一种无人机协同辅助船舶靠泊方法与流程

1.本发明属于智能航运、船舶靠泊技术领域，尤其涉及一种无人机协同辅助船舶靠泊方法。


背景技术：

2.船舶进港靠泊过程是船舶整个航次中风险较大的环节，在船舶靠泊过程中，气象、水文等环境信息不够精确，港口水域的限制性对船舶的操纵性和驾引人员的技术能力提出了极大考验，在多种因素的影响下，船舶的可控性受到很大的挑战，使得这一操作过程的事故发生率逐年提高。
3.船舶靠泊事故发生的多数原因在于驾引人员对船舶所处位置及船舶距泊位之间的距离信息不够明确，导致误判和操作不当，造成事故。船舶上普遍使用的arpa雷达、gps导航定位等助航设备难以给驾引人员提供直观、精确、迅速的定位信息。目前存在的船舶靠泊辅助系统都存在一定的不足，例如基于雷达、声呐和激光测距等的辅助靠离泊技术的抗干扰能力和环境适应性较差，当船舶剧烈晃动或码头几何结构不常见时，很容易丢失目标或出现错误检测的情况。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种无人机协同辅助船舶靠泊方法。
5.为了实现上述目的，本发明提出了一种无人机协同辅助船舶靠泊方法，基于三架无人机和挂载在每架无人机上的测距设备实现，所述方法包括：
6.步骤1)第一无人机到达码头上方指定位置，在设定范围内，上下飞行通过测距设备的扫测得到船舶轮廓最外点对应的高度h；
7.步骤2)第二无人机和第三无人机均悬停在高度h处，并分别对应船艏和船尾，通过各自挂载测距设备的左右扫测，分别得到各自与待靠泊船舶的船艏或船尾的距离；三架无人机形成一条直线；
8.步骤3)根据步骤2)得到的两个距离，结合码头固定标线距离泊位的距离，得到待靠泊船舶轮廓最外点距离码头的最小距离l
p
；
9.步骤4)将步骤3)得到的最小距离l
p
实时回传至船舶驾引人员，实现船舶靠泊操作；
10.步骤5)重复上述步骤直至船舶停靠至泊位。
11.作为上述方法的一种改进，在进行扫测时，所述第一无人机的质心在码头的投影落在固定圆圈标线内，在所述圆圈标线的圆心绘制有距离标线，所述距离标线与码头边缘线平行，并且距离泊位为距离ld。
12.作为上述方法的一种改进，所述步骤1)包括：
13.第一无人机到达码头上方指定位置，在设定范围内，上下飞行通过测距设备的扫
测，得到第一无人机与待靠泊船舶的一组距离，以及对应的一组扫测高度，从中找到距离的最小值min(lu)，以及对应的扫测高度h，该扫测高度h即船舶轮廓最外点对应的高度h。
14.作为上述方法的一种改进，所述步骤2)之前，步骤1)之后还包括：第一无人机将扫测高度h分别发送至第二无人机和第三无人机。
15.作为上述方法的一种改进，所述步骤2)包括：
16.第二无人机和第三无人机均悬停在高度h处，并分列第一无人机左右两侧，分别通过各自挂载的测距设备进行左右扫测，得到第二无人机与待靠泊船舶的船艏或船尾的距离ls，第三无人机与待靠泊船舶的船尾或船艏的距离lw；
17.当ls或lw的值突然趋于无穷大的时候，各自对应的临界点即为船艏或船尾的位置，此时得到第二无人机与待靠泊船舶的距离α_ls，第三无人机与待靠泊船舶的距离α_lw。
18.作为上述方法的一种改进，所述步骤3)包括：
19.根据步骤2)得到的两个距离α_ls和α_lw，结合码头固定标线距离泊位的距离ld，根据下式得到待靠泊船舶轮廓最外点距离码头的距离l
p
：
20.l
p
＝min[α_ls,α_lw]-ld。
[0021]
作为上述方法的一种改进，所述步骤4)还包括：将两个距离α_ls和α_lw，以及码头固定标线距离泊位的距离ld实时回传至船舶驾引人员，以实时掌握船舶姿态。
[0022]
与现有技术相比，本发明的优势在于：
[0023]
1、本发明的方法仅需3台小型无人机，且无人机只需挂载测距设备，无需挂载摄像机等其他靠泊方法中常用的设备，成本较低；
[0024]
2、无需专业的飞手现场控制，无人机从自动机场飞到码头的圆圈标线是固定航线，动态扫描的顺序也都是执行的预设程序，普通工作人员就可以远程一键执行飞行程序；
[0025]
3、无需借助船舶的ais、gps等设备，适用于多种工作场景；
[0026]
4、根据反馈的三个距离数据，实时掌握船舶姿态。
附图说明
[0027]
图1是本发明的无人机协同辅助船舶靠泊方法示意图；
[0028]
图2是采用本发明方法的几何关系示意图
[0029]
附图标记
[0030]
1、自动机场
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2、圆圈标线
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3、距离标线4、靠泊船舶
[0031]
5、拖船
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
6、码头
[0032]
11、第一无人机
ꢀꢀꢀꢀ
12、第二无人机13、第三无人机
具体实施方式
[0033]
本发明提出了一种无人机协同辅助船舶靠泊方法，基于三架无人机和挂载在每架无人机上的测距设备实现，所述方法包括：
[0034]
步骤1)第一无人机到达码头上方指定位置，在设定范围内，上下飞行通过测距设备的扫测得到船舶轮廓最外点对应的高度h；
[0035]
步骤2)第二无人机和第三无人机均悬停在高度h处，并分别对应船艏和船尾，通过各自挂载测距设备的左右扫测，分别得到各自与待靠泊船舶的船艏或船尾的距离；三架无
人机形成一条直线；
[0036]
步骤3)根据步骤2)得到的两个距离，结合码头固定标线距离泊位的距离，得到待靠泊船舶轮廓最外点距离码头的最小距离l
p
；
[0037]
步骤4)将步骤3)得到的最小距离l
p
实时回传至船舶驾引人员，实现船舶靠泊操作；
[0038]
步骤5)重复上述步骤直至船舶停靠至泊位。
[0039]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0040]
实施例
[0041]
本发明的实施例提出了一种无人机协同辅助船舶靠泊方法，具体步骤如下：
[0042]
1.当靠泊船舶4靠近泊位时，三架无人机：第一无人机11、第二无人机12和第三无人机13携带测距设备从自动机场1按预定好的固定航线，自动飞行、降落到相应的码头6固定标记点，如图1中所示中间的圆圈标线2。测距设备，例如激光测距设备、测距相机等，本实施例以无人机挂载脉冲法激光测距仪为例。
[0043]
2.第一无人机11在圆圈标线2范围内以一定速度上下扫测。第一无人机11挂载的激光测距仪向待靠泊船舶4发送光脉冲，光脉冲在经过光学镜头时，一束被透镜前的平面镜反射，进入激光反馈计时模块，经光电转换及放大滤波整流后，电平信号送入时间数字转换芯片的开始计时端；另一束激光脉冲经过透镜压缩发散角后，开始飞行，遇到目标障碍物后发生漫反射，部分激光返回到激光接收处理电路，同样地，经过光电转换及放大滤波整流后，所形成的电平信号送入时间数字转换芯片结束计时端，即完成整个测量过程。
[0044]
3.第一无人机11上下扫测时，测距设备得出的第一无人机11与被引船舶之间的距离记作lu,对应的第一无人机11扫测高度记作hu，找出第一无人机11与靠泊船舶4之间的距离的最小值min(lu)，min(lu)对应的第一无人机11扫测高度记作h，那么这个高度是船舶轮廓最外点对应的高度。
[0045]
4.第一无人机11将此高度数据h发送给第二无人机12和第三无人机13，第二无人机12和第三无人机13都悬停到高度h后，分别向左、向右扫测。测距设备得出的第二无人机12与靠泊船舶4之间的距离记作ls，对应的第二无人机12距其码头固定标记点的距离记作ds；测距设备得出的第三无人机13与靠泊船舶4之间的距离记作lw，对应的第三无人机13距其码头6固定标记点的距离记作dw。如图2所示。
[0046]
5.当ls或lw的值突然趋于无穷大的时候，临界点对应的即为船艏或者船尾的位置，此时第二无人机12和第三无人机13与靠泊船舶4之间的距离分别记作α_ls和α_lw。
[0047]
6.由于在海上受风浪影响，靠泊船舶4轮廓最外点对应的高度会发生变化，因此第一无人机11在高度h上下小范围动态扫描。第二无人机12和第三无人机13根据第一无人机11反馈的实时高度h值调整飞行高度，在船艏或船尾的位置处左右小范围动态扫描，通过测距设备实时反馈与被引船舶之间的距离α_ls和α_lw。
[0048]
7.码头固定距离标线3距离泊位的距离是个固定值，记作ld；靠泊船舶4轮廓最外点距码头的距离记作l
p
，则l
p
＝min[α_ls,α_lw]-ld。
[0049]
8.通过将靠泊船舶4轮廓最外点距码头的距离数据实时回传，给船舶驾引人员执行靠离泊操作提供数据支持。并且将两个距离α_ls和α_lw，以及码头固定标线距离泊位的距离ld实时回传至船舶驾引人员，以实时掌握船舶姿态。通过拖船5进行引导靠泊。
[0050]
重复以上步骤，直至靠泊船舶4停靠到泊位。
[0051]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种无人机协同辅助船舶靠泊方法，基于三架无人机和挂载在每架无人机上的测距设备实现，所述方法包括：步骤1)第一无人机到达码头上方指定位置，在设定范围内，上下飞行通过测距设备的扫测得到船舶轮廓最外点对应的高度h；步骤2)第二无人机和第三无人机均悬停在高度h处，并分别对应船艏和船尾，通过各自挂载测距设备的左右扫测，分别得到各自与待靠泊船舶的船艏或船尾的距离；三架无人机形成一条直线；步骤3)根据步骤2)得到的两个距离，结合码头固定标线距离泊位的距离，得到待靠泊船舶轮廓最外点距离码头的最小距离l
p
；步骤4)将步骤3)得到的最小距离l
p
实时回传至船舶驾引人员，实现船舶靠泊操作；步骤5)重复上述步骤直至船舶停靠至泊位。2.根据权利要求1所述的无人机协同辅助船舶靠泊方法，其特征在于，在进行扫测时，所述第一无人机的质心在码头的投影落在固定圆圈标线内，在所述圆圈标线的圆心绘制有距离标线，所述距离标线与码头边缘线平行，并且距离泊位为距离l
d
。3.根据权利要求1所述的无人机协同辅助船舶靠泊方法，其特征在于，所述步骤1)包括：第一无人机到达码头上方指定位置，在设定范围内，上下飞行通过测距设备的扫测，得到第一无人机与待靠泊船舶的一组距离，以及对应的一组扫测高度，从中找到距离的最小值min(l
u
)，以及对应的扫测高度h，该扫测高度h即船舶轮廓最外点对应的高度h。4.根据权利要求3所述的无人机协同辅助船舶靠泊方法，其特征在于，所述步骤2)之前，步骤1)之后还包括：第一无人机将扫测高度h分别发送至第二无人机和第三无人机。5.根据权利要求3所述的无人机协同辅助船舶靠泊方法，其特征在于，所述步骤2)包括：第二无人机和第三无人机均悬停在高度h处，并分列第一无人机左右两侧，分别通过各自挂载的测距设备进行左右扫测，得到第二无人机与待靠泊船舶的船艏或船尾的距离l
s
，第三无人机与待靠泊船舶的船尾或船艏的距离l
w
；当l
s
或l
w
的值突然趋于无穷大的时候，各自对应的临界点即为船艏或船尾的位置，此时得到第二无人机与待靠泊船舶的距离α_l
s
，第三无人机与待靠泊船舶的距离α_l
w
。6.根据权利要求5所述的无人机协同辅助船舶靠泊方法，其特征在于，所述步骤3)包括：根据步骤2)得到的两个距离α_l
s
和α_l
w
，结合码头固定标线距离泊位的距离l
d
，根据下式得到待靠泊船舶轮廓最外点距离码头的距离l
p
：l
p
＝min[α_l
s
,α_l
w
]-l
d
。7.根据权利要求6所述的无人机协同辅助船舶靠泊方法，其特征在于，所述步骤4)还包括：将两个距离α_l
s
和α_l
w
，以及码头固定标线距离泊位的距离l
d
实时回传至船舶驾引人员，以实时掌握船舶姿态。

技术总结
本发明公开了一种无人机协同辅助船舶靠泊方法，基于三架无人机和挂载在每架无人机上的测距设备实现，所述方法包括：第一无人机到达码头上方指定位置，在设定范围内，上下飞行通过测距设备的扫测得到船舶轮廓最外点对应的高度h；第二无人机和第三无人机均悬停在高度h处，并分别对应船艏和船尾，通过各自挂载测距设备的左右扫测，分别得到各自与待靠泊船舶的船艏或船尾的距离；三架无人机形成一条直线；根据步骤2)得到的两个距离，结合码头固定标线距离泊位的距离，得到待靠泊船舶轮廓最外点距离码头的最小距离L


技术研发人员：李春旭 丁格格 耿雄飞 文捷 王俊生 洛佳男 姚治萱
受保护的技术使用者：交通运输部水运科学研究所
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/9/20