[發明專利]一種基于孿生數據驅動的無人艇實時速度測量方法及系統

有效

• 申請號: 202010692749.2
• 申請日: 2020-07-17
• 公開（公告）號: CN111881515B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 楊少龍;孫延浩;向先波;安金鑫
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20;G06T17/00
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 楊采良

本發明屬于無人艇測量技術領域，公開了一種基于孿生數據驅動的無人艇實時速度測量方法及系統，根據實體無人艇位姿傳感器布置位置、傳感器時間序列數據以及無人艇虛擬孿生體三維模型的空間數據，實時進行跨域、時空融合得到表達無人艇任意位置點的實時位姿孿生數據信息?；趯崟r孿生數據信息，實時測量實體無人艇任意位置點的運動狀態，或者校準至少一套位姿傳感器測量信息。本發明提出了物理空間不同布置位置和不同量程范圍的實體無人艇傳感器時間序列數據與信息空間虛擬孿生體三維模型空間數據的實時、跨域、時空融合方法，實現了利用虛實融合和多傳感器數據互補的無人艇任意測點位姿觀測和可靠估計。

技術領域

本發明屬于無人艇測量技術領域，尤其涉及一種基于孿生數據驅動的無人 艇實時速度測量方法及系統。

背景技術

目前，小型無人艇在航行中受風、浪、流等多種因素的影響，會產生六自 由度運動，包括三個方向的平動和三個方向的轉動。其中，三個方向的轉動， 是無人艇繞自身旋轉中心的旋轉運動，無人艇的姿態變化便由此產生。通常， 小型無人艇可視為剛體，艇體上任意點的速度是平動速度與旋轉運動線速度的 矢量和，由于艇體不同位置與旋轉中心的距離不等，導致實際海上航行無人艇 艇體各點的合速度矢量不同。很多海上作業需要實時位姿信息作為參照，尤其 是測量艇體某一局部位置的精確位姿狀態，才可以順利完成作業任務。例如， 無人艇的布放和回收、多無人艇對接、無人艇靠離碼頭、艇載傳感器位姿補償(如攝像頭、測掃聲吶、避障聲吶、對底聲吶、激光雷達等)等，這些作業場 景均依賴于準確可靠地測量無人艇自身某一局部位置的位姿信息。無人艇位姿 狀態感知，主要通過在無人艇上安裝北斗(專利CN111323804)、GPS(專利 CN107797131)、IMU(專利CN1865854)等物理傳感器來完成。為了不額外 增加系統復雜度，無人艇導航系統通常僅配備一套位姿感知設備。因此，如何 運用有限的傳感器數據獲取更多局部位置的準確位姿信息完成海上作業任務成 為了無人艇感知技術發展迫切需要解決的難題。

專利文獻CN 107797131公開了一種基于GPS載波相位姿態的無人船數據 融合姿態測量方法，特征為構建已知相對位置的GPS三天線陣列，通過解算GPS 載波相位信號，獲取導航坐標系下的姿態信息，并進一步進行運動學解析求得 無人船三軸姿態歐拉角。該方法解決了電子羅盤測量易受磁場干擾、慣導測量 易受艇載震動環境影響等問題，是一種新的無人艇姿態測量方法。但該方法卻 只能給出一組歐拉角及其角速度信息，不能滿足復雜任務情況下艇體任意局部 位置實時位姿測量需求(包括線速度和角速度)。此外，專利文獻CN108189980 公開了一種用于碼頭停靠船舶的位姿實時測量方法，基于無線電定位標簽與基 站的位置關系，解算獲得船舶上各標簽位置的船舶姿態數據。該方法能夠測量 船舶多處局部位置的位姿狀態，但卻需要額外增加對應數量的物理無線電定位 標簽，造成系統復雜度提升，成本投入增加。與此類似，專利文獻CN106933232 也公開了一種類似的多節點分布式位姿測量系統，該方法采用一個節點對應一 套IMU設備的測量方法實現高精度分布式位姿測量。一旦測點位置需求增多， 該方法同樣面臨系統復雜度與成本的制約。另外，專利文獻CN107796388公開 了一種基于慣性技術的相對姿態測量方法，充分利用艦載自身慣導與相對位姿 測量裝置(測量安裝位置角速度)的角速度匹配觀測估計艦載設備局部位置的真實姿態信息，從而補償由于船體結構變形引起的局部位置設備位姿偏差。該 方法利用卡爾曼濾波觀測器解決局部位置位姿測量，較好地實現艦船運動中同 步測量，但對于艦船其他艇載設備均需要采用相同方法布置若干套相對位姿測 量裝置，增加了測量系統復雜度。