一种应用于海洋自主任务的智能无人船

技术领域

本发明属于无人船控制技术领域，尤其是一种应用于海洋自主任务的智能无人船。

背景技术

随着人类活动的增加，湖泊、近海中的垃圾不断增多，对景区的观赏性，小型船只的出行安全性造成了影响，使得相关部门不得不动用大量的人力物力财力对漂浮的垃圾进行打捞收集。在打捞过程中，对于一些未知水域的了解不足，易对打捞人员的生命安全产生威胁。不仅成本高昂，而且效率低下。尤其是高温极端天气下，传统水域清洁更是难上加难。目前常见无人打捞船使用远程遥控模式，仍需要遥控人员进行干预作业，而且遥控无人船的控制距离有限，无法完成大面积水域作业。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种应用于海洋自主任务的智能无人船，能够结合环境信息感知系统获取的数据，进行智能路径规划，驱动船体朝着指定方向运行。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种应用于海洋自主任务的智能无人船，包括船体、船体控制系统、环境信息感知系统、本地网络控制器、云端服务器和用户控制系统，其中环境信息感知系统安装在船体上，用于实时感知船体的自身姿态信息以及船体周围的环境信息，环境信息感知系统通过串口连接船体控制系统并进行通信，环境信息感知系统通过无线网络双向连接本地网络控制器，本地网络控制器通过无线网络双向连接云端服务器，云端服务器通过无线网络双向连接用户控制系统。

而且，所述船体控制系统包括主控模块、电调、无刷电机和锂电池，其中主控模块、电调、无刷电机和锂电池安装在船体中，锂电池分别连接主控模块、电调和无刷电机，主控模块、电调和无刷电机依次连接，主控模块用于接收环境信息感知系统检测的环境数据，并通过PID控制算法进行行动估算，输出对应的PWM波至电调，驱动船体的无刷电机进行运动，锂电池用于供电。

而且，所述环境信息感知系统包括RTK无线定位定向模组、WT901水晶Yaw轴陀螺仪和四路超声波测距模块，通过RTK无线定位定向模组获取GPS数据，通过WT901水晶Yaw轴陀螺仪获取陀螺仪数据，通过四路超声波测距模块获取超声波数据。

而且，所述本地网络控制器包括嵌入式linux处理器、摄像头和5G移动通信模组，其中，嵌入式linux处理器分别连接摄像头和5G移动通信模组，5G移动通信模组用于提供数据传输通道，摄像头用于采集图像信息，嵌入式linux处理器用于环境信息感知系统的数据传输以及摄像头的图像信息传输。

而且，所述云端服务器采用具有公网IP的服务器，用于本地网络控制器通过内网穿透，将服务分别绑定至对应的端口中，以供用户控制系统进行数据访问。

而且，所述用户控制系统包括上位机及其操作软件，操作软件在上位机运行，用于对从云端服务器获取的环境信息感知系统检测数据进行查看及处理。

而且，用户控制系统和船体控制系统的联网模式包括5G入网模式和2.4G数传入网模式，5G模块若能检测到5G信号，船体控制系统和船体控制系统则进入5G入网模式，休眠数传模块；若5G模块不能检测到5G信号，船体控制系统和船体控制系统则进入数传入网模式，数传模块被唤醒。

本发明的优点和积极效果是：

本发明包括船体、船体控制系统、环境信息感知系统、本地网络控制器、云端服务器和用户控制系统五部分；环境信息感知系统感知周围的环境信息与自身的姿态信息，并将GPS数据、陀螺仪数据、超声波数据等信息发送给船体控制系统的主控模块，将获取的摄像头图形数据推送到本地网络控制器的服务端口，本地服务通过端口映射到云端服务器端口以供人员设备进行访问；用户控制系统运行时自动绑定云服务器IP以及端口进行访问，获取船体摄像头数据，同时可下发控制指令；船体控制系统获取用户控制系统所下发的指令，同时结合环境信息感知系统获取的数据，进行智能路径规划，驱动船体朝着指定方向运行。

附图说明

图1为本发明船体示意图；

图2为本发明的连接关系框图；

图3为本发明的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

一种应用于海洋自主任务的智能无人船，如图2和图3所示，包括船体、船体控制系统、环境信息感知系统、本地网络控制器、云端服务器和用户控制系统。

其中环境信息感知系统安装在船体上，用于实时感知船体的自身姿态信息以及船体周围的环境信息，环境信息感知系统通过串口连接船体控制系统并进行通信，环境信息感知系统通过无线网络双向连接本地网络控制器，本地网络控制器通过无线网络双向连接云端服务器，云端服务器通过无线网络双向连接用户控制系统。船体控制系统收到环境信息感知系统的数据通过本地网络服务器发布服务以内网供访问，发布的服务分别为：视频图像服务、姿态数据服务、指令数据服务。本地网络服务器的三种服务通过内网穿透，将服务映射至云端服务器以供用户控制系统访问。

同时对于视频图像服务采用webrtc协议进行通信，对于姿态数据服务和指令数据服务则采取websocket协议进行通信。本发明能够利用2.4G和5G技术完成中远距离的信号传输，利用webrtc技术实现视频的实时传输，利用websocket技术实现控制信息的实时传输，融合RTK差分定位数据与Yaw轴陀螺仪数据进行船体姿态定位，利用超声波数据进行避障。

如图3所示，船体控制系统包括主控模块、电调、无刷电机和锂电池，其中主控模块、电调、无刷电机和锂电池安装在船体中，锂电池分别连接主控模块、电调和无刷电机，主控模块、电调和无刷电机依次连接，主控模块采用STM32F103处理器，用于接收环境信息感知系统检测的环境数据，并通过PID控制算法进行行动估算，输出对应的PWM波至电调，驱动船体的无刷电机进行运动，锂电池用于供电。

主控模块及与之相连的环境信息感知系统、本地网络服务器均安装与船体上，电池、电调安装与两侧船舱，电机安装于两侧船舱底部。

环境信息感知系统包括RTK无线定位定向模组、WT901水晶Yaw轴陀螺仪和四路超声波测距模块，通过RTK无线定位定向模组获取GPS数据，通过WT901水晶Yaw轴陀螺仪获取陀螺仪数据，通过四路超声波测距模块获取超声波数据。5G通讯的大带宽、低时延特性更加适合同步课堂应用，在多媒体网络接口方面采用Webrtc技术进行音视频数据的实时传输，在控制数据接口方面采用Websocket进行姿态与控制信息的传输。

本地网络控制器用于本地部署从环境信息感知系统采集到的信息，使得在局域网中，船体发布的相关信息可以被访问。本地网络控制器包括嵌入式linux处理器、摄像头和5G移动通信模组，其中，嵌入式linux处理器分别连接摄像头和5G移动通信模组，5G移动通信模组用于提供数据传输通道，摄像头用于采集图像信息，嵌入式linux处理器用于环境信息感知系统的数据传输以及摄像头的图像信息传输。

嵌入式linux处理器采用树莓派CM4作为本地服务器，运行着整个体系不可或缺的图像传输服务和数据传输服务。摄像头为USB免驱摄像头，通过USB口插在树莓派扩展板上，所述5G移动通信模组为紫光展锐FM650，通过树莓派拓展板与树莓派CM4连接以提供5G服务。嵌入式linux处理器通过串口通信读取环境感知系统中各传感器的数据。由于RTK无线定位定向模组的数据量大，采用环形队列进行数据接收，接收完成后解析；对于单轴陀螺仪与四路超声波，直接在接收数据时进行解析。同时嵌入式单片机融合RTK差分定位数据，Yaw姿态数据，结合目标点位置进行PID运算，准确控制电机转向与速度，使船体朝向目标点位置前进。在船体行进过程中，根据超声波的数据来调整船体的运动，当四个超声波中的任意一个探测到周围有物体时，船体便停止运动，防止与其他船只相撞等意外的发生。嵌入式linux处理器读取摄像头的图像数据，之后采用H264编码的方式编码，视频数据编码完成后，启用自身图像服务，使图像信息得以在本地访问；对于控制数据，采用websocket进行传输，启用自身数据服务，使得数据信息得以在本地使用。

树莓派CM4模组搭载了紫光展锐FM6550平台5G通信模组，具有5G入网能力。船体控制系统通过串口与之连接，网络控制器接收GPS数据、姿态数据、摄像头数据等，并将自身作为服务器，将上述三个数据分别作为对应的服务部署，以供局域网内部访问。

云端服务器采用具有公网IP的服务器，运行Centos操作系统，使得本地网络控制器中部署的相关服务通过内网穿透映射到云端服务器的私有端口中，以供用户控制系统进行数据访问。

云端服务器的功能由两部分实现，第一部分为视频传输层，采用webrtc协议实现了视频的超低延时传输；第二部分为数据层，采用websocket技术进行数据通信。服务器对不同的服务采用不同的协议进行传输，对于流量消耗较多的视频图像服务采用Webrtc协议来保证视频数据的实时性，对于准确度要求较高的数据服务与指令服务采用更加准确、安全的Websocket服务进行传输。船体由前向后依次设有控制舱、回收仓和电池仓，控制舱的前方设有摄像头和超声波传感器，控制舱的顶部安装4G天线，5G天线和RTK天线，电池仓下方安装无刷电桨，电池仓的顶部安装数传天线和RTK天线。

用户控制系统包括上位机及其操作软件，操作软件在上位机运行，上位机采用PC端与安卓端，形式为本地软件和浏览器界面控制。本实施例中采用PC端Qt上位机以及手机端的Web上位机。用户控制系统内部对云端服务器发布的相关服务进行了IP绑定，使得用户控制系统可以通过云端服务器和本地网络控制器实现对船体控制系统的控制指令发布。同时环境信息感知系统感知的GPS数据将确定船体的位置，将船的实际位置在用户控制系统中实时绘制出。

上位机访问云端服务器图像服务的端口地址，接收视频信息，并通过webview技术将实时图像集成至上位机中。上位机访问百度地图、高德地图等API，利用RTK数据，将自身位置绘制于第三方地图上，通过webview集成至上位机中。上位机对船体的控制可采用2.4G和5G两种方式，默认情况下，上位机接入5G服务，通过5G与船体进行通信，在5G信号不佳时可手动选取采用2.4G进行通信。

用户控制系统和船体控制系统的联网模式包括5G入网模式和2.4G数传入网模式，5G模块若能检测到5G信号，船体控制系统和船体控制系统则进入5G入网模式，休眠数传模块；若5G模块不能检测到5G信号，船体控制系统和船体控制系统则进入数传入网模式，数传模块被唤醒。

本发明能够利用2.4G和5G技术完成中远距离的信号传输，利用webrtc技术实现视频的实时传输，利用websocket技术实现控制信息的实时传输，融合RTK差分定位数据与Yaw轴陀螺仪数据进行船体姿态定位，利用超声波数据进行避障。

一种应用于海洋自主任务的智能无人船的工作过程：

步骤一、树莓派CM4和RTK定位模组启动，自动接入5G网络。

步骤二、环境信息控制系统获取船体GPS数据、Yaw轴数据和四周测距数据，依次按自定义协议发送至船体控制系统。

步骤三、主控接收环境信息控制系统所发数据，解析后提取自身数据，将上位机所需要的信息通过串口发送至本地网络控制器。

步骤四、本地网络控制器接收到数据，将不同数据按不同的协议编码，部署成为本地服务将其发布。

步骤五、通过内网穿透，将本地服务映射至云端服务器的特点端口，以上位机进行访问。

步骤六、打开上位机软件或网页，自动绑定云端服务器端口，若成功收到数据则可进行下一步控制操作；若多次尝试后依旧无法访问即无图像数据，则手动选用2.4G数传方式进行姿态控制，重复步骤六，待5G网络稳定后重新采用5G入网方式。

步骤七、在上位机界面选择基本控制、轨迹绘制、轨迹保存、轨迹移动等操作，指令通过云端服务器下到本地网络控制器再通过串口发送至船体控制器。

步骤八、船体控制器接收到操作指令后，将目的动作与自身姿态数据结合，采用PID算法进行运算，输出对应的PWM对船体的无刷电机进行驱动。

步骤九、船体在电机的驱动下朝着操作人员在上位机中的控制目的进行运动，自主完成水面垃圾回收、自主巡航等操作。

步骤十、在船体行进过程中，若通过分析超声波数据观测到船体周围有其他运动中的物体(其他船只)，则暂时停下船体运动，待四周均为安全距离后，继续朝着目标点行进。

步骤十一、本地网络控制器在运行过程中，若遇到5G信号突然变差以至于不能保证视频以及控制信息无法实时传输时，则断用5G联网，启用2.4G数传入网的方式来保证稳定性；若在一段时间内检测到5G信号质量恢复正常，则启用5G模组入网，接入5G信号，以此保证船体的安全。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。