CN108549369B - 一种复杂海况下多无人艇协同编队的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复杂海况下多无人艇协同编队的系统和方法，系统包括协同控制中心、无线传输模块、单艇海况监测模块、单艇环境感知模块、单艇GPS/IMU模块、单艇导航避障模块、单艇控制模块。协同控制中心依据协同编队任务需求和各无人艇位置处的海浪情况来给各个无人艇发送指令；无人艇和控制中心之间通过无线传输模块完成信息交互；GPS/IMU模块和环境感知模块分别实时给出艇的位置姿态信息和障碍物信息；导航避障模和控制模块控制无人艇安全有效地完成协同编队任务；海况监测模块通过航海雷达监测到的信息来计算实际的海浪等级。本发明可靠合理，可以让多无人艇的协同编队在满足安全性的情况下更能达到实际的编队任务需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种复杂海况下多无人艇协同编队的系统及方法，属于无人艇协同应用技术和无人艇协同编队技术领域。
背景技术
无人水面艇是一个拥有自主运行能力的小型水面任务平台，通过搭载GPS、惯导、雷达等传感设备，从而实现自主导航、自主避障及自主追踪等基础功能。另外还可以通过搭载不同的传感设备并采用不同的模块设备来完成任务目标。目前由于其在军事领域的杰出表现和前景，世界各国都对军用无人水面艇的研发表现出很强烈的兴趣。同时因为无人水面艇在科研与民用应用中有着覆盖范围大、成本低的特点，所以无人艇在这些领域也有着广泛的应用前景。
无人艇的协同任务是利用多艘无人艇来共同完成任务的一种方式。其可以有效突破单艘艇对环境的感知范围有限，执行任务的形式有限的不足。在实际的应用中往往能达到1+1>2的效果。在多艇协同领域，多艇编队是一个基础的协同任务类型，一般要求多艇在向预定目标前进时，保持固定的队形。进而在到达指定目标位置时，对目标进行快速包围或快速打击。
在海面上，无人艇的运动受海浪的影响较大，若不考虑实际航行时的海浪影响，则很难规划出既安全又有效的无人艇航行路径。如果在海浪等级较低的假设下进行编队任务规划，而实际运行在海浪等级较高的环境中时，邻近的参与编队的无人艇将很有可能会发生碰撞。如果使用适用于较高的海浪等级下的安全性较高的编队任务规划，而实际运行在风平浪静时，就会由于过于保守而使得编队的无人艇过于分散而达不到好的编队效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复杂海况下多无人艇协同编队的系统及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种复杂海况下多无人艇协同编队的系统，包括协同控制中心、无线传输模块、单艇海况监测模块、单艇环境感知模块、单艇GPS/IMU模块、单艇导航避障模块、单艇控制模块；所述的协同控制中心依据巡逻任务的特性、巡逻区域的大小、参与巡逻的无人艇的个数以及各个无人艇的运动情况向参与巡逻任务的无人艇发送运动目标指令；所述单艇GPS/IMU模块安装在参与巡逻的无人艇上，能够实时给出艇的位置和姿态信息；所述单艇环境感知模块安装在参与巡逻的无人艇上，能够实时给出海岛、大陆的静态障碍物信息及其它船只、舰艇的动态障碍物信息；所述单艇导航避障模块安装在参与巡逻的无人艇上，依据单艇环境感知模块所获得的障碍物信息及协同控制中心所发出的运动目标点计算出无人艇后续的运动速度大小及方向；所述单艇控制模块安装在参与巡逻的无人艇上，能够依据单艇导航避障模块所给出的运动目标指令，控制无人艇完成巡逻任务；所述单艇海况监测模块使用航海雷达，其通过支架安装在无人艇甲板高处，通过航海雷达计算出海浪等级的海洋状况，进而计算出编队中的无人艇到与之相邻的协同无人艇之间的距离；所述无线传输模块将无人艇的位置姿态，海况信息及环境信息发送给协同控制中心进行处理。
一种复杂海况下多无人艇协同编队的方法，使用上述的复杂海况下多无人艇协同编队的系统，具体步骤如下：
S01，编队准备：依据实际的编队任务需求，派遣一定数量的无人艇执行协同编队任务，并为这些无人艇分配一个集结的初始位置，待完成集结后，以编队的形式前往指定的终点位置；
S02，传输单艇信息到协同控制中心：各个无人艇将单艇GPS/IMU模块所检测到的位置和姿态信息、单艇环境感知模块所感知到的环境信息以及单艇海况监测模块所检测到的海况信息，通过无线传输模块上传到协同控制中心；
S03，协同控制中心进行编队任务规划：协同控制中心依据从各个无人艇所获得的环境地图信息和海浪等级信息，进而计算出各个无人艇安全、有效地完成编队任务所应到达的下一个目标位置；
S04，发布下一个时间周期内各个无人艇的编队任务指令给相应无人艇：将各个无人艇下一位置所要达到的目标位置，依次通过无线传输模块发送给相应无人艇；
S05，所有无人艇到达从协同控制中心获得的编队目标点，完成自己的编队任务，之后跳转到S02继续执行。
与现有技术相比，本发明的突出特点是：
本发明协同编队系统可靠合理，可以让多无人艇的协同编队在满足安全性的情况下更能达到实际的编队任务需求。本发明方法解决了一般协同编队中未考虑海浪造成的环境扰动影响，从而不能生成符合实际环境条件的编队情况的问题，有效提高了多无人艇协同编队的合理性。
附图说明
图1是本发明的复杂海况下多无人艇协同编队的系统示意图。
图2是本发明的复杂海况下多无人艇协同编队的方法示意图。
图3是左侧无人艇检测到比较大的海浪时协同编队队形的变化示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例进行进一步的说明。
如图1所示，一种复杂海况下多无人艇协同编队的系统，包括协同控制中心1、无线传输模块2、单艇海况监测模块3、单艇环境感知模块4、单艇GPS/IMU模块5、单艇导航避障模块6、单艇控制模块7；所述的协同控制中心1依据巡逻任务的特性、巡逻区域的大小、参与巡逻的无人艇的个数以及各个无人艇的运动情况向参与巡逻任务的无人艇发送运动目标指令；所述单艇GPS/IMU模块5安装在参与巡逻的无人艇上，能够实时给出艇的位置和姿态信息；所述单艇环境感知模块4安装在参与巡逻的无人艇上，能够实时给出海岛、大陆的静态障碍物信息及其它船只、舰艇的动态障碍物信息；所述单艇导航避障模块6安装在参与巡逻的无人艇上，依据单艇环境感知模块4所获得的障碍物信息及协同控制中心1所发出的运动目标点计算出无人艇后续的运动速度大小及方向；所述单艇控制模块7安装在参与巡逻的无人艇上，能够依据单艇导航避障模块6所给出的运动目标指令，控制无人艇完成巡逻任务；所述单艇海况监测模块3使用航海雷达，其通过支架安装在无人艇甲板高处，通过航海雷达计算出海浪等级的海洋状况，进而计算出编队中的无人艇到与之相邻的协同无人艇之间的距离；所述无线传输模块2将无人艇的位置姿态，海况信息及环境信息发送给协同控制中心1进行处理。
如图2所示，一种复杂海况下多无人艇协同编队的方法，使用上述的复杂海况下多无人艇协同编队的系统，具体步骤如下：
S01，编队准备：依据实际的编队任务需求，派遣一定数量的无人艇执行协同编队任务，并为这些无人艇分配一个集结的初始位置，待完成集结后，以编队的形式前往指定的终点位置。
S02，传输单艇信息到协同控制中心1：各个无人艇将单艇GPS/IMU模块5所检测到的位置和姿态信息、单艇环境感知模块4所感知到的环境信息以及单艇海况监测模块3所检测到的海况信息，通过无线传输模块2上传到协同控制中心1。
S03，协同控制中心1进行编队任务规划：协同控制中心1依据从各个无人艇所获得的环境地图信息和海浪等级信息，进而计算出各个无人艇安全、有效地完成编队任务所应到达的下一个目标位置。如图3所示，当编队的左侧无人艇检测到比较大的风浪时，为了保证无人艇协同编队的安全性，左侧的无人艇需要和相邻无人艇之间采用更大的间隔，因此协同控制中心1所提供给左侧无人艇的下一时刻目标位置间隔增加。
S04，发布下一个时间周期内各个无人艇的编队任务指令给相应无人艇：将各个无人艇下一位置所要达到的目标位置，依次通过无线传输模块2发送给相应无人艇。
S05，所有无人艇到达从协同控制中心1获得的编队目标点，完成自己的编队任务，之后跳转到S02继续执行。
Claims (2)
1.一种复杂海况下多无人艇协同编队的系统，其特征在于，包括协同控制中心（1）、无线传输模块（2）、单艇海况监测模块（3）、单艇环境感知模块（4）、单艇GPS/IMU模块（5）、单艇导航避障模块（6）、单艇控制模块（7）；所述的协同控制中心（1）依据巡逻任务的特性、巡逻区域的大小、参与巡逻的无人艇的个数以及各个无人艇的运动情况向参与巡逻任务的无人艇发送运动目标指令；所述单艇GPS/IMU模块（5）安装在参与巡逻的无人艇上，能够实时给出艇的位置和姿态信息；所述单艇环境感知模块（4）安装在参与巡逻的无人艇上，能够实时给出海岛、大陆的静态障碍物信息及其它船只、舰艇的动态障碍物信息；所述单艇导航避障模块（6）安装在参与巡逻的无人艇上，依据单艇环境感知模块（4）所获得的障碍物信息及协同控制中心（1）所发出的运动目标点计算出无人艇后续的运动速度大小及方向；所述单艇控制模块（7）安装在参与巡逻的无人艇上，能够依据单艇导航避障模块（6）所给出的运动目标指令，控制无人艇完成巡逻任务；所述单艇海况监测模块（3）使用航海雷达，其通过支架安装在无人艇甲板高处，通过航海雷达计算出海浪等级的海洋状况，进而计算出编队中的无人艇到与之相邻的协同无人艇之间的距离；所述无线传输模块（2）将无人艇的位置姿态，海况信息及环境信息发送给协同控制中心（1）进行处理。
2.一种复杂海况下多无人艇协同编队的方法，使用权利要求1所述的复杂海况下多无人艇协同编队的系统，其特征在于，具体步骤如下：
S01，编队准备：依据实际的编队任务需求，派遣一定数量的无人艇执行协同编队任务，并为这些无人艇分配一个集结的初始位置，待完成集结后，以编队的形式前往指定的终点位置；
S02，传输单艇信息到协同控制中心（1）：各个无人艇将单艇GPS/IMU模块（5）所检测到的位置和姿态信息、单艇环境感知模块（4）所感知到的环境信息以及单艇海况监测模块（3）所检测到的海况信息，通过无线传输模块（2）上传到协同控制中心（1）；
S03，协同控制中心（1）进行编队任务规划：协同控制中心（1）依据从各个无人艇所获得的环境地图信息和海浪等级信息，进而计算出各个无人艇安全、有效地完成编队任务所应到达的下一个目标位置；
S04，发布下一个时间周期内各个无人艇的编队任务指令给相应无人艇：将各个无人艇下一位置所要达到的目标位置，依次通过无线传输模块（2）发送给相应无人艇；
S05，所有无人艇到达从协同控制中心（1）获得的编队目标点，完成自己的编队任务，之后跳转到S02继续执行。
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