[发明专利]一种无人船自主航行系统及其工作方法

摘要

本发明公开了一种无人船自主航行系统及其工作方法，所述的系统包括无人船自主航行控制单元和地面控制中心，所述的无人船自主航行控制单元包括导航系统模块、制导系统模块、数据采集系统模块、推进系统故障报警监测系统模块、航行控制系统模块和无线通信系统模块。本发明考虑风浪流海洋环境扰动和航行海域内障碍物对无人船自主航行系统的影响，并在航迹规划中考虑《国际海上避碰规则公约》中的规则和无人船的特征参数、操纵性能、且具有故障报警和容错控制功能，还包括地面控制中心，可远程监控无人船，以提高无人船自主航行系统的合理性和实用性。本发明可实时监控无人船和航行海域海洋环境信息，从而提高无人船自主航行的安全性和可靠性。

主权项

1.一种无人船自主航行系统，其特征在于：包括无人船自主航行控制单元和地面控制中心，所述的无人船自主航行控制单元包括导航系统模块、制导系统模块、数据采集系统模块、推进系统故障报警监测系统模块、航行控制系统模块和无线通信系统模块；所述的导航系统模块包括船舶气象仪、全球定位系统、罗经、惯性测量单元、风向仪、计程仪、雷达、视觉传感器、船舶自动识别系统和电子海图；所述的船舶气象仪用于预测航行海域的气象信息，并通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；所述的全球定位系统、罗经和惯性测量单元用于获得精确的无人船的位置和航向信息，并发送给航行控制系统模块，航行控制系统模块通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；所述的风向仪用于测量无人船航行海域的风速、风向信息，并发送给航行控制系统模块并通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；所述的计程仪用于测量航行海域的水深信息，并通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；所述的雷达和视觉传感器用于获取航行海域的环境信息和过往其它船舶相对位置信息；所述的船舶自动识别系统提供过往其它船舶的运动状态信息和船舶种类、尺度、吃水信息；所述电子海图提供海域地理环境信息；所述的导航系统模块用神经网络算法将雷达和视觉传感器所获取的信息进行融合，并将全球定位系统获得的位置信息与船舶自动识别系统和电子海图提供的信息进行数据匹配，发送给制导系统模块，制导系统模块通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；所述的制导系统模块根据导航系统模块发送的海域环境信息和过往其它船舶信息，以及《国际海上避碰规则公约》中的13、14和15条规则和无人船的特征参数、操纵性能，实时规划出平滑、合理、最优的无人船航行轨迹，并发送给航行控制系统模块，且通过无线通信系统模块发送给地面控制中心；所述的《国际海上避碰规则公约》的13、14和15条规则分别对无人船在航行过程中出现的追越、正面相遇和交叉相遇，制定相应的避碰规则；所述的无人船特征参数包括无人船的船舶尺度、吃水和主推进器的功率；所述的无人船操纵性能包括回转初径、进距、横距、回转直径和反偏移量；所述的数据采集系统模块采集无人船推进系统中的淡水、海水、燃油、润滑油、空气的压力和温度的监测参数信息，及推进器的转速、舵角的工作状态信息，发送给推进系统故障报警监测系统模块，推进系统故障报警监测系统模块通过无线通信系统模块将这些信息发送给地面控制中心；所述的推进系统故障报警监测系统模块根据来自推进系统的监测参数和工作状态信息诊断出无人船推进系统存在的故障，并发送给航行控制系统模块，航行控制系统模块通过无线通信系统模块将故障信息发送给地面控制中心；所述的航行控制系统模块包括自主航行非容错控制策略和自主航行故障容错控制策略两种控制策略模式；如果航行控制系统模块没有接收到来自推进系统故障报警监测系统模块的推进系统故障信息，则采取自主航行非容错控制策略；如果航行控制系统模块接收到来自推进系统故障报警监测系统模块的推进系统故障信息，则采取自主航行故障容错控制策略；再依据来自导航系统模块的船舶位置和航向信息及来自制导系统模块的航迹规划信息，计算出无人船沿着规划航迹自主航行所需的合力和力矩信息，并进行推力优化分配，给出无人船推进系统推进器的期望转速、方向角和舵角信号，并发送给无人船推进系统，推进系统驱动无人船沿规划轨迹航行；所述的无线通信系统模块通过卫星实现无人船与地面控制中心进行无线通信；所述的地面控制中心建立在岸上，地面控制中心操作人员通过无线通信系统远程操控无人船航行。