一种面向岛屿快递的智能无人艇系统

技术领域

本发明涉及智能控制领域，具体为一种面向岛屿快递的智能无人艇系统。

背景技术

随着通信技术、传感器以及人工智能等的迅速发展,无人艇已进入快速发展阶段。无人艇快递，通过无人驾驶的智能无人艇系统运载包裹送达目的地，提高配送效率，同时减少人力成本。传统水面快递运输所形成的系统流程是：传统小岛居民的物资供应只能自行驾船到码头统一采购；岛屿守护者则需等待供给船只周期性补给生活物资；岛屿生活人员没有快递公司提供全程物流服务，网上采购的货物需由先由岸上人员接货，然后由船只顺带上岛，周期长，十分不方便。因此，经查阅相关资料，得到使用相近方法应用于相关领域的其他方向专利如下：一种用于快递的无人游船(CN 210793557 U)、一种用于快递的两栖无人船和使用方法(CN 107791761 B)，上述提及的两个无人船设计思路如下：

1、一种用于快递的无人游船，包括控制系统、通讯系统、箱柜系统和传动系统。通过无人游船实现包裹寄送和乘客搭载双功能，用户可指定水域沿岸物流点，然后利用散步的机会完成包裹的交接，可提供快递定制化业务，提高服务水平。

2、一种用于快递的两栖无人船和使用方法。其中，两栖无人船中陆地动力系统和水域动力系统设置在船体中，并连接主控制器；主控制器用于完成所述陆地动力系统和水域动力系统的工作状态的切换，以适应两栖需求；监控摄像头和机械臂连接主控制器；所述主控制器在监控摄像头的协助下，向所述机械臂下发动作指令，以便于将快递目标抓取到船体上的储物舱中；通讯系统和定位装置均连接所述主控制器，用于为所述主控制器提供通讯功能和定位信息；两栖无人船能够解决例如岛屿环境下或者多河流环境下用户的快递配送，提高了用户的采购效率。

现有的无人艇的缺点：

1、忽略了外界干扰信号如风、浪、海流的影响。现有研究的环境建模时间复杂度高；有发生碰撞的危险，搜索节点有局限性，路径较长；需要依赖定位传感器，忽略了风、浪、流对无人艇的影响，环境模型不够完善，算法在实际航行中的表现会与理论存在偏差。

2、路径优化和运动规划，考虑控制器的协同。许多算法在仿真过程中都没有将船舶的动力学特点作为约束条件，生成的路径缺乏实用性，在进一步的研究中，要将路径优化方法与路径规划方法结合生成更加光滑和简洁的路线，同时考虑船舶的操纵性能，限制船舶的转向角、速度和加速度值等参数进行运动规划，与下层的控制器协同，为此我们提出了一种面向岛屿快递的智能无人艇系统。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种面向岛屿快递的智能无人艇系统，考虑到海洋中的海浪、海风的拍打与冲击影响，在设计装置系统时对机器本身装配防护机构与稳定机构。电控模块结合PID算法与多种传感器，实现对整机系统以及不同组成模块的稳定控制，提高了海上行驶的稳定性。计算机视觉模块采用基于深度学习与轻量化目标检测网络模型，同时融合视觉注意力机制，进行路径优化处理，实现识别性能与识别精度的均衡，解决海上运输自主导航和自动避障难题。因此本发明使用目标检测与路径规划技术，将轻量化的目标检测网络与视觉注意力机制结合，以保证在嵌入式芯片上运行的性能和稳定性，使性能与精度达到均衡。

(二)技术方案

为实现上述所述目的，本发明提供如下技术方案：一种面向岛屿快递的智能无人艇系统，包括控制模块、无人艇模块、视觉识别模块、中央计算模块、感知模块、图像处理模块、路径规划模块、云端监控模块以及通信模块，无人艇模块的输出端与视觉识别模块的输入端连接，视觉识别模块的输出端与中央计算模块的输入端连接，无人艇模块的输出端与中央计算模块的输入端连接，无人艇模块与控制模块互连，控制模块与感知模块互连，感知模块的输出端与中央计算模块的输入端连接，感知模块的输出端与图像处理模块的输入端连接，图像处理模块以及控制模块的输出端均与云端监控模块的输入端连接，图像处理模块的输出端均与通信模块的输入端连接，通信模块的输出端与路径规划模块的输入端连接。

优选的，运行方法如下：

S1：无人艇接收运送快递任务。无人艇实时向调度中心与快递岸点发送状态信息，调度中心实时更新无人艇状态列表，当海岛快递岸点满足载量或固定配送时间时，向调度中心申请配送，获取待执行任务；

S2：装置扫码识别快递，各模块机构开始工作，通过在装置内安装通信系统，用户或快递员可线上预约机器和时间段以及线下扫码放件；

S3：装置判定货物重量进行快递运费估价以及判断是否过载，投放的快递通过分类传输系统后运输到储存系统空间，进入收集仓；

S4：采集水面的图像数据，使用yolov4算法对回传的图像数据进行分析处理，判断海上外界干扰力强弱，并将分析结果上传路径规划板块，规划最佳的运输策略与路径；

S5:感知模块对海面中的环境数据进行感知，并传递数据至中央计算模块；

S6：结合感知模块回传的环境数据，以及视觉模块回传的视觉数据，按照中央计算模块完计算后，将指令传递到路径规划板块规划的路径航行，执行运输任务；

S7：云端控制系统APP和电脑端界面绑定无人艇，实时监测水域环境以及提供无人艇的工作数据；

S8：完成运输任务，无人艇充电准备下一次任务，并向控制中心发送到岸信息，快递工作人员前往卸货，完成一次海岛快递运输。

优选的，在S4步骤还包含以下步骤：

S41：视觉识别模块截取预设时间段的视频内的多组海面图像，分别对每组海面图像检测，识别得到目标对象的类型、周围环境类型，其中目标对象为与自身的相隔距离值低于预设距离阈值时的检测目标；

S42：根据周围环境类型对多组海面图像进行环境处理，得到多组预处理图像；

S43：根据不同类别的目标对象的类型进行优先等级的分类，对优先等级为最高优先等级的对象进行优先规划躲避路线；

S44：对多组预处理图像进行识别海浪状态，海浪状态包括自身与海浪的相对移动状态和移动距离；

选择跟踪目标，对跟踪目标进行测距，根据自身与跟踪目标的相对位置建立坐标系，计算跟踪目标在跟踪时间内的运动速度，进而分析得到目标移动状态；

S45：建立记忆数据，根据记忆数据划分危险等级，基于危险等级进行局部路径规划，所述记忆数据为在海上的路径规划中曾经探测到并躲避的非目标对象特征、位置、移动状态，所述非目标对象为对自身任务的路径有影响或对自身安全有影响的海上物体；

S46：路径规划模块根据优先等级、目标移动状态、海浪等环境状态进行规划自身的最佳全局路径；

S47：利用反馈数据对当前的路径控制进行辅助计算得到下一步行驶控制信息，所述反馈数据包括最佳全局路径、预测行驶控制信息、当前能源状态和当前功耗状态，进行自适应调整精度。

优选的，在S6步骤还包含以下步骤：

S61：机器装配抗干扰防护机构和稳定机构，通过主控模块中的抗干扰PID算法与多种传感器，实现对整机系统在不稳定海面中的稳定控制，提高海上行驶的稳定性；

S62：太阳能补偿发电，为装置补充额外的电量，可有效增加装置的水域续航时间，通过视觉模块捕捉到阳光在太阳能板上的最大投射面积的时刻，实时移动，从而达到最大效益；

S63：通过GPS定位系统和通信系统，根据视觉识别模块、GPS反馈的信息将触发的控制信号发送至推进器，进一步控制航行，实现机器实时向控制中心报告方位和状态的效果。

优选的，所述S7步骤还包含以下步骤：

S71：显示当前无人艇的状态情况；

S72：显示各个无人艇包含的快递信息；

S73：显示无人艇实时位置及当前位置的环境信息。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种面向岛屿快递的智能无人艇系统，具备以下有益效果：

1、该一种面向岛屿快递的智能无人艇系统，在装载前阶段，通过在装置内安装通信系统，用户或快递员可线上预约机器和时间段以及线下扫码放件，装载阶段通过在装置安装重量传感器，达到快递运费估价以及判断总质量是否过载的效果。

2、该一种面向岛屿快递的智能无人艇系统，运输阶段①若达到以下条件：A.机器已装满货物且电量足够配送；B.机器未装满但已到最晚配送时间且电量足够配送；B.控制中心下达派送指令且电量足够配送，则机器可以离岸开始运输.②考虑到海洋中的海浪、海风的拍打与冲击影响，通过电控模块结合PID算法与多种传感器，实现对整机系统以及不同组成模块的稳定控制，提高海上行驶的稳定性。③通过基于深度学习与轻量化目标检测网络模型，同时融合视觉注意力机制，实现计算机视觉模块识别性能与识别精度的均衡，解决海上运输自主导航和规划路径难题。④通过在装置顶部安装太阳能板，在光生伏特效应的作用下，将海上充足的太阳光转换成电能，为装置补充额外的电量。⑤通过GPS定位系统和通信系统，实现机器实时向控制中心报告方位和状态的效果。

3、该一种面向岛屿快递的智能无人艇系统，机器到达岸上前往站点补充电能等待下一次运输，并向控制中心发送到岸信息，快递工作人员前往卸货，完成一次海岛快递运输。

附图说明

图1为一种面向岛屿快递的智能无人艇系统步骤图；

图2为一种面向岛屿快递的智能无人艇系统视觉识别模块和路径规划模块工作流程图；

图3为一种面向岛屿快递的智能无人艇系统运输流程图；

图4为一种面向岛屿快递的智能无人艇系统云端监控模块工作流程图；

图5为一种面向岛屿快递的智能无人艇系统中各模块之间传递流程图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

请参阅图1-5，一种一种面向岛屿快递的智能无人艇系统，包括控制模块、无人艇模块、视觉识别模块、中央计算模块、感知模块、图像处理模块、路径规划模块、云端监控模块以及通信模块，无人艇模块的输出端与视觉识别模块的输入端连接，视觉识别模块的输出端与中央计算模块的输入端连接，无人艇模块的输出端与中央计算模块的输入端连接，无人艇模块与控制模块互连，控制模块与感知模块互连，感知模块的输出端与中央计算模块的输入端连接，感知模块的输出端与图像处理模块的输入端连接，图像处理模块以及控制模块的输出端均与云端监控模块的输入端连接，图像处理模块的输出端均与通信模块的输入端连接，通信模块的输出端与路径规划模块的输入端连接。

所述控制模块向无人艇模块发送控制指令，自主完成相应功能，解决运输系统中的智能决策与自动化处理问题，能够自主规划路线、传输快递、维持装置稳定，通过接收自动控制软件传递来的控制信号，向智能无人艇发送控制指令，智能无人艇按照控制指令进行运行。

所述无人艇模块挂接视觉识别和无人艇控制模块，完成无人艇的运行、图像采集和图像传输。

所述视觉识别模块用于对采集的多组海面图像进行检测，识别得到目标对象的类型、周围环境类型，对多组预处理图像进行识别海浪状态，海浪状态包括自身与海浪的相对移动状态和移动距离，最后将数据信息传输到中央计算模块。

所述中央计算模块获取并记录搭载本系统的装置或自动船只的历史能源消耗数据，计算平均运送单位快递所需能耗，即能源消耗速率，以降低能源消耗速率为目标做出调整；

所述感知模块，由风力传感器，水流传感器等组成，对海上的风、流、浪等环境进行感知处理，判断环境抗扰力的强弱，并将数据传递给中央计算模块。

所述图像处理模块根据周围环境类型对多组海面图像进行环境处理得到，从而为视觉识别处理提供更稳定的环境场景，其中环境处理具体为去雨处理、夜视处理、去雾处理以及防抖处理中的任一或多种组合方法，目标对象为与自身的相隔距离值低于预设距离阈值时的检测目标。

所述路径规划模块根据不同目的岛屿之间规划出一条最短的路径，并且在行驶过程中，根据是视觉模块识别到的物体进行避障。

所述云端监控模块绑定对应的太阳能智能无人艇，实时监测水域环境以及提供无人艇的工作数据，监控无人艇的运行工作。

所述通信模块，包括无线和有线通信，进行系统各模块之间的信号和数据传输、和陆基模块之间的数据传输。特别地，此模块与搭载本系统的装置或自动船只的能源控制系统(或主控系统)连接。

参阅图1，运行方法如下：

S1：无人艇接收运送快递任务。无人艇实时向调度中心与快递岸点发送状态信息，调度中心实时更新无人艇状态列表，当海岛快递岸点满足载量或固定配送时间时，向调度中心申请配送，获取待执行任务。

S2：装置扫码识别快递，各模块机构开始工作，通过在装置内安装通信系统，用户或快递员可线上预约机器和时间段以及线下扫码放件。

S3：装置判定货物重量进行快递运费估价以及判断是否过载，投放的快递通过分类传输系统后运输到储存系统空间，进入收集仓。

S4：采集水面的图像数据，使用yolov4算法对回传的图像数据进行分析处理，判断海上外界干扰力强弱，并将分析结果上传路径规划板块，规划最佳的运输策略与路径。

S5:感知模块对海面中的环境数据进行感知，并传递数据至中央计算模块。

S6：结合感知模块回传的环境数据，以及视觉模块回传的视觉数据，按照中央计算模块完计算后，将指令传递到路径规划板块规划的路径航行，执行运输任务。

S7：云端控制系统APP和电脑端界面绑定无人艇，实时监测水域环境以及提供无人艇的工作数据。

S8：完成运输任务，无人艇充电准备下一次任务，并向控制中心发送到岸信息，快递工作人员前往卸货，完成一次海岛快递运输。

参阅图2，在S4步骤中，还包含以下子步骤：

S4-1：视觉识别模块截取预设时间段的视频内的多组海面图像，分别对每组海面图像检测，识别得到目标对象的类型、周围环境类型，其中目标对象为与自身的相隔距离值低于预设距离阈值时的检测目标；

S4-2：根据周围环境类型对多组海面图像进行环境处理，得到多组预处理图像；

S4-3：根据不同类别的目标对象的类型进行优先等级的分类，对优先等级为最高优先等级的对象进行优先规划躲避路线；

S4-4：对多组预处理图像进行识别海浪状态，海浪状态包括自身与海浪的相对移动状态和移动距离；选择跟踪目标，对跟踪目标进行测距，根据自身与跟踪目标的相对位置建立坐标系，计算跟踪目标在跟踪时间内的运动速度，进而分析得到目标移动状态；

S4-5：建立记忆数据，根据记忆数据划分危险等级，基于危险等级进行局部路径规划，所述记忆数据为在海上的路径规划中曾经探测到并躲避的非目标对象特征、位置、移动状态，所述非目标对象为对自身任务的路径有影响或对自身安全有影响的海上物体。

S4-6：路径规划模块根据优先等级、目标移动状态、海浪等环境状态进行规划自身的最佳全局路径；

S4-7：利用反馈数据对当前的路径控制进行辅助计算得到下一步行驶控制信息，所述反馈数据包括最佳全局路径、预测行驶控制信息、当前能源状态和当前功耗状态，进行自适应调整精度。

参阅图3，在S6步骤中，还包含以下子步骤：

如图4所示。

S6-1：机器装配抗干扰防护机构和稳定机构，通过主控模块中的抗干扰PID算法与多种传感器，实现对整机系统在不稳定海面中的稳定控制，提高海上行驶的稳定性；

S6-2：太阳能补偿发电，为装置补充额外的电量，可有效增加装置的水域续航时间，通过视觉模块捕捉到阳光在太阳能板上的最大投射面积的时刻，实时移动，从而达到最大效益；

S6-3：通过GPS定位系统和通信系统，根据视觉识别模块、GPS反馈的信息将触发的控制信号发送至推进器，进一步控制航行，实现机器实时向控制中心报告方位和状态的效果。

参阅图4，在S7步骤中，还包含以下子步骤：

S7-1：显示当前无人艇的状态情况；

S7-2：显示各个无人艇包含的快递信息；

S7-3：显示无人艇实时位置及当前位置的环境信息。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。