一种无人船导航和自动驾驶设备及其方法
专利汇可以提供一种无人船导航和自动驾驶设备及其方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种无人船导航和自动驾驶设备及其方法，设备包括安装于无人船顶部的雷达、惯性 导航系统 、无线通讯系统和存储设备，安装于无人船顶部前端的摄像机，安装于无人船 驾驶舱 内的规则选择器、航行规划器和无人船 控制器 ；在无人船 视野 范围内出现其他交通船时，摄像机和雷达对交通船进行 跟踪 定位 和运动状态评估并将信息发送至存储设备，规则选择器结合无人船、交通船的定位和运动状态信息识别特定的 水 上航行规则，然后航行规划器结合速度障碍法做出最佳的航行规划，无人船控制器根据最佳航行规划信息控制无人船实施有效的避让措施，避免与交通船发生碰撞。本发明具有良好的智能性和灵活性，可以在复杂的水面环境做出有效的决策行动。，下面是一种无人船导航和自动驾驶设备及其方法专利的具体信息内容。
1.一种无人船导航和自动驾驶设备，其特征在于，包括：安装于无人船顶部的雷达、惯性导航系统、无线通讯系统和存储设备，安装于无人船顶部前端的摄像机，安装于无人船驾驶舱内的决策系统，所述决策系统包括规则选择器、航行规划器和无人船控制器；所述无人船通过摄像机采集周边环境信息，将信息发送至存储设备，所述无线通讯系统将信息实时发送给无人船监管中心；在信息采集过程中，若摄像机观测到其视野范围内有其他交通船，结合雷达对交通船进行跟踪定位和运动状态评估，将获取的信息发送至存储设备并传送给规则选择器，规则选择器结合无人船、交通船的定位和运动状态信息，识别特定的水上航行规则，并将信息传递给航行规划器，航行规划器结合速度障碍法做出最佳航行规划，然后将最佳航行规划信息传递给无人船控制器，无人船控制器控制无人船实施有效的避让行动，避免无人船与交通船发生碰撞，并安全到达目的地。
2.一种基于权利要求1所述设备的无人船导航和自动驾驶方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、无人船通过摄像机采集周边环境信息，将信息传送至存储设备，在信息采集过程中，利用摄像机和惯性导航系统对无人船进行实时定位和运动状态评估，将获取的信息传送至存储设备，并通过无线通信系统将信息实时发送给无人船监管中心；
(2)、在无人船视野范围内出现其他交通船时，利用摄像机和雷达对交通船进行跟踪定位和运动状态评估，将获取的信息传送至存储设备；
(3)、规则选择器根据步骤(1)和(2)获得的无人船和交通船的位置和速度信息进行预碰撞检查，判断无人船和交通船在维持当前航向和航速的情况下，短时间内是否会发生碰撞或接近碰撞；
(4)、若规则选择器判断到在短时间内无人船将会与交通船发生碰撞或接近碰撞时，规则选择器根据无人船和交通船的几何位置关系识别特定的水上航行规则，将识别的特定水上航行规则信息传送至航行规划器；否则无人船维持当前航线继续航行；
(5)、航行规划器接收到规则选择器的信息后，利用速度障碍法计算无人船和交通船的碰撞时间r；并根据步骤(3)、(4)所得到的信息，利用速度障碍法做出最佳航行规划，并将最佳航行规划信息传送至无人船控制器；
(6)、无人船控制器根据获取的最佳航行规划信息控制无人船实施有效的避让行动，避免与交通船发生碰撞，从而安全到达目的地。
3.根据权利要求2所述的无人船导航和自动驾驶方法，其特征在于：所述步骤(1)中，利用摄像机和惯性导航系统对无人船进行实时定位和运动状态评估，所述定位是指无人船相对于其始发位置的位置矢量 所述运动状态是指无人船的航向和航速信息，即速度矢量
4.根据权利要求2所述的无人船导航和自动驾驶方法，其特征在于：所述步骤(2)中，利用摄像机和雷达对交通船进行跟踪定位和运动状态评估，所述跟踪定位是指交通船相对于无人船起始位置的位置矢量 所述运动状态评估是指交通船的航向及航速信息，即速度矢量
5.根据权利要求2所述的无人船导航和自动驾驶方法，其特征在于：所述步骤(3)中，规则选择器根据步骤(1)和(2)获得的无人船和交通船的位置和速度信息进行预碰撞检查，判断无人船和交通船在维持当前航向和航速的情况下，短时间内是否会发生碰撞或接近碰撞，其具体方法包括以下步骤：
(3a)、计算无人船与交通船的到达最靠近接近点的时间：
其中，T表示向量或矩阵的转置，|·|表示绝对值，||·||表示向量或矩阵的2-范数，ε表示足够小的正数；
(3b)、计算最靠近接近点时所述无人船与交通船的距离：
其中，||·||表示向量或矩阵的2-范数；
(3c)、针对无人船视野范围内的每艘交通船，判断所述无人船与交通船是否会发生碰撞或接近碰撞，具体判断规则为：
0≤tCPA≤tmax,dCPA≤dmin (3)
其中：dmin表示无人船与交通船的最小安全距离，tmax表示无人船和交通船到达最小安全距离点时所花费的时间，即当无人船与交通船到达最靠近接近点的距离小于或等于最小安全距离以及到达最靠近节点的时间大于到达安全距离的时间时，则说明无人船会与所述交通船会发生碰撞或接近碰撞；否则，认为无人船不会与交通船发生碰撞或接近碰撞。
6.根据权利要求2所述的无人船导航和自动驾驶方法，其特征在于：所述步骤(4)中，若规则选择器判断到在短时间内无人船将会与交通船发生碰撞或接近碰撞时，规则选择器根据无人船和交通船的几何位置关系识别特定的水上航行规则，所述水上航行规则具体包括：
(4a)、当交通船从无人船右前方横穿时，规定无人船有义务主动避让横穿的交通船，即无人船从交通船的左后方绕行，避开横穿的交通船，交通船无需改变其航行轨迹；
(4b)、当交通船从无人船左前方横穿时，规定交通船有义务采取避让措施给无人船让行，无人船必须保持当前航行轨迹；
(4c)、当交通船在所述无人船的正前方并与无人船同向而行时，无人船从交通船的右后侧进行超车动作，超车时无人船必须保持相应的横向安全距离，以确保其航行轨迹远离交通船的航行轨迹；
(4d)、当交通船在无人船正前方并与所述无人船相对而行时，无人船和所述交通船都必须向右转舵，无人船从所述交通船的左侧无害通过，交通船从无人船的左侧无害通过。
7.根据权利要求6所述的无人船导航和自动驾驶方法，其特征在于：若无人船同时满足多条上述水上航行规则，即出现交通船从无人船的左前方或右前方不断靠近无人船的情况，简单叠加所满足的每条水上航行规则形成多规则约束条件；所述水上航行规则具体识别依据如下：
其中：下标A和B分别表示无人船和交通船的变量，θB-θA表示交通船航向与无人船航向的夹角，bB表示交通船相对于无人船的方位，yB表示交通船相对于无人船的纵向距离，xB表示交通船相对于无人船的横向距离，不同的门限值(·)min和(·)max被用于识别每条水上航行规则。
8.根据权利要求2所述的无人船导航和自动驾驶方法，其特征在于：所述步骤(5)中航行规划器利用速度障碍法计算所述无人船和交通船的碰撞时间r，所述速度障碍法具体如下：
位置矢量为 的无人船以速度矢量 航行一定时间t后的位置矢量可以表示为：
其中： 和 分别表示二维空间中无人船的位置矢量和速度矢量，t表示航行时间；
设定无人船和交通船的模型分别为矩形A和B，当交通船位于无人船的左前方并不断靠近所述无人船时，根据公式(5)在无人船的速度空间中定义速度障碍为：
其中，符号“⊕”表示闵可夫斯基求和：
考虑到不同传感器的评估误差以及交通船本身的不精确运动，交通船的速度矢量被定义为：
其中： 表示无人船的船载传感器所评估的交通船期望速度矢量， 表示交通船速度矢量的不确定度，且 其中wB是 的阈值且为常量，则具有最坏情况不确定度的速度障碍为：
其中： 表示无人船的船载传感器所评估的交通船期望速度矢量， 表示无人船的期望速度障碍，wB表示交通船的不确定度所形成的速度障碍；
将交通船B占据的障碍区域用无人船A所占区域扩展为B⊕-A，只要所述无人船的速度矢量 不在速度障碍区域内，就能够避免无人船与交通船发生碰撞；当无人船左前方或右前方出现多艘交通船时，计算叠加的速度障碍，保证无人船的速度矢量不在叠加的速度障碍区域内，即可避免无人船与任意交通船发生碰撞。
9.根据权利要求2所述的无人船导航和自动驾驶方法，其特征在于：所述步骤(5)中；航行规划器利用速度障碍法计算所述无人船和交通船的碰撞时间r，其具体计算方法如下：
当所述无人船的速度矢量 在速度障碍区域时，所述无人船与所述交通船的碰撞时间可通过计算所述无人船的相对速度 与B⊕-A的边界相交所花费的时间来获取，计算公式为：
其中， 表示区域边界，如果计算的碰撞时间包含多个r，选择其中的最小值。
10.根据权利要求2所述的无人船导航和自动驾驶方法，其特征在于：所述步骤(5)中，航行规划器根据步骤(3)、(4)所得到的信息，利用速度障碍法做出航行规划，所述航行规划的具体方法如下：
在无人船航行区域构建速度空间网格，即在v-θ空间中形成一个规则的离散网格并将其作为决策空间，其中v表示无人船的速度，θ表示无人船航向；一旦生成所述速度障碍和水上航行规则的约束集，对于每个vi和θj在短时间内仍维持当前值，此时所述航行规划器通过公式(11)计算成本，当计算完所有成本，选择最小成本下的(vi,θj)对，即可得到所述无人船避让所述交通船的最佳速度矢量，从而做出最佳航行规划；
其中，wr表示碰撞时间权重，rij表示碰撞时间， 表示到达下一个近期目标的期望速度，wv表示期望速度偏差权重，||·||Q表示加权的向量2-范数。
一种无人船导航和自动驾驶设备及其方法
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