1.一种无人艇的无人驾驶系统,包括驾驶决策集控平台(1)、航行计划输入模块(2)、航行参数获取模块(3)、数据储存模块(4)、危险预警警示模块(5);所述驾驶决策集控平台(1)分别和航行计划输入模块(2)、航行参数获取模块(3)、数据储存模块(4)、危险预警警示模块(5)数据通信连接;
其特征在于:所述驾驶决策集控平台(1)用于基于所述航行计划输入模块(2)输入的航线数据和所述航行参数获取模块(3)获取的实时航行数据做出无人艇的驾驶决策,并控制所述无人艇执行所述驾驶决策;其中,所述驾驶决策集控平台(1)包括数据处理模块(6)、数据选取模块(7)和执行模块(8)和驾驶控制切换模块(9);
所述航行计划输入模块(2)用于根据需求,设置航行的出发地、目的地、航行水域海图和航行注意事项,其中所述航行注意事项构成规划航线的约束条件;所述航行参数获取模块(3)用于实时获取无人艇在航行时无人艇的艇体及周围环境的航行参数数据;所述数据储存模块(4)用于存储训练模型、所述航行计划输入模块(2)输入的航线数据和所述航行参数获取模块(3)获取的实时航行数据、备份和多个执行程序;
无人艇的航行数据包括:
所述危险预警警示模块(5)用于对航行中遇到的危险航行情况时进行报警,以便将危险航行情况发送给远程监控人员,以便监控人员进行干预和协调,从而使无人艇脱离危险;
所述数据处理模块(6)用于给数据打上相应的时间戳TA,同时负责将数据输入训练模型以及建议方案的指令化;所述数据选取模块(7)用于对指令进行时间戳校验和可行性校验,选取安全可靠的建议方案;所述执行模块(8)用于执行上述各模块发出的指令;所述驾驶控制切换模块(9)用于将无人艇的驾驶模式在无人驾驶模式和远程人工接入模式之间切换,其中,在所述无人驾驶模式下,由所述驾驶决策集控平台(1)自动控制执行驾驶,而在远程人工接入模式下,将无人艇的驾驶控制权转交至远程人员,从而实现远程人工控制接入;
在执行无人驾驶航行时,通过航行计划输入模块(2)输入无人艇的目的地、途径航行点,航行水域海图和航行约束条件,所述驾驶决策集控平台(1)基于输入的目的地、途径航行点,航行水域海图和航行约束条件利用所述驾驶决策集控平台(1)的数据处理模块(6)生成无人艇的航行路线的两个以上的建议方案;将带有时间戳的数据导入预设的训练模型,使用预设模型生成两个以上的建议方案;
所述驾驶决策集控平台(1)根据上述的航行数据,使用预设模型生成用于应对不同预设状况的多个建议数据;
所述预设模型使用标识有建议数据的行驶数据作为训练样本,并以航行数据为输入、建议数据为输出的形式,进行模型训练得到;
所述航行参数获取模块(3)实时获取无人艇的相关状态参数,将获取到的数据打上时间戳TA,形成航行数据;所述建议数据为在理想工作环境下风浪流及其对应的状况、正常工作环境下风浪流及其对应的状况、极端天气下的风浪流及其对应的状况下,使用预设模型生成用于应对不同预设状况的多个建议数据;
所述航行数据包含:无人艇接收到由岸基系统发送的全局路径指令、无人艇航行过程中无人艇自身的状态参数以及无人艇周边的环境参数、与本次规划路径有接触的其他船只的航行数据;
其中,所述训练模型的创建步骤如下:
模型选用递归神经网络模型(RNN)作为训练模型,训练数据集按照类型分为两类:第一类为无人艇航行相关数据和对应的操作指令,将时间戳相同的数据关联整合,得到无人艇航行的相关数据;第二类为在采集数据的时间戳后,人为操控无人艇的相关操作指令,将各时间戳对应的相关数据与操作指令一一映射,即得到原始的训练集;
使用训练模型,无人艇在t+1时刻的状态是通过当前指令和所有历史操作指令共同操作的结果,将该训练模型用于无人艇的操控;对建议的数据添加时间戳TA2后执行建议数据,并进行时间戳校验以及可执行性校验;
时间戳校验包括:将时间戳TA与时间戳TA2进行比较,时间戳之差超过阈值,将忽略建议数据,否则继续执行,在执行建议数据后的一定时间内再次获取实时参数并打上时间戳TA3,将时间戳与时间戳TA3的数据比对,超过阈值则重新生成建议数据并打上时间戳TA3,以此循环,当多次超过阈值时,忽略所有建议,原地等待人工操控接入,同时存储所有航行数据用于模型分析优化;
可执行性校验包括:在开始执行方案之前,由计算机对建议方案进行仿真模拟,模拟建议执行数据,当存在可见的风险时,则自动忽略本条建议数据;
生成与方案对应的操控指令,并打上时间戳TA2;
在执行对应的动作前,需要执行时间戳校验和可行性校验,并在无人艇出现危险或继续按照目前航行状态航行会出现危险时,所述危险预警警示模块(5)进行报警,并将该报警信息发送给远程人工操作端;
无人艇的自身状态数据,所述自身状态数据包括自身电量、速度、加速度、位置、俯仰角、油门刹车的状态和是否变换挡位;无人艇的周边数据,所述周边数据包括风浪,海面高差。
2.根据权利要求1所述的一种无人艇的无人驾驶系统,其特征在于:还包括训练模型的更新步骤,将无人艇相关参数作为训练模型的输入,无人艇的建议指令作为训练模型的输出,并将输入和输出对应起来,建立训练样本集,同时根据建议指令的实际作用效果,将符合任务设定的相关样本集划归正样本集,反之为负样本集。
3.根据权利要求1所述的一种无人艇的无人驾驶系统,其特征在于:所述约束条件包括天气条件和风浪条件、所述无人艇能能够承受的风力等级、风浪高度、无人艇的稳性高度;
同时,在远程人工接入模式下,为无人艇在执行所有建议方案且均无效的情况下,由岸基工作人员通过远程模拟器控制无人艇的刹车、油门和方向,从而控制无人艇航行的情况。
4.根据权利要求3所述的一种无人艇的无人驾驶系统,其特征在于:建议方案的选择中,询问内容及权重值设置如下:根据无人艇相关数据和建议方案的时间戳之差,选取较小值的建议方案,该项权重为
0.2;对建议方案进行计算机模拟,验证建议方案的可行性,该项权重为0.2;所述数据储存模块(4)是否存在类似条件下有效的建议方案,该项权重0.3;选取建议方案中路径最短或耗能最低的方案,该项权重0.3。
5.根据权利要求1所述的一种无人艇的无人驾驶系统,其特征在于:所述航行数据还包括:通过传感器反馈生成的位置和环境的地图画面、依据数据生成的建议航行轨迹,和将建议数据与选项数据关联地显示于所述地图画面上。
6.一种无人艇的无人驾驶方法,包括如权利要求1‑5中任意一项所述的无人艇的无人驾驶系统,其特征在于,所述驾驶方法包括如下步骤:步骤S1,获取无人艇航行过程中的相关数据;
通过航行计划输入模块(2)输入无人艇的目的地、途径航行点,航行水域海图和航行约束条件的航行任务,形成航线数据;所述航行参数获取模块(3)获取的实时航行数据,步骤S2,将所述航线数据和航行数据输入预设模型,生成两种以上的建议方案;其中,所述航线数据和航行数据和建议方案为映射关系,建议方案生成后,与相应的所述航线数据和航行数据进行关联,并打上对应的时间戳TA;
在该无人艇的控制设备中运行的自动驾驶系统中,按照实际需要再单独设立前端和后端,后端负责数据采集、处理和建议方案生成,以及渲染图形化显示的路径地图;前端通过独立的通讯网络与岸基系统通讯,进一步的,通过HTTP的方式远程展示无人艇的位置、状态,岸基的工作人员通过此协议远程接管无人艇;生成的实时路径地图应包含以下几个部分:无人艇前端的摄像头用于显示无人艇当前的图像信息;无人艇的原始航线以及局部的建议航线;无人艇的方向应使用箭头在地图标注;无人艇的历史航行路径和历史方向;无人艇周边船只的航行路径以及实时位置;
步骤S3,基于所述建议方案,生成与所述建议方案对应的指令数据;
选用机器人操作系统ROS和机器人主题ROS Topic的方式,按照ROS message question的方式对所述建议方案进行可行性验证,依次询问并按照算法做加权计算,选取可行且加权分数最高的建议的方案进行编译,形成指令数据,并将所述指令数据发送至执行机构;
步骤S4,进行时间戳校验和可行性校验;
将时间戳与时间戳+1进行比较,时间戳之差超过阈值,忽略建议数据,否则继续执行,在执行建议数据后的一定时间内再次获取实时参数并打上时间戳TA2,将时间戳与时间戳TA2的数据比对,超过阈值则重新生成建议数据并打上时间戳TA3,以此循环,当超过阈值次数达到一定次数时,忽略所有建议数据,通过所述驾驶控制切换模块(9)切换至远程人工接入模式,并原地等待人工操控接入,同时存储所有航线数据和航行数据用于模型分析优化;
步骤S5,进行人工或自主选择最优方案,并将最优方案生成执行指令,将对应的执行指令发送到无人艇相关执行机构;最优方案的选择策略如下:a.根据无人艇相关数据和建议方案的时间戳之差,选取较小值的建议方案;
b.搜索历史的建议方案,当存在类似建议方案且执行效果良好时,则优先选择类似的建议方案;
c.在同等条件下,优先选择航行路径最短的,能耗最低的方案;
步骤S6,再次获取无人艇航行过程中航行数据,判断航行轨迹是否符合设定,如果不符合,则返回步骤S2,否则继续按照建议方案航行;
在执行建议指令后指定时间内,再次采集所述无人艇的航行数据,并打上时间戳3,若无人艇及其航行数据符合初始航行任务设定标准,则继续执行;如不符合,则将本次航行数据再次输入所述训练模型,获取新的建议指令,重复步骤S1‑S6的操作,当多次检测仍然不符任务要求时,则停止所有步骤,存储所有航行数据和航行数据,并原地等待人工操纵模式接入,之后记录所有的人工操作,并将本次所有航行数据储存至数据储存模块(4),用于更新所述训练模型;
步骤S7,并在无人艇出现危险或继续安装目前航行状态航行会出现危险时,所述危险预警警示模块(5)进行报警,并将该报警信息发送给远程人工操作端;
其中,所述建议数据为在理想工作环境下风浪流及其对应的状况、正常工作环境下风浪流及其对应的状况、极端天气下的风浪流及其对应的状况下,使用预设模型生成用于应对不同预设状况的多个建议数据。
7.一种存储介质,所述存储介质存储有计算机可执行的计算机指令,所述计算机指令在由计算机处理器执行时用于执行如权利要求6的无人艇的无人驾驶方法。