基于OneNET平台的无人船控制系统及其自主避障方法
技术领域
本发明涉及无人船控制技术领域，更具体的是涉及一种基于OneNET平台的无人船控制系统及其自主避障方法。
背景技术
无人船具有智能化、体积小、成本低等特点，可广泛应用于气象、水质采样、水文探测、海事捜救等众多领域，为海洋发展和航运发展提供了一种在危险情况下代替人工进行作业的安全途径。因此，开展无人船的研究具有重要意义。
OneNET是由中国移动打造的PaaS物联网开放平台。平台能够帮助开发者轻松实现设备接入与设备连接，快速完成产品开发部署，为智能硬件、智能家居产品提供完善的物联网解决方案。
针对当前无人船控制系统主要采用点对点无线通信技术，导致只能传输简单控制数据、实时性较差以及数据传输距离受限的问题，本发明基于OneNET平台设计无人船云控制系统，并采用4G技术作为船载端与岸基监控界面之间的通信技术，以实现对无人船航行的控制及无人船工作状态的实时监控。
发明内容
本发明的目的是针对当前无人船控制系统主要采用点对点无线通信技术，导致只能传输简单控制数据，实时性较差，数据传输距离受限，人工作业安全性低等问题，提出基于OneNET平台的无人船控制系统及其自主避障方法。
为达到上述目的，本发明实现目的所采取的技术方案是：
一种基于OneNET平台的无人船控制系统，该系统包括船载端、OneNET平台和岸基监控界面；船载端包括微处理器、4G通信模块、导航定位模块、六轴传感器模块、激光测距模块、直流电机驱动器、直流电机、舵机和供电模块；船载端通过4G通信模块与OneNET平台连接；OneNET平台通过OneNET API与岸基监控界面进行数据交互。
本发明的进一步改进，微处理器与4G通信模块、导航定位模块、六轴传感器模块、激光测距模块、直流电机驱动器、舵机、供电模块直接相连。
本发明的进一步改进，4G通信模块通过UART串口与微处理器相连，通过MQTT/HTTP协议接入OneNET平台；微处理器通过上述方式与OneNET平台进行远距离无线通讯。
本发明的进一步改进，导航定位模块通过UART/IIC通讯接口与微处理器相连以获取无人船的位置信息；六轴传感器模块通过UART/IIC/SPI通讯接口与微处理器相连以获取无人船的船体姿态数据和航速航向数据；激光测距模块通过普通IO口与微处理器相连以获取无人船周围的障碍物信息。
本发明的进一步改进，直流电机驱动器的输入端通过普通IO口与微处理器相连，输出端与直流电机相连，以控制直流电机的运动；舵机通过普通IO口与微处理器相连以控制无人船的转向。
本发明的进一步改进，供电模块包括氢燃料电池模块、船载太阳能电池板、锂电池和DC-DC转换电路，氢燃料电池模块、船载太阳能电池板连接锂电池的输入端，锂电池通过DC-DC转换电路为船载端的各个模块供电。
本发明的进一步改进，岸基监控界面为PC端监控软件，可以显示无人船的经纬度坐标数据、航速航向数据、船体姿态数据、距离前方障碍物的距离数据、舵角数据、电机转速数据、电源电量、无人船运动轨迹图。
本发明还披露了一种基于OneNET平台的无人船自主避障方法，包括如下步骤：
步骤一：出发前，岸基监控界面根据从OneNET平台获取的来自船载端的实时数据和电子海图获取海洋环境信息，构建无人船自主航行环境模型，在环境模型上按照实际需求规划出一条全局最优路径；
步骤二：无人船在航行的过程中，按照事先规划的全局最优路径航行；
步骤三：当遇到障碍物（动态船舶、动静态碍航物）时，根据相应的局部路径规划算法进行局部避碰；当障碍物比较密集来不及做局部路径规划时，启用反应式避碰；
步骤四：在局部避碰完成后，判断是否满足复航条件；若满足，则无人船复
航，逐渐回归到全局最优路径航行；否则，无人船当前可能处于特殊区域，无法复航，或者任务发生了改变，因此无人船需要进行全局路径重规划，然后按照新的全局最优路径航行至目标点。
本发明的有益效果为：本发明提出一种基于OneNET平台的无人船控制系统及其自主避障方法，无人船在航行过程中，通过船载端的各个传感器采集无人船的经纬度、航速、航向、船体姿态、障碍物距离和电量数据信息，并将数据信息通过4G通信模块上传至OneNET平台，岸基监控界面再从OneNET平台下载数据信息，解析数据信息并显示在上位机界面上，根据船载端反馈的数据信息，岸基监控界面发出控制指令，使得微处理器控制动力系统运动，实现自主避障功能。本发明能够实时采集船载端的各项数据信息，远程监控无人船的作业状态，不仅能提高无人船的智能化程度，又能减少人力成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的系统框图。
图3为本发明的控制流程图。
图中：1-岸基监控界面，2-OneNET平台，3-微处理器，4-4G通信模块，5-导航定位模块，6-舵机，7-直流电机，8-直流电机驱动器，9-六轴传感器模块，10-激光测距模块，11-供电模块，111-锂电池，112-氢燃料电池模块，113-船载太阳能电池板，114-DC-DC转换电路，12-4G基站。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
实施例：如图1和2所示，一种基于OneNET平台的无人船控制系统，该系统包括船载端、OneNET平台2和岸基监控界面1；船载端包括微处理器3、4G通信模块4、导航定位模块5、六轴传感器模块9、激光测距模块10、直流电机驱动器8、直流电机7、舵机6和供电模块11；船载端通过4G通信模块4与OneNET平台2连接；OneNET平台2通过OneNET API与岸基监控界面1进行数据交互。
微处理器3采用NXP公司的i.MX6ULL芯片，并搭载Linux 4.9.88内核，4G通信模块4、导航定位模块5、六轴传感器模块9、激光测距模块10、直流电机驱动器8、舵机6、供电模块11均与微处理器3连接；微处理器3用于实时采集经纬度坐标数据、船体姿态数据、航速航向数据、障碍物距离数据、电机转速数据、舵角数据和电源电量，并通过4G通信模块4将数据上传至OneNET平台2；微处理器3烧录有路径规划算法，微处理器3采集并实时解析传感器数据，若判断前方有障碍物，则运行局部路径规划算法规避障碍物，若前方无障碍物，则运行全局路径规划算法前往目标位置。
4G通信模块4采用中国移动物联网公司推出的ML302模块，该模块属于低速率CAT1模块，相对于LTE CAT4而言，成本价格更具优势，并且对于一般的产品而言使用CAT1是足够的；4G通信模块4通过UART串口与微处理器3相连，通过MQTT协议接入OneNET平台2；微处理器3通过上述方式与OneNET平台2进行远距离无线通讯。
导航定位模块5采用ATK1218-BD 北斗/GPS双模定位模块，通过UART通讯接口与微处理器3相连以获取无人船的位置信息；六轴传感器模块9采用深圳维特智能科技有限公司的JY61P六轴运动姿态陀螺仪传感器，该模块可用于姿态测量、倾角测量和振动测量，通过IIC通讯接口与微处理器3相连以获取无人船的船体姿态数据和航速航向数据；激光测距模块10采用KY-008激光传感器，通过普通IO口与微处理器3相连以获取无人船周围的障碍物信息。
直流电机驱动器8采用AQMH2407ND直流电机驱动模块，直流电机驱动器8的输入端通过普通IO口与微处理器3相连；直流电机7采用12428-0121直流电机，12428-0121直流电机连接AQMH2407ND直流电机驱动模块的输出端，以控制直流电机7的运动；舵机6采用MG995大扭力舵机，通过普通IO口与微处理器3相连以控制无人船的转向，舵机6转动的角度是通过调节PWM脉冲宽度调制信号的占空比来调节的。
供电模块11包括氢燃料电池模块112、船载太阳能电池板113、锂电池111和DC-DC转换电路114，氢燃料电池模块112、船载太阳能电池板113连接锂电池111的输入端，锂电池111通过DC-DC转换电路114为船载端的各个模块供电。
岸基监控界面1为PC端监控软件，使用QT编写，可以展示无人船的经纬度坐标数据、航速航向数据、船体姿态数据、距离前方障碍物的距离数据、舵角数据、电机转速数据、电源电量、无人船运动轨迹图。
如图3所示，一种基于OneNET平台的无人船自主避障方法，包括如下步骤：
步骤一：出发前，岸基监控界面1根据从OneNET平台2下载的来自船载端的实时数据和电子海图获取海洋环境信息，构建无人船自主航行环境模型，在环境模型上按照实际需求规划出一条全局最优路径；
步骤二：无人船在航行的过程中，按照事先规划的全局最优路径航行；
步骤三：当遇到障碍物动态船舶、动静态碍航物时，根据相应的局部路径规划算法进行局部避碰；当障碍物比较密集来不及做局部路径规划时，启用反应式避碰；
步骤四：在局部避碰完成后，判断是否满足复航条件。若满足，则无人船复航，逐渐回归到全局最优路径航行；否则，无人船当前可能处于特殊区域，无法复航，或者任务发生了改变，因此无人船需要进行全局路径重规划，然后按照新的全局最优路径航行至目标点。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
