面向流域安全的巡检救援智能无人船系统技术方案

本申请涉及智慧水利技术领域，具体涉及面向流域安全的巡检救援智能无人船系统。日常工况下，船通过船载机器人基于图像识别完成流域沿线、流域枢纽、水电站等场景的视频监控及安全隐患点和故障点的检测定位，及时通知检修人员开展维工作；通过机械臂清理排查水面污染物或隐患物。灾难应急救援工况下，通过机械臂实施溺水人员救援和受灾物资打捞搬运等。采用基于模糊小脑模型神经网络控制算法的视觉伺服控制法控制机械臂，机械臂关节的运动控制采用电动伺服控制系统，通过船载声纳测深仪对巡检水域实施测深作业，完成高精度河流水位测量，采用流域空间电子标识定位与视觉导航结合的方式对巡检无人船进行导航定位和位置跟踪分析。析。析。

【技术实现步骤摘要】
面向流域安全的巡检救援智能无人船系统


[0001]本申请涉及智慧水利
，具体涉及面向流域安全的巡检救援智能无人船系统。

技术介绍

[0002]近年来，各种类型的无人船在全球范围内呈现出快速发展之势，特别是用于军事和科考领域的无人船。2020年，据英国《新科学家》周刊网站报道，一艘机器人货船首次通过了巴拿马运河。IBM联手海洋研究组织ProMare合作打造了无人驾驶船Mayflower Autonomous Ship号，提供一种安全、灵活并具有成本效益的方式来收集海洋数据，以帮助科学家了解全球变暖、微塑料污染和海洋哺乳动物保护等问题。而内陆流域由于存在障碍物多及水域环境复杂等问题，造成全自动无人驾驶船开发困难，部分无人船亦存在图像处理程度不够、巡检路线自主转换能力弱和自主作业能力弱等问题。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术存在的无人船亦存在图像处理程度不够、巡检路线自主转换能力弱和自主作业能力弱等问题，本申请提供一种服务于流域安全的具有安防巡检、测量测绘及灾难救援功能的面向流域安全的巡检救援智能无人船系统。
[0004]为了达到上述目的，本申请所采用的技术方案为：
[0005]面向流域安全的巡检救援智能无人船系统是一种运行于水面的自主移动机器人系统，主体是一个自动引导船，长度*宽度设计为20米*1.5米、40米*2.5 米、60米*5.5米三种大小规格，依据使用场景可选择具体尺寸。从机械结构看，与排爆机器人、火星机器人有类似之处，但由于作业环境是水系统，需考虑水系统的一系列特殊情况，设备和器件的防水功能必须优先考虑。
[0006]主要包括以下技术要素模块：各功能域控制器、通信网络、传感器、执行器、智能计算平台、决策大脑。
[0007]由以下主要软硬件单元组成：ROS操作系统、地图、GPS(或北斗)+惯性导航(IMU)导航定位、毫米波雷达、激光雷达、可见光视觉传感器、红外传感器、声纳测深仪(前置声纳(Front Sonar)+侧扫声纳(Side Sonar))、机械手臂、路径规划、域控制器及域控制系统、水网通信、船载AI云控平台、岸边 AI云控平台、光伏发电系统、混合动力系统、船联网、无人船仿真系统。
[0008]所述无人船以“认知”、“决策”、“控制”三个核心工作任务模块作为系统架构的核心节点，并构建出一个自主AI闭环。无人船在行驶过程中自行感知水域环境及周围情况，并对感知信息进行智能处理和认知计算，形成对全局环境的理解，进一步通过各种算法决策如何应对环境变化，最后将决策信息传递给各控制系统形成执行命令，完成自动驾驶动作。
[0009]2、无人船域控制器及域控制系统电路
[0010]无人船域控制系统及各域控制器如图2所示。将整个无人船域划分为以下域：环境
感知域、运动控制域、网络通信域、能源管理域、船舱自动驾驶域、导航定位域、故障诊断域、大数据分析域、中控台船舶资源管理域、中控台河岸资源管理域、中控台载物管理域、总控协调域。对应的域控制器为：环境感知域控制器、运动控制域控制器、网络通信域控制器、能源管理域控制器、船舱自动驾驶域控制器、导航定位域控制器、故障诊断域控制器、大数据分析域控制器、中控台资源管理域控制器、总控协调域控制器。所有域控制器经无人船专用工业以太网通信网络互联形成网络化域控制系统。
[0011]域控制系统中采用主频为400MHz或更高频率的多核实时MCU，MCU包含6 个Arm Cortex
‑
R52内核，其中4个内核以锁步配置运行，以执行实时错误检查。域控制器选择28nm制程的MCU，最大限度提高集成度，允许支持超大型应用程序所需的大容量非易失性存储器NVM。
[0012]域控制器间通过船载专用以太网互联，形成船载通信骨干网。环境感知域控制器通过总线与布置在船舶各处的摄像头、毫米波雷达、激光雷达及冗余雷达等连接。通过船载以太网与远程通信模块连接，实现无人船与岸边控制站的通信。域控制器具有高算力、高实时性、接口丰富等特点。域控制器可以支持功能域内软件的集中化，减少跨域功能增加带来的系统复杂性，有利于数据在域内和域间流通。
[0013]所述无人船的“域”是指将无人船电子电气和机械系统根据功能划分为若干功能块，每个功能块以域控制器为核心，域内外部设备通过标准化接口与域控制器连接，从而实现模块化组装功能。
[0014]无人船域控制系统采用域模块化架构，将来自多个域的多个ECU进行整合，以减少整船线束的数量，线束数量的减少可降低无人船的重量和接线复杂性，重量的降低可以提升无人船的续航里程。
[0015]存储器：与上述MCU电路搭配的NVM使用Flash，其类型选择浮栅或 CT(charge
‑
trap)NOR Flash。NVM用于存储代码和数据。400MHz的CPU搭配 25MHz的NVM。MCU使用缓存来最小化内存等待状态，缓存通过算法来预测下一条执行的指令。
[0016]3、船载机器人
[0017]船上安装有3个智能机器人：(1)安防巡检机器人。安装于船体上方，能够大范围探测周围环境，通过视觉方式检测识别流域空间内的水域、河岸、道路、人、动物等目标，及时发现可疑目标并跟踪和报警。(2)测量机器人。由声纳测深仪和激光雷达测绘仪组成，各仪器分布式安装于船体底部、上方、左右侧，能够以全方位覆盖方式实现水域测深、地形测绘、地貌感知等功能。(3) 救援打捞机器人。用于巡检或应急救援情况下的水中作业，机械臂前端装有摄像头和RFID读写器。
[0018]4、基于声纳测深和声纳图像感知的声纳探测系统
[0019]通过船载声纳探测系统实现大范围实时测深，为水流量计算、水位计算及预警提供依据，从而为数字孪生水利提供精准感知数据。同时，可获取声纳图像，为无人船环境感知系统提供数据。配置远近距离探测两类声纳测深仪，近距离声纳测深仪采用相干声纳多波束测深系统Geoswath plus，适用于200米以内的较为平坦的区域场景,如内河航道、水库大坝、城市景观河；远距离声纳测深仪采用多波束测深系统Seabeam 1180，适用于地形复杂区域，工作水深最深可到500—600m。声纳探测系统包括前置声纳/Front Sonar和侧扫声纳/SideSonar，分别安装于船体前方和侧方位。
[0020]相干声纳GeoSwath采集回波振幅、回波时间和相位差，通过数据处理得到水深数据和声纳图像。相干声纳GeoSwath根据发射频率有3种类型可选，发射频率分别为125、250和500KHz。GeoSwath Plus由左右两个换能器组成，呈“V”字型，每组换能器由1个发射基元和4个接收基元组成，与竖直方向夹角为3 0
°
，单边波束开角为120
°
。换能器发射扇形声波，河底的回波信号被接收器接收，振幅形成声纳图像，4个接收板接收到回波信号的相位是不同的，接收基元之间的间距是固定的，根据相干原理，它们接收的回波相位差和波束到达角存在固定的关本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.面向流域安全的巡检救援智能无人船系统是一种运行于水面的自主移动机器人系统，主体是自动引导船，其特征在于：长度*宽度设计为20米*1.5米、40米*2.5米、60米*5.5米三种大小规格，依据使用场景选择尺寸；包括以下模块：各功能域控制器、通信网络、传感器、执行器、智能计算平台和决策大脑；由以下单元组成：ROS操作系统、地图、GPS或北斗惯性导航导航定位、毫米波雷达、激光雷达、可见光视觉传感器、红外传感器、声纳测深仪、机械手臂、路径规划、域控制器及域控制系统、水网通信、船载AI云控平台、岸边AI云控平台、光伏发电系统、混合动力系统、船联网、无人船仿真系统；所述无人船构建自主AI闭环，在行驶过程中自行感知水域环境及周围情况，并对感知信息进行智能处理和认知计算，形成对全局环境的理解，通过若干算法决策应对环境变化，最后将决策信息传递给各控制系统形成执行命令。2.根据权利要求1所述的面向流域安全的巡检救援智能无人船系统，其特征在于：所述域控制器包括环境感知域控制器、运动控制域控制器、网络通信域控制器、能源管理域控制器、船舱自动驾驶域控制器、导航定位域控制器、故障诊断域控制器、大数据分析域控制器、中控台资源管理域控制器和总控协调域控制器；域控制系统中采用主频至少为400MHz多核实时MCU，MCU包含6个Arm Cortex
‑
R52内核，其中4个内核以锁步配置运行，执行实时错误检查，域控制器选择28nm制程的MCU。3.根据权利要求2所述的面向流域安全的巡检救援智能无人船系统，其特征在于：包括船载机器人如下：安防巡检机器人，安装于船体上方，能够大范围探测周围环境，通过视觉方式检测识别流域空间内的水域、河岸、道路、人和动物目标；测量机器人，由声纳测深仪和激光雷达测绘...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜明芳，韩黎明，张祥，史大威，刘一村，王黎明，
申请(专利权)人：杜明芳，
类型：发明
国别省市：