《海洋牧場中無人船自動駕駛技術(shù)規(guī)程》編制說明

2由中國國際科技促進(jìn)會歸口，【2023】中科促標(biāo)字第1039號《關(guān)于開展<海洋牧場中海洋牧場是一種以海洋資源為依托，通過現(xiàn)代化的管理手段和科學(xué)技術(shù)，進(jìn)行有計劃、有目的的開發(fā)和利用的場所。無人船則是一種沒有人員直接參與操作的船只，可以通過預(yù)設(shè)程序或智能自主控制進(jìn)行航行。這兩者的結(jié)合，不僅可以提高海洋資源的利用效率，還可將無人船自動駕駛技術(shù)應(yīng)用于海洋牧場中，具有深遠(yuǎn)的意義。首先，無人船可以自主執(zhí)行許多任務(wù)，如海域巡邏、環(huán)境監(jiān)測、水產(chǎn)養(yǎng)殖等，大大減輕了人員的負(fù)擔(dān)，提高生產(chǎn)效率和管理效率。無人船的使用可以降低人員成本，同時減少對環(huán)境的影響，符合綠色發(fā)其次，無人船自動駕駛技術(shù)可以提高海洋牧場的智能化水平。隨著信息化和智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，海洋牧場也需要不斷升級和改進(jìn)。無人船的使用可以增加海洋牧場的智能此外，無人船自動駕駛技術(shù)的運(yùn)用，需要強(qiáng)大的海洋科學(xué)與技術(shù)支持。因此，將無人船引入海洋牧場，可以促進(jìn)海洋科技的研究與發(fā)展。此外，無人船可以代替人工在惡劣環(huán)本規(guī)范涉及技術(shù)在1-2年內(nèi)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，為行業(yè)內(nèi)新技術(shù)，以下為參與人員和參3在起草階段開始之前，為了確保標(biāo)準(zhǔn)制定的科學(xué)性和規(guī)范性，我們成立了標(biāo)準(zhǔn)制定工作組。工作組由海洋牧場、船海領(lǐng)域、無人駕駛相關(guān)領(lǐng)域的專家、企業(yè)代表及技術(shù)骨干組首先，建立一套海洋牧場的運(yùn)行系統(tǒng)，包括自主監(jiān)測無人艇、北斗監(jiān)測浮標(biāo)、采捕機(jī)器人、水下生物監(jiān)測機(jī)器人等，其中以自主監(jiān)測無人艇作為無人駕駛技術(shù)的載體。預(yù)計部其次，進(jìn)行無人船自動駕駛的理論分析，包括運(yùn)動模型建立、控制方法設(shè)計、毫米波然后，進(jìn)行無人艇自動駕駛的硬件選型，包括轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、油缸、油泵、船外掛機(jī)、電控掛機(jī)齒輪箱系統(tǒng)、毫米波雷達(dá)、遙控器、接收機(jī)、點(diǎn)火裝置、機(jī)油報警裝置最后，實(shí)現(xiàn)無人艇的自動駕駛功能，其中包括運(yùn)動控制模塊、路徑規(guī)劃模塊、導(dǎo)航定經(jīng)查詢國內(nèi)外暫無同等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，故在制定過程中借鑒了同類型產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，GB/T42779-2023《海洋牧場基本術(shù)語》、GB/T40946-2021《海洋牧場建設(shè)技術(shù)指南》、GB/T41892-2022《智能船舶機(jī)械設(shè)備信息集成編碼指南》、GB17378.1-2007《海洋監(jiān)4developmentsandchallenges[J].AnnualReviewsSaturation[J].IEEEAccess,2019,在查詢國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)資料后，我們開始對無人船自動駕駛技術(shù)的技術(shù)要求、在形成標(biāo)準(zhǔn)草案初稿的過程中，我們注重參考國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，同時結(jié)合我國實(shí)際情況進(jìn)行了適應(yīng)性和創(chuàng)新性的調(diào)整。初稿完成后，對標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容進(jìn)行了多次審查和討這一階段主要是將形成標(biāo)準(zhǔn)草案和編制說明提交給專家進(jìn)行審查和討論，根據(jù)專家的在形成標(biāo)準(zhǔn)討論稿和編制說明后，我們通過多種渠道征求各方意見，包括向相關(guān)領(lǐng)域的專家、企業(yè)代表、技術(shù)骨干等發(fā)放征求意見函，收集他們的反饋和建議。同時，我們還通過會議、座談等方式與相關(guān)人員進(jìn)行溝通和交流，確保標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容能夠充分反映各方的（1）先進(jìn)性原則：標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)反映當(dāng)前無人船自動駕駛技術(shù)的最新成果和發(fā)展趨勢，確（2）適用性原則：標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)充分考慮我國海洋牧場的實(shí)際需求和條件，確保標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)5（3）可操作性原則：標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)注重實(shí)用性，確保其可被相關(guān)人員理解和實(shí)施，同時考（4）規(guī)范性原則：標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)遵循國家有關(guān)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)制定的規(guī)范要求，確保其科本標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了無人船自動駕駛技術(shù)的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等內(nèi)容。具（2）無人船自動駕駛系統(tǒng)的要求：對無人船自動駕駛系統(tǒng)的硬件、軟件、傳感器、（3）試驗(yàn)方法：規(guī)定無人船自動駕駛系統(tǒng)的試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)（4）檢驗(yàn)規(guī)則：明確無人船自動駕駛系統(tǒng)的檢驗(yàn)規(guī)則、檢驗(yàn)項(xiàng)目、檢驗(yàn)方法、檢驗(yàn)本標(biāo)準(zhǔn)制定依據(jù)包括相關(guān)領(lǐng)域的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、專家意見、企業(yè)實(shí)踐和用戶需求等。在制定過程中，我們充分參考了國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)資料，結(jié)合我國海洋牧場的實(shí)際情況本起草工作組或單位在該領(lǐng)域具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和科研成果積累。在制定本標(biāo)準(zhǔn)過程中，我們充分考慮了既往工作情況和成績，無人船載投苗機(jī)根據(jù)北斗定位模塊進(jìn)行定位航行，到達(dá)制定作業(yè)區(qū)域，然后使用離心播撒裝置結(jié)合提升裝置、落苗控制裝置，通過控制落料速率、播種盤轉(zhuǎn)速、作業(yè)船速實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量播苗，通過傳感器采集流速、風(fēng)速、水深、船速等作業(yè)數(shù)據(jù)，并預(yù)估苗種著床點(diǎn)6通過傳感器采集到的作業(yè)航跡及投苗量數(shù)據(jù)，待作業(yè)母船靠岸后通過公網(wǎng)回傳至智能管控分系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)投苗精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)苗種低損傷、定點(diǎn)定量播苗。4.1.2海洋牧場投餌作業(yè)輕簡型無人投餌船在近岸池塘和大水面封閉水域投餌作業(yè)，每天定時執(zhí)行指令。執(zhí)行前確保船只電量充足，進(jìn)行飼料補(bǔ)充，啟動無人投餌船執(zhí)行作業(yè)指令。投餌無人船通過北斗定位模塊進(jìn)行定位導(dǎo)航和駕駛控制，同時根據(jù)投餌作業(yè)任務(wù)中具體位置及投餌量進(jìn)行作業(yè)。最終航行路線、投餌作業(yè)信息通過近岸多余度無線通信模塊回傳至智能管控系統(tǒng)；在執(zhí)行如遇到異常情況，無人船自動中止本次作業(yè)任務(wù)，返回出發(fā)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)按預(yù)先設(shè)定的投餌策略進(jìn)行精準(zhǔn)投餌。4.1.3無人船監(jiān)測無人監(jiān)測船(包括無人艇和輕簡型監(jiān)測無人船)根據(jù)北斗定位模塊進(jìn)行定位導(dǎo)航和駕駛，通過船上定位裝置、水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)采集坐標(biāo)信息和水質(zhì)信息。無人艇用于在海洋牧場開放水域作業(yè)，輕簡型監(jiān)測無人船適于在近岸池塘和大水面封閉水域作業(yè)。所有信息通過多余度無線通信模塊上傳至智能管控系統(tǒng)，生成作業(yè)信息圖，標(biāo)注每個位置的建議投餌量，水溫、溶氧、鹽度的異常點(diǎn)等信息，實(shí)現(xiàn)海洋牧場環(huán)境監(jiān)測。船下配備攝像頭，拍攝生物生長視頻。對含有坐標(biāo)信息的生物監(jiān)測視頻通過軟件分析，監(jiān)測視頻和生物量數(shù)據(jù)可呈現(xiàn)在智能管控系統(tǒng)，同時智能管控系統(tǒng)基于回傳數(shù)據(jù)形成含有坐標(biāo)信息的生物分布量圖，基于該信息形成投餌無人船走航和投喂量的精準(zhǔn)投喂策略文件。4.2無人船系統(tǒng)g圖1無人艇自動駕駛系統(tǒng)框圖7其中控制系統(tǒng)包括手動自動切換、油門擋位控制、液壓轉(zhuǎn)向控制、掛機(jī)故障監(jiān)測、遠(yuǎn)程遙控及數(shù)據(jù)回傳?？梢酝ㄟ^遙控器控制無人船油門方向舵，采用ExpressLRS協(xié)議的1W、2.4GHz頻段的高頻頭和接收器，空曠且較少電磁干擾海面環(huán)境下最高能達(dá)到5km穩(wěn)定控制。此外具有電子開關(guān)、自動駕駛手動駕駛切換和掛機(jī)機(jī)油監(jiān)測數(shù)據(jù)回傳等功能。對于方向舵角控制，舵角傳感器提供反饋量；對于油門控制，有掛機(jī)轉(zhuǎn)速提供反饋量，評價指標(biāo)有超調(diào)量、峰值時間、調(diào)節(jié)時間、穩(wěn)態(tài)誤差等作為控制系統(tǒng)的評價指標(biāo)。4.3無人船感知系統(tǒng)感知部分選用毫米波雷達(dá)進(jìn)行局部路徑規(guī)劃中的避障，如圖2所示，為毫米波雷達(dá)點(diǎn)云采樣圖例，每個點(diǎn)云除二維坐標(biāo)外，還具有俯仰角信息，以此表達(dá)三維障礙物點(diǎn)云數(shù)據(jù)。毫米波雷達(dá)是工作在毫米波(30GHz~300GHz頻域、波長為1mm~10mm)波段的雷達(dá)。其具有探測范圍廣、穿透能力強(qiáng)、體積小等特點(diǎn)。由于海上目標(biāo)數(shù)量多以及障礙物散射強(qiáng)度不同將會受到噪聲的干擾容易造成虛警。針對此問題一種基于歐氏距離的點(diǎn)跡凝聚方法，解決了對于雷達(dá)數(shù)據(jù)存在無效點(diǎn)跡而產(chǎn)生的目標(biāo)點(diǎn)分裂和虛警問題。圖2毫米波雷達(dá)點(diǎn)云采樣圖4.4無人船路徑規(guī)劃系統(tǒng)由于路徑規(guī)劃中采用及后續(xù)改進(jìn)先進(jìn)算法，需要較大的計算算力，所以在上位機(jī)樹莓派上進(jìn)行路徑規(guī)劃算法的部署。擬采用A*算法作為路徑規(guī)劃基礎(chǔ)算法，引入當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的估計函數(shù)f(i),節(jié)點(diǎn)的評價函8f(i)g(i)h(i)其中g(shù)(i)表示從起點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的最短距離，h(i)表示從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到終點(diǎn)的最短距離海洋牧場監(jiān)測系統(tǒng)會實(shí)時上報每塊漁區(qū)的環(huán)境數(shù)據(jù)，每天定時投餌或自主設(shè)置投餌策本標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。首先，它促進(jìn)了無人船自動駕駛技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，提高了技術(shù)的可靠性和安全性。其次，本標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施有助于提高海洋牧場管理的效率和精度，推動海洋產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。此外，本標(biāo)準(zhǔn)的推廣應(yīng)用還有利于我國在首先，對無人船自動駕駛系統(tǒng)進(jìn)行全面的測試和分析，包括系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、其次，對無人艇自主路徑控制精度設(shè)定指標(biāo)，自主路徑控制精度指無人船實(shí)際運(yùn)行路徑與預(yù)定路徑偏差量，測試方法為在制定測試場景下，統(tǒng)計一段時間內(nèi)實(shí)際運(yùn)行路徑與預(yù)定路徑偏差量在水平方向的均方根誤差。中期考核時指標(biāo)為3m（3級海況）；完成時優(yōu)于），最后，發(fā)表高水平期刊論文，SCI要求Q2（JCR）及以上等領(lǐng)域知名非開源期刊。軟件著作權(quán)，并獲得軟件著作登記證書。國家/首先，本標(biāo)準(zhǔn)將促進(jìn)無人船自動駕駛技術(shù)的推廣和應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，無人船自動駕駛系統(tǒng)將在漁業(yè)、海洋監(jiān)測、環(huán)保等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。本標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施將為無人船自動駕駛系統(tǒng)的生產(chǎn)和應(yīng)用提供規(guī)范和指導(dǎo)，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和壯其次，本標(biāo)準(zhǔn)將提高海洋牧場的生產(chǎn)效率。無人船自動駕駛系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航、9自動化控制等功能，減少人力成本，提高生產(chǎn)效率。這將有助于增加漁業(yè)產(chǎn)量，提高漁民此外，本標(biāo)準(zhǔn)還將為相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)提供技術(shù)支持和參考。通過制定和實(shí)施本標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)可以更好地了解無人船自動駕駛技術(shù)的要求和規(guī)范，提高技術(shù)研發(fā)和最后，本標(biāo)準(zhǔn)將為政府管理部門提供管理和監(jiān)管依據(jù)。隨著無人船自動駕駛技術(shù)的廣泛應(yīng)用，政府管理部門需要制定相應(yīng)的管理和監(jiān)管措施。本標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施將為政府管理部門提供有力的支持和參考，確保無人船與國際同類標(biāo)準(zhǔn)相比，本標(biāo)準(zhǔn)在某些方面具有一定的優(yōu)勢。首先，本標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)內(nèi)容其次，本標(biāo)準(zhǔn)在某些具體指標(biāo)和要求上更加嚴(yán)格和具體，例如對無人船自動駕駛系統(tǒng)的導(dǎo)本標(biāo)準(zhǔn)與我國現(xiàn)行的法律、行政法規(guī)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)保持一致。在制定過程中，我們充分考慮了相關(guān)法律、行政法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)要求，導(dǎo)航系統(tǒng)等。這些方面與我國現(xiàn)行的法律、行政法規(guī)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)緊密相關(guān)。我們參照了相關(guān)法律、行政法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)要求，對無