[发明专利]一种三船协同的自动驾驶无人水面漂浮物清洁船

说明书

本发明公开了一种三船协同的自动驾驶无人水面漂浮物清洁船，包括一主船和二个副船，二个副船通过漂浮带与主船相连，并张开成倒品字型队形协同前进。前进中，三船加水带所形成的半包围区域内漂浮物垃圾将汇聚到主船收集口，由主船的传送带将漂浮物收集到主船的收集框内。所述主副船均具有自动驾驶功能，可准确保持倒品字型队形，不仅替代了人工，且清扫效率高；主船传送带机构将漂浮物与水分离，提高了收集容量。

技术领域

本发明属于水面保洁和无人船自主驾驶领域，尤其涉及一种三船协同的自动驾驶无人水面漂浮物清洁船。

技术背景

河道湖泊是城市自然资源的重要组成部分，然而水域环境中垃圾的堆积会造成城市水环境的污染，进而对人体、工农业生产和生态环境造成不可估量的危害。因此，加强水域环境的清洁管理，对保护城市生态文明具有非常重要的现实意义。传统的城市水域环境清洁主要通过人工收集垃圾的模式，该模式对于人员的依赖性极大，并且效率低下。

基于自动驾驶的方法可以在最小化人工需求的情况下实现水域环境的清洁。一些基于半自动的多体船以及全自动的单体船已经得到了应用，而这些方法在实际的清洁过程中依然存在着对于人员的高依赖性和垃圾清洁的低效性，难以获得良好的实践效果。近年来，由于深度学习和多体协同等相关技术的发展，使得三船协同的自动驾驶有了可能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中水面漂浮物清理船要么人工参与、要么无人驾驶作业范围小的不足，提供一种三船协同的自动驾驶无人水面漂浮物清洁船。本发明可满足对水环境漂浮物清理的需求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种三船协同的自动驾驶无人水面漂浮物清洁船，包括一个主船和二个副船，二个副船通过漂浮带与主船相连。三船均具有自动驾驶功能，相互协同成倒品字型行进，同时联合漂浮带形成半包围结构清扫水面。其中，主船结合激光雷达、图像视觉、定位系统、PID控制实现自动驾驶。副船通过激光雷达实现自动驾驶。

进一步地，主船的自动驾驶功能：

通过定位系统和目标位置规划行驶路径，再结合PID控制算法得到主船的基础前行速度和基础转向速度。通过激光雷达得到障碍物和岸边相对主船的距离和方位，从而得到主船的障碍规避的转向速度和前行速度。通过图像视觉获得副船的位置和朝向，从而得到主船为了与副船保持距离不变且朝向一致所需的前行和转向的协同补偿速度，以及副船的协同补偿速度。将基础速度、障碍规避速度和协同补偿速度进行加权累加得到主船的执行速度并实现。

进一步地，副船的自动驾驶功能：

通过激光雷达得到岸边和障碍物相对副船的距离和方位，从而得到副船为了与岸边保持期望距离所需的沿岸行驶速度，和为了避开障碍物的沿岸行驶速度。副船将主船发送的主船基础速度和副船协同补偿速度，以及自身的沿岸行驶速度和沿岸行驶速度加权相加后作为副船的执行速度并实现。

进一步地，主船的自动驾驶功能具体为：

主船根据定位系统给出的当前定位信息、目标点位置以及地图信息，基于视线法规划一条行驶路径。以规划路径点为目标牵引点，以其与定位系统获取的实时坐标位置的连线长度作为前向速度的反馈量，通过PID控制算法，给出主船的基础前行速度；同时以这个连线的朝向作为主船的期望前进方向，将其与定位系统获取的主船当前航向角的偏差作为反馈，通过PID控制算法，给出主船的基础转向速度。主船根据主船激光雷达的扫描信息，聚类出障碍物和河道相对主船的距离和方位，根据排斥势场方法，给出主船的障碍规避的转向速度和前行速度。主船根据获取的图像信息，采用深度神经网络，提取包含副船的边界框；在此框中，利用颜色信息提取副船的轮廓，并通过双目匹配算法确定这些轮廓的三维位置；三维位置聚合后，获得副船的位置和朝向。主船依据自身的位置朝向与副船的位置朝向的偏差，通过比例反馈，给出主船的前行和转向的协同补偿速度，以及副船的协同补偿速度，使得主船相对副船的距离保持不变且朝向一致。主船将上述的基础速度、障碍规避速度和协同补偿速度进行加权累加，作为主船的执行速度。