[發(fā)明專利]面向船舶智能航行與安全的船岸協(xié)同仿真系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010801855.X
• 申請日: 2020-08-11
• 公開（公告）號: CN111913406B
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 初秀民;吳勇;周海明;何偉;劉興龍;鄭福進(jìn);雷進(jìn)宇;王志遠(yuǎn)
• 申請（專利權(quán)）人: 閩江學(xué)院
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 福州旭辰知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 35233
• 代理人: 程春寶

1.一種面向船舶智能航行與安全的船岸協(xié)同仿真系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)包括模型船體、岸基服務(wù)器和在線數(shù)據(jù)場景驅(qū)動模塊，所述岸基服務(wù)器設(shè)置于岸基上，所述模型船體內(nèi)設(shè)置有推進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)模塊，所述模型船體上設(shè)置有自身狀態(tài)感知模塊、航行環(huán)境感知模塊、水文信息感知模塊、以及運(yùn)動控制模塊；所述線數(shù)據(jù)場景驅(qū)動模塊包括用于加載在線數(shù)據(jù)場景的場景服務(wù)器和顯示屏；顯示屏需要實(shí)時顯示模型船體視頻、激光雷達(dá)的采集信息以及疊加后的電子海圖圖像，通過模型船體模擬真實(shí)船體在沿海水域中航行，并通過自身狀態(tài)感知模塊、航行環(huán)境感知模塊、水文信息感知模塊獲取模塊來獲取船舶自身狀態(tài)信息、航行環(huán)境信息、水文信息，從而將信息反饋到岸基的岸基服務(wù)器上，岸基服務(wù)器通過采集大量的通航環(huán)境與交通環(huán)境數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上通過場景服務(wù)器來建立水域通航環(huán)境和交通環(huán)境的環(huán)境模型；顯示屏將環(huán)境模型顯示在電子海圖圖像上，并通過場景服務(wù)器在顯示屏上加載險情或事故場景測試船岸協(xié)同應(yīng)對突發(fā)險情或事故，為船舶航行提供安全保障；

所述系統(tǒng)還包括設(shè)置于STM32F407VET6主芯片上的模型船體控制單元、設(shè)置于岸基服務(wù)器上的通航環(huán)境建模單元、設(shè)置于場景服務(wù)器上的在線數(shù)據(jù)場景驅(qū)動單元；所述模型船控制單元基于TCP/IP協(xié)議設(shè)置用于船岸通信的狀態(tài)發(fā)送和指令接收子程序；根據(jù)自身狀態(tài)感知模塊、航行環(huán)境感知模塊、水文信息感知模塊中的各種傳感器的數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)置數(shù)據(jù)解析子程序；基于反饋控制原理設(shè)置主機(jī)和舵角的反饋控制子程序；

所述通航環(huán)境建模單元，根據(jù)激光雷達(dá)、攝像頭和AIS各自的數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)置信息采集程序；基于柵格和模型法設(shè)置三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理程序；基于深度學(xué)習(xí)方法設(shè)置視頻圖像處理程序；同時設(shè)置繪圖程序?qū)⒓す饫走_(dá)的采集信息和圖像目標(biāo)識別信息、AIS信息在電子海圖上進(jìn)行疊加顯示；

所述在線數(shù)據(jù)場景驅(qū)動單元，基于虛實(shí)結(jié)合的方式設(shè)置場景驅(qū)動程序框架；基于虛擬仿真技術(shù)設(shè)置激光雷達(dá)、AIS和視頻數(shù)據(jù)的重構(gòu)和增廣程序；最后通過岸端的顯示屏進(jìn)行場景顯示。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向船舶智能航行與安全的船岸協(xié)同仿真系統(tǒng)，其特征在于：所述自身狀態(tài)感知模塊包括GPS模塊、姿態(tài)傳感器以及舵角傳感器；所述航行環(huán)境感知模塊包括激光雷達(dá)、AIS船舶自動識別系統(tǒng)終端、攝像頭；所述水文信息感知模塊包括：風(fēng)速風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器、光照度傳感器、以及氣壓傳感器；所述運(yùn)動控制模塊包括電路板，所述電路板設(shè)置有STM32F407VET6主芯片、DAC模塊和GPRS模塊；所述DAC模塊、舵機(jī)模塊、GPS模塊、GPRS模塊、姿態(tài)傳感器、舵角傳感器、激光雷達(dá)、AIS船舶自動識別系統(tǒng)終端、攝像頭、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器、光照度傳感器、氣壓傳感器均與所述STM32F407VET6主芯片連接，所述推進(jìn)電機(jī)經(jīng)所述DAC模塊與所述STM32F407VET6主芯片連接，所述岸基服務(wù)器通過GPRS模塊與模型船體進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)通信。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的面向船舶智能航行與安全的船岸協(xié)同仿真系統(tǒng)，其特征在于：所述GPS模塊獲取模型船體的位置信息，姿態(tài)傳感器獲取模型船體的三維姿態(tài)方位數(shù)據(jù)，舵角傳感器獲取模型船體的舵角信息或者螺旋槳角度信息；激光雷達(dá)提供分辨率高、測距遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)的場景實(shí)時三維激光點(diǎn)云，通過對三維激光點(diǎn)云的處理獲得場景內(nèi)障礙目標(biāo)狀態(tài)，能為智能船舶提供通航環(huán)境感知手段；AIS船舶自動識別系統(tǒng)終端能實(shí)時傳遞及接收船舶對船舶、船舶對港口之間航行與安全相關(guān)的數(shù)據(jù)和消息；所述攝像頭捕獲船舶航行的圖像信息；所述風(fēng)速風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器、光照度傳感器、氣壓傳感器分別獲取水面航行的風(fēng)速風(fēng)向信息、水面的溫濕度信息、光照度信息以及氣壓信息。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的面向船舶智能航行與安全的船岸協(xié)同仿真系統(tǒng)，其特征在于：所述電路板上還設(shè)置有RS485模塊、RS232模塊、ADC模塊、PWM模塊、以及DC-DC電源模塊；所述RS485模塊、RS232模塊、ADC模塊、PWM模塊、DC-DC電源模塊均與所述STM32F407VET6主芯片連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向船舶智能航行與安全的船岸協(xié)同仿真系統(tǒng)，其特征在于：所述激光雷達(dá)采用以太網(wǎng)接口與STM32F407VET6主芯片連接，其中三維激光點(diǎn)云的采集、處理、傳輸以及設(shè)備連接、待機(jī)、發(fā)射、量程調(diào)節(jié)的控制操作均通過激光雷達(dá)控制協(xié)議實(shí)現(xiàn)，在采集到三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，可通過對點(diǎn)云進(jìn)行濾波、柵格化處理，得到包含障礙物信息的柵格圖像；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行目標(biāo)識別與跟蹤處理，來獲得障礙物大小、方位以及相對速度的動靜態(tài)信息；三維激光點(diǎn)云包含了周圍航行環(huán)境障礙物反射點(diǎn)的距離、方位、反射率的數(shù)據(jù)，通過對三維激光點(diǎn)云進(jìn)行處理，能得到目標(biāo)的輪廓、位置和速度信息；其中，目標(biāo)識別包括點(diǎn)云分割和識別兩個過程；所述目標(biāo)識別采用兩種方法來實(shí)現(xiàn)障礙目標(biāo)識別，方法一:柵格法是將三維激光點(diǎn)云投影到具有網(wǎng)絡(luò)的平面，通過判斷網(wǎng)格內(nèi)是否有點(diǎn)云來識別障礙目標(biāo)；方法二：模型法通過模型擬合的方式來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的識別。