先设定的入港任务，进入低速航迹航向保持区域，并使所述无人艇的航向航迹误差处于在一定范围内，以准备进入标签可视区域；/n标签像素引导：在进入所述标签可视区域后，根据所述标签可视区域内预设的色块标签，启动标签引导程序，精细调节无人艇姿态进入船坞泊位；/n若所述标签像素引导过程中出现连续丢像素帧或者航向航迹偏差超过预设范围，则将重置引导任务至所述低速航迹航向保持区域。/n

【技术特征摘要】
1.一种无人艇自主停泊方法，其特征在于，所述方法包括：
GNSS全局引导：在无人艇接收到入港指令后，执行预先设定的入港任务，进入低速航迹航向保持区域，并使所述无人艇的航向航迹误差处于在一定范围内，以准备进入标签可视区域；
标签像素引导：在进入所述标签可视区域后，根据所述标签可视区域内预设的色块标签，启动标签引导程序，精细调节无人艇姿态进入船坞泊位；
若所述标签像素引导过程中出现连续丢像素帧或者航向航迹偏差超过预设范围，则将重置引导任务至所述低速航迹航向保持区域。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述GNSS全局引导过程中，根据所述无人艇上的GNSS导航设备实时获取所述无人艇的位置和航向，并通过视线引导方法调整所述无人艇的航行偏距和偏航。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述GNSS全局引导具体包括：
在所述无人艇接收到入港指令后，根据泊位位置和入口方向执行高速回港任务，直至进入所述低速航迹航向保持区域；
在进入所述低速航迹航向保持区域后，执行低速回港任务以准备进入所述标签可视区域。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标签引导程序采用嵌套控制方式，其外层为航迹航向保持控制器，内层为标签像素瞄准控制器，只有当航向航距偏差小于预设范围时才触发内层的标签像素瞄准控制器。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述标签像素瞄准控制器为PID控制器。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述标签像素瞄准控制器的结构如下：其中，u为基准值，e为特征像素与图像中心的偏差，Ts为伺服周期，Kp、Ti、Td为离线可调参数。
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【专利技术属性】
技术研发人员：向伦凯，杨咏林，邵宇平，叶艳军，
申请(专利权)人：四方智能武汉控制技术有限公司，北京四方继保自动化股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42