一种水域自主导航监测无人船的制作方法

1.本发明属于水域中的无人机监测技术领域，涉及一种水域自主导航监测无人船。


背景技术：

2.伴随着中国人口老龄化的趋势，水域作业劳动力的缺口就会逐渐扩大。高成本，低效率的传统人工水面作业已经成为国内水域工作行业的痛点。
3.智能化一直是船舶发展的趋势。近年来，伴随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新理念、新技术的突飞猛进，船舶自动化水平不断提高，无人船的实现有了科技支撑，无人驾驶船舶航行于全球有了实现的可能性。
4.针对目前的水域作业问题，亟需一种用于无人驾驶的水域作业的无人机的产生。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种水域自主导航监测无人船，以解决现有人口老龄化严重，水域工作效率低的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现。
7.一种水域自主导航监测无人船，包括，
8.无人机船身，所述无人机船身两侧连接有舱体；
9.位于无人船机船身和\或舱体上的控制组件以及动力组件，且所述动力组件与所述控制组件通讯连接；
10.感知避障组件，所述感知避障组件用于采集无人船机船身和\或舱体周围的障碍物，并将采集到的障碍物信息发送至控制组件；
11.定位组件，所述定位组件获取无人机船身和\或舱体的位置信息，并与所述控制组件通讯连接；
12.操控组件，所述操控组件接受控制组件的指令，进而控制动力组件，操控并调整无人船机船身和\或舱体的行驶状态，所述行驶状态包括是否行驶、形式速度或形式方向中的一种；
13.通讯组件，所述通讯组件用于无人船机船身和\或舱体中采集数据以及控制组件与远程的终端设备之间的通讯。
14.作为本发明的进一步改进，所述感知避障组件通过环境监测组件，获取无人船机船身和\或舱体周围的环境参数，使得控制组件根据环境参数，进行避障路线设计。
15.作为本发明的进一步改进，所述环境监测至少包括ph值监测组件、电导率监测组件、溶解氧监测组件、浊度监测组件以及温度监测组件。
16.作为本发明的进一步改进，还包括位于无人船机船身和\或舱体上的图像采集组件，所述图像采集组件分别用于获取图像采集以及视觉应用。
17.作为本发明的进一步改进，还包括与控制组件通讯连接的遥控器，所述遥控器用于手动控制无人机船身，同时监控并显示系统状态。
18.作为本发明的进一步改进，所述控制组件具体为芯片组件，所述芯片组件上设有姿态数据解析单元、推进器运动控制单元以及处理遥控器指令的遥控器数据处理单元，所述推进器运动控制单元分别与推进器以及动力组件连接。
19.作为本发明的进一步改进，所述芯片组件为带有的python编写单元的nvidia芯片，所述nvidia芯片上搭载有ubuntu系统。
20.作为本发明的进一步改进，还包括任务荷载组件，所述任务荷载组件接受控制组件的指令，完成对应的任务。
21.作为本发明的进一步改进，所述任务荷载组件包括水质采样组件以及水质检测组件。
22.作为本发明的进一步改进，所述通讯组件为船外天线，所述船外天线包括5.8g全向8dbi天线两根，遥控器低频天线一根，gnss定位蘑菇天线一个。
23.本发明的有益效果如下：
24.本发明中，增加了智能感知避障，可以实现厘米级精确定位，确保无人船“指哪到哪”，无惧雨雾天气；本发明中的操控组件以及定位组件等，能够进行无人机船身、舱体以及同时监测无人机船身和舱体的效果，实现了针对各种组件的同时或单独监控，进而可以使得舱体单独作业于狭小空间等特殊的作业区域环境中。
附图说明
25.图1为本发明中一种水域自主导航监测无人船的整体结构示意图；
26.图2为本发明中一种水域自主导航监测无人船的电路原理图；
27.图3为本发明中一种水域自主导航监测无人船的工作流程图；
28.图4为本发明中用于水质数据接收的流程图；
29.图5为本发明中用于图像数据接收的流程图；
30.附图标记：
31.100、无人机船身；200、舱体；300、控制组件；400、动力组件；500、感知避障组件；600、定位组件；700、操控组件；800、通讯组件；900、终端设备；910、任务荷载组件。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
33.参照附图1-5所示，本实施例中，一种水域自主导航监测无人船，包括，
34.无人机船身100，所述无人机船身100两侧连接有舱体200；
35.位于无人船机船身100和\或舱体200上的控制组件300以及动力组件400，且所述动力组件400与所述控制组件300通讯连接；
36.感知避障组件500，所述感知避障组件500用于采集无人船机船身100和\或舱体200周围的障碍物，并将采集到的障碍物信息发送至控制组件300；
37.定位组件600，所述定位组件600获取无人机船身100和\或舱体200的位置信息，并与所述控制组件300通讯连接；
38.操控组件700，所述操控组件700接受控制组件300的指令，进而控制动力组件400，操控并调整无人船机船身100和\或舱体200的行驶状态，所述行驶状态包括是否行驶、形式
速度或形式方向中的一种；
39.通讯组件800，所述通讯组件800用于无人船机船身100和\或舱体200中采集数据以及控制组件300与远程的终端设备900之间的通讯。
40.具体地，由于无人船作业中，主要是环境造成的障碍影响，所述感知避障组件500通过环境监测组件，获取无人船机船身和\或舱体周围的环境参数，使得控制组件根据环境参数，进行避障路线设计。
41.具体地，所述环境监测至少包括ph值监测组件、电导率监测组件、溶解氧监测组件、浊度监测组件以及温度监测组件。
42.为了直观观察到无人机外周的其它障碍物，实现无人驾驶，还包括位于无人船机船身100和\或舱体200上的图像采集组件，所述图像采集组件分别用于获取图像采集以及视觉应用。
43.为了实现远程控制，还包括与控制组件300通讯连接的遥控器，所述遥控器用于手动控制无人机船身，同时监控并显示系统状态。
44.进一步地，所述控制组件300具体为芯片组件，所述芯片组件上设有姿态数据解析单元、推进器运动控制单元以及处理遥控器指令的遥控器数据处理单元，所述推进器运动控制单元分别与推进器以及动力组件连接。
45.为了充分完善无人船的更多功能，所述芯片组件为带有的python编写单元的nvidia芯片，所述nvidia芯片上搭载有ubuntu系统。
46.为了实现其它应用，还包括任务荷载组件910，所述任务荷载组件910接受控制组件300的指令，完成对应的任务。
47.详细地，所述任务荷载组件910包括水质采样组件以及水质检测组件。
48.为了方便通讯，所述通讯组件800为船外天线，所述船外天线包括5.8g全向8dbi天线两根，遥控器低频天线一根，gnss定位蘑菇天线一个。
49.本实施例中，所述芯片组件上搭载有ubuntu系统。整体使用python进行功能编写。视觉相关应用采用yolo5+tensorflow。
50.进一步地，所述芯片组件为nvidia芯片，且所述nvidia芯片设有姿态数据解析、推进器运动控制以及遥控器数据处理
51.本实施例中，首先，在软件结构上的设计如下：
52.第一步，最底层，是硬件，即传感器、推进器、定位数据和电子罗盘；
53.第二步，stm32芯片的功能，其姿态传感器数据接收解析，推进器运动控制，遥控器数据处理
54.利用usb转uart中，实现与nvidia芯片的互相通讯，具体地，nvidia芯片中，将lidar-16构成的视频采集系统、双目视觉采集系统、地图构建和避让以及路径规划系统集合视频图传进行结合；
55.第三步，通过4g网络等通讯方式，利用上位机或直接上传到云服务器中，实现通讯方式的互通。
56.其次，本实施例中，在硬件结构上的设计如下：
57.应用层面使用nvidia的jetson nx(以下简称nx)。搭载ubuntu系统。整体使用python进行功能编写。视觉相关应用采用yolo5+tensorflow。
58.船身搭载了两个摄像头，一个用于图像传输，一个用于视觉应用。
59.嵌入式底层使用stm32f103rct6(以下简称stm32)，负责9轴姿态传感器，水质传感器，遥控器接收器(pwm4通道)等外设的数据采集汇总；推进器，指示灯光等外设的控制。
60.遥控器使用的是推进器配套产品，总共6通道输出，都为pwm信号，不可自定义。
61.船外天线有三个，5.8g全向8dbi天线两根，遥控器低频天线一根，gnss定位蘑菇天线一个。
62.本实施例中，无人船的参数如表1：
63.表1
64.无人船参数船体尺寸1000mm*630mm*300mm船体材质q235碳素结构钢船体重量35kg满载重量50kg续航时间12小时吃水深度130mm要求水深250mm动力装置双推进器，额定300w工作速度1m/s最大速度2.5m/s搭载模块水质5项传感器
65.本实施例中的无人船，在进行摄像头装配时，利用多角度旋转架使得摄像头能够多角度监控，自由设定观测位置与观测角度，真正意义上的安防无死角。
66.本实施例中，实现了强连续性，显著强于无人机的续航能力，并强于人工的连续观察能力，每日往返巡逻。
67.本实施例中，无人驾驶，自动感知环境并进行路径调整，在完全无人干预的条件下持续巡逻。本发明中，定点定位，自主巡航进行检测。可搭载需要的传感器进行灵活组装。
68.假设目前无人所处的位置为为(xi,yi)，湖中央的目标点为(xo,yo)，无人船朝向为北偏西θ度，而此时起点和目标点的方位偏差为北偏西β度，所以无人船先修正偏角(θ-β)，船头朝目向目标点位置再直行前往目标点。
69.当无人船经纬度(xi,yi)和目标点(xo,yo)的距离小于某个很小的值ε时，即时，认为无人船已到达湖中央，开始取样水质。这里取ε＝3m。
70.当增加任务荷载组件时，以水质采样以及水质检测作为荷载任务，过程如下：
71.本实施例中，终端设备选用客户端上位机，具体采用tcp通讯协议，使用中通过nvidia芯片，将水质数据双向与云服务器通讯，而图像数据则从芯片中传递至云服务器，云服务器与终端设备双向通讯连接，进而在最终的客户端上显示水质数据以及图像数据。
72.水质数据和图像数据都采用tcp通讯协议传输，其中，水质数据与云服务器连接端口号为8088；nx与云服务器连接端口号为8888,；客户端与云服务器连接端口号为9999。
73.本实施例中，上位机能实现的功能：
74.(1)监测水质数据；
75.(2)手动输入gps坐标等数据，为导航程序提供目标点；
76.(3)行人检测报警提示；
77.(4)图像采集显示；
78.(5)所有的数据、图像保存；
79.(6)可以实时显示水质数据的曲线变化图。
80.参照附图3所示，客户端的流程图如下：
81.启动系统，开始，系统初始化，然后连接服务器，以timer，每1秒刷新一次数据的频率，接收、显示、保存水质数据，判断图像传输客户端是否连接服务器？如果连接，则接收、显示、保存图像数据，否则跳转至判断是否发送数据给无人船步骤？如果显示是，则发送数据，否则直接跳转至显示数据曲线步骤，然后结束。
82.参照附图4所示，本实施例中，服务器接收水质数据程序的流程如下：
83.选择开始，创建socket对象，配置ip、端口号，开线程，1.连接客户端数量；2.接收无人船水质数据；3.发送水质数据给客户端；结束。
84.参照附图5所示，本实施例中，服务器接收图像数据流程图，其过程如下：
85.选择开始，创建socket对象；连接nx端口号8888，创建socket对象，连接客户端，端口号9999，开线程，1.连接客户端数量；2.接收nx图像数据；3.发送图像数据给客户端；结束。
86.本实施例中，无人船的软件架构整改初步设想
87.1、将原本stm32的关键功能整合到nvidia芯片上，实现更快速更精准的的运动控制和传感器数据处理。
88.2、使用ros集成开发，统一管理进度，统一配合各个模块功能。
89.3、针对英伟达设计无人船专用主板。搭载现可能用到的所有接口与模块。
90.4、使用16线户外激光雷达，搭配声呐，毫米波实现全向扫描，精确建模避障。
91.5、使用多组摄像头进行辅助避障，以及进行机器视觉相关应用以及远程图传应用。
92.本发明中，针对周围环境的监测，具体已实现的数据监测如下：
93.①
ph：影响藻类对氧气的摄入能力及动物对食物的摄取敏感度；
94.②
电导率：监测水体中总的离子浓度，包含重金属、杂质等等各种导电性物质总量；
95.③
溶解氧：地表水监测的重要指标，是水体是否具备自净能力的数据表征；
96.④
浊度：直接反应水中的细菌、大肠菌、病毒、隐孢子虫、铁、锰等含量；
97.⑤
温度：影响水生物生长和鱼虾类动物进食的速度，以及它们的繁殖时间和效率；
98.⑥
其它：cod、氨氮(nh3-n)、高锰酸盐指数、荧光法有机污染测定。
99.本发明的优势如下：
100.(1)全自动化定点巡航：指定目标路径后，无人船可以自动行走和规避障碍物。可持续工作10小时以上；
101.(2)智能感知避障，可以实现厘米级精确定位，确保无人船“指哪到哪”，无惧雨雾天气；
102.(3)4g网络远程操控：远在千里之外办公室即可看到无人船实时状况；
103.(4)减少人工成本，提高工作效率；
104.(5)体积小，吃水深度浅，可以到达传统船只到不了的浅水区域进行工作；
105.(6)搭载红外摄像头，可以实现夜间不间断安全巡逻，相比传统人工巡逻，可靠性强，效率高；
106.(7)根据实际需求，可定制安装模块，可以实现多种功能：广告展示，水底测绘，定时投喂，管道排查等。
107.在结构上，本发明的组合式多功能无人船主要由无人船船体本体、左右副舱体、电气设备、定位系统、动力系统、通信系统(信息传输设备、中继转发设备、通信软件等)、操控系统、任务载荷(水质采样仪器、水质监测仪器等)几部分组成，可应用于环保监测、水文测绘等领域。
108.为了实现定位，本发明中，在无人船上，搭载有卫星定位系统；能接受遥控器的手动遥控指令；具有状态指示功能，异常时能采取声光等方式报警；具有对数据进行实时传输和本地备份的功能；异常情况下，船体可自动返航(遥控器断电、通讯信号中断、低电量报警等情况)；低电量报警值，能够在软件中手工设置及更改；无人船端具备原始数据直接实时回传控制终端的功能；
109.无人船上搭载水下专用水质传感器，通过操控无人船移动即可测量出大量的水质数据，包括但不限于温度、导电率、溶解氧、酸碱度、浊度、蓝绿藻、bod,cod,重金属等，相对于传统的固定点监测或水面监测，更加全面，更加高效。
110.通过计算机对水质数据与位置信息进行整合汇集，能够得出一个完整的立体化的水域水质地图，通过对多个水域水质地图进行分析，能够精确的计算出主要污染区域，污染物走向，污染物来源。针对暗管排污等场景的检测提供了精准高效的解决方案。
111.本发明的核心特点如下：
112.·
船体可以一船多用；
113.搭配不同传感器、结合不同涂装设计，可以延展出“环保监测船”、“水文监测船”、“水下三维地形测绘船”等多种船型；
114.·
各组件可拆分、易收纳；
115.模块化设计，易于拆分组装和运输；
116.·
抗风浪等级高；
117.多舱体设计、主舱高度可调，可调整整体重心高度。
118.·
辨识度高。
119.仿生形态设计
120.本发明的船体结构如下：
121.船体结构主要由三部分组成一个无人船本体和左右两个舱体组成，主要有以下特点。
122.(1)本体可升降，高于水面或者低于水面(“可上可下”)。
123.(2)本体安装传感器，舱体承担主要控制系统部件、动力系统部件等。
124.(3)船体外形设计采用“本体+舱体”的多体式模块化组装结构形式。采用这种多体式船体结构也大大的增强了船体的稳定性。达到了“便携、可拆分、易收纳”的目的。
125.(4)左右两个舱体可以单独作为一个小船行驶，也可多个舱体拼接为一艘合体船，
双舱体组合，可组合为不同形式的船(单体船、双体船等)。
126.(5)一壳多变组合船(环保监测船、水文测绘船、辅助拖船、运输船、水面取样船、照明船、破冰船等等)
127.(6)船体具有浮性、稳性、抗沉性、耐波性的特点。材质轻、耐磨、抗腐蚀。
128.(7)在本体与舱体之间的连接件采用可调节高度与宽度的活动连接件，可以根据不同风浪等级对应的调节本体与舱体之间的间距，以达到缓冲风浪的作用。
129.本发明的动力系统具有如下特点：
130.本发明能够构成环保监测无人船，其主要使用清洁能源锂电池供能。该供能方式不会对水体造成污染，也不会对水质采样、监测结果造成影响；
131.同时也电池需具备：过电流、过热保护，充、放电保护，短路保护功能；实时电量监测反馈功能；充放电次数大于等于300次；独立模块设计，拆卸方便，更换便利。
132.下面主要介绍本发明的操控系统
133.在主要功能上：
134.·
无人船系统状态监控与显示：
135.实时显示无人船的位置(纬度、经度)、航向、剩余能量、航速等；可发出无人船低能量警报；实时显示监测无人船搭载的水质分析仪器的监测结果；显示无人船检测到的障碍物距离(检测范围内)；可实时显示无人船搭载摄像头(如有装载)拍摄的画面；实时显示显控基站电量；显示无人船任务完成状态，包括任务已完成的百分比、预计剩余时间等信息。
136.·
数据存储：
137.存储无人船收集到的各种数据；存储无人船工作日志；
138.·
自动生成水质时空变化图及工作报告：
139.自动生成采样/监测工作报告；
140.自动绘制水质参数时间变化图。
141.本发明的遥控器如下：
142.a)手动遥控无人船：
143.·
切换无人船操控模式；
144.·
操控无人船进行相关指令；
145.·
控制无人船的声、光警报装置；
146.·
调节无人船航行速度档位；
147.·
进行遥控采样、监测作业。
148.b)监控并显示系统状态：
149.·
无人船工作状态、模式、能量剩余比例；
150.·
遥控器电量；
151.·
通信信号强度、状态；
152.·
显示无人船的速度、横摇、纵摇、gps/北斗位置。
153.本发明中的无人船，能够进行多种应用，具体的应用场景如下：
154.由于船体可变形、可升降的特殊结构设计，可以在面对不同环境情况时，可以针对特定情况做出调整，以此来适应不同使用需求。
155.在风浪较大水域，采用本体加两舱体的三体船结构行驶，抗风浪等级高，稳定性
好。同时在本体上还可以搭载多款水质传感器，实现一船多用，以及区域水质监测等任务；
156.在狭窄水域，可以使用舱体合并行驶，或者单舱体行驶，提高通过性，更快的实现单点水质监测等任务等。
157.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

技术特征：
1.一种水域自主导航监测无人船，其特征在于，包括，无人机船身，所述无人机船身两侧连接有舱体；位于无人船机船身和\或舱体上的控制组件以及动力组件，且所述动力组件与所述控制组件通讯连接；感知避障组件，所述感知避障组件用于采集无人船机船身和\或舱体周围的障碍物，并将采集到的障碍物信息发送至控制组件；定位组件，所述定位组件获取无人机船身和\或舱体的位置信息，并与所述控制组件通讯连接；操控组件，所述操控组件接受控制组件的指令，进而控制动力组件，操控并调整无人船机船身和\或舱体的行驶状态，所述行驶状态包括是否行驶、形式速度或形式方向中的一种；通讯组件，所述通讯组件用于无人船机船身和\或舱体中采集数据以及控制组件与远程的终端设备之间的通讯。2.根据权利要求1所述的一种水域自主导航监测无人船，其特征在于，所述感知避障组件通过环境监测组件，获取无人船机船身和\或舱体周围的环境参数，使得控制组件根据环境参数，进行避障路线设计。3.根据权利要求2所述的一种水域自主导航监测无人船，其特征在于，所述环境监测至少包括ph值监测组件、电导率监测组件、溶解氧监测组件、浊度监测组件以及温度监测组件。4.根据权利要求1所述的一种水域自主导航监测无人船，其特征在于，还包括位于无人船机船身和\或舱体上的图像采集组件，所述图像采集组件分别用于获取图像采集以及视觉应用。5.根据权利要求4所述的一种水域自主导航监测无人船，其特征在于，还包括与控制组件通讯连接的遥控器，所述遥控器用于手动控制无人机船身，同时监控并显示系统状态。6.根据权利要求5所述的一种水域自主导航监测无人船，其特征在于，所述控制组件具体为芯片组件，所述芯片组件上设有姿态数据解析单元、推进器运动控制单元以及处理遥控器指令的遥控器数据处理单元，所述推进器运动控制单元分别与推进器以及动力组件连接。7.根据权利要求5所述的一种水域自主导航监测无人船，其特征在于，所述芯片组件为带有的python编写单元的nvidia芯片，所述nvidia芯片上搭载有ubuntu系统。8.根据权利要求1所述的一种水域自主导航监测无人船，其特征在于，还包括任务荷载组件，所述任务荷载组件接受控制组件的指令，完成对应的任务。9.根据权利要求8所述的一种水域自主导航监测无人船，其特征在于，所述任务荷载组件包括水质采样组件以及水质检测组件。10.根据权利要求1所述的一种水域自主导航监测无人船，其特征在于，所述通讯组件为船外天线，所述船外天线包括5.8g全向8dbi天线两根，遥控器低频天线一根，gnss定位蘑菇天线一个。

技术总结
本发明涉及一种水域自主导航监测无人船，包括无人机船身，所述无人机船身两侧连接有舱体；位于无人船机船身和\或舱体上的控制组件以及动力组件，且所述动力组件与所述控制组件通讯连接；感知避障组件，用于采集无人船机船身和\或舱体周围的障碍物，并将采集到的障碍物信息发送至控制组件；定位组件，所述定位组件获取无人机船身和\或舱体的位置信息，并与控制组件通讯连接；操控组件，所述操控组件接受控制组件的指令，进而控制动力组件，操控并调整无人船机船身和\或舱体的行驶状态，所述行驶状态包括是否行驶、形式速度或形式方向中的一种；通讯组件，用于无人船机船身和\或舱体中采集数据以及控制组件与远程的终端设备之间的通讯。间的通讯。间的通讯。


技术研发人员：王清艺 种睿韬 纪峰 王俊东 董浩然 赵菲
受保护的技术使用者：西安虎鲨无人船有限公司
技术研发日：2023.01.31
技术公布日：2023/5/9