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专利号: 2020108479293
申请人: 闽江学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种无人船自主航行系统,其特征在于:包括无人船船体和无人船自动航行控制模块,所述无人船自动航行控制模块包括无人船控制系统、无人船环境感知系统、数据通信服务系统、移动端操作与显示系统、无人船自主避障模块和用于反馈无人船信息的GPS模块;

所述无人船控制系统包括工控机、控制板、电罗经、继电器、电流采集器、电压降压模块、电线;工控机用于汇总数据,下达指令;控制板由STM32芯片构成用于执行指令,控制螺旋桨和舵叶转动;电罗经用于提供船舶航行方位、继电器用于控制电路通断、电流采集器用于采集电路工作时电流、电压降压模块用于转换电压给控制板供电,经所述无人船控制系统可操控无人船船体的船舶航行状态;

所述无人船环境感知系统包括风速风向传感器、大气压强传感器、光照强度传感器、温湿度传感器、水下温度传感器、高清摄像头、激光雷达;风速风向传感器用于采集无人船航行水域的风速风向信息,并发送给工控机;大气压强传感器用于采集无人船航行水域的大气压强信息,并发送给工控机;光照强度传感器用于采集无人船航行水域的光照强度信息,并发送给工控机;温湿度传感器用于采集无人船航行水域的温湿度信息,并发送给工控机;

水下传感器用于采集无人船航行水域的水域温度信息,并发送给工控机;高清摄像头用于观察无人船航行水域水面状况,监控无人船航行,并将视频信息通过数据通信服务系统传输至岸上的移动端操作与显示系统;激光雷达用于扫描无人船航行水域水面,检测无人船航行水域,并将数据传输至工控机;所述工控机将采集到的数据经数据通信服务系统传输至岸上的移动端操作与显示系统内;

所述数据通信服务系统包括无线路由器,2.4G天线基站,云端服务器,SIM卡,4G网络,无线路由器发挥中间过渡作用,采用桥接功能,桥接2.4G天线基站,工控机连接无线路由器,从而实现与2.4G天线基站通信,使工控机上的数据能够经由2.4G天线基站,再传输到岸端的移动端操作与显示系统内,云端服务器用于接收控制板通过SIM卡连接4G网络上传的数据,起到控制板与岸端的移动端操作与显示系统传输中间站作用;

所述移动端操作与显示系统包括无人船控制与显示软件、雷达显示软件、船舶工况软件和电脑,无人船控制与显示软件用于控制无人船航行状态,并显示无人船上航行状态信息,包括电压电流和航速航向,雷达显示软件用于显示激光雷达扫描的图像,船舶工况软件用于显示无人船环境感知信息,包括显示风速风向、大气压强、光照强度、温湿度以及水下温度信息;

所述无人船自主避障模块是在无人船航行的过程中,通过三维激光点云检测出前方出现障碍物,并被无人船上的激光雷达扫描到,所述激光雷达将这一信息传输至工控机内。

2.根据权利要求1所述的一种无人船自主航行系统,其特征在于:所述工控机内设置有雷达避碰程序,通过雷达避碰程序,确认前方发现障碍物,即下发指令给船舶控制板,控制板执行雷达程序规避指令,控制无人船做出规避动作。

3.根据权利要求1所述的一种无人船自主航行系统,其特征在于:所述三维激光点云包括点云特征提取和点云目标分类,所述特征提取包括:对聚类后的障碍目标进行特征提取,提取的障碍物特征包括网格数量、网格形状、网格平均高度、网格高度差、网格平均回波强度;

“虚假”目标特征提取:船舶尾浪、浮藻、漂浮物等“虚假”目标共同的特点是它们的高度与水面接近,高度差较小,点云较稀疏;将障碍物目标的平均高度、高度差、点数量作为特征,来判断这些目标是否为“虚假”目标。

4.大型船舶局部轮廓特征提取:大型船舶不同角度、距离得到的局部点云轮廓都不相同,在进行特征提取时应获取大型船舶的轮廓线特征;

其他目标特征提取:航标船、岸基、桥墩等目标的检测也需要提取相应的特征来实现,航标船栅格的点数量、平均高度均较小;岸基栅格的返回点回波强度一般较弱,且轮廓线较长;桥墩栅格平均高度较高;

所述点云目标分类:采用向量机实现对目标的精确分类,向量机基于统计学习VC维理论和结构风险最小化原理,在高维特征空间构造一个超平面,解决线性条件不可分的分类问题。

5.根据权利要求1所述的一种无人船自主航行系统,其特征在于:所述无人船船体是采用树脂、聚乳酸等材料通过3D打印而成,全长3.6米,宽0.65米的船体,在其外层涂覆玻璃钢材料,并安装螺旋桨与舵叶。

6.根据权利要求1所述的一种无人船自主航行系统,其特征在于:所述GPS模块包括U7芯片、电阻R82、电容C47、火线L7、电容C46、插座J1、电阻R79、电阻R80、电阻R81、电阻R83、火线L8、电容C48、电容C50和电容C49,所述U7芯片的11号引脚与所述电容C47一端连接,所述电容C47另一端与所述火线L7一端和插座J1的1号引脚串联设置,所述插座J1的2号引脚接地,所述火线L7另一端与所述电容C46一端串联后与所述3.3V端口连接,所述电容C46另一端接地,所述U7芯片的1号引脚与所述工控机的GPS RST端口连接,所述U7芯片的7号引脚与所述电阻R82一端连接,所述电阻R82的另一端接地,所述U7芯片的10号引脚、12号引脚、13号引脚和24号引脚串联后接地,所述U7芯片的21号引脚与所述电阻R79一端连接,所述电阻R79另一端与所述工控机的GPS RXD端口连接,所述U7芯片的20号引脚与所述电阻R80一端连接,所述电阻R80另一端与所述工控机的GPS TXD端口连接,所述U7芯片的3号引脚与所述电阻R81一端连接,所述电阻R81另一端与所述工控机的1PPS端口连接,所述U7芯片的8号引脚与所述电阻R83一端连接,所述U7芯片的9号引脚与所述电阻R83另一端连接,所述U7芯片的22号引脚和23号引脚串联后与所述电容C48一端连接,所述电容C48另一端接地,所述电容C48一端与所述电容C50一端串联后与所述火线L8一端连接,所述电容C50另一端接地,所述火线L8另一端与所述3.3V端口连接,所述火线L8另一端与所述电容C49一端连接,所述电容C49另一端接地。