CN103617366B - 一种基于威胁度的uuv多级生存应急自救方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对UUV在实际环境中可能遇到的突发事件自主采取相应的应急预案进行自救的基于威胁度的UUV多级生存应急自救方法。包括：建立UUV可能遇到的离散危险事件集Σ；确定离散危险事件的威胁度V；订制威胁度应急预案；生成UUV多级生存应急自救表；将UUV多级生存应急自救表移植到UUV水下嵌入式任务控制计算机系统中；故障报警；任务控制计算机对UUV的系统状态及作业环境进行监控。本发明可根据危险时间的威胁度判断采取相应的应急预案进行自我施救，从很大程度上保证了UUV的航行安全，极大地提高了UUV的机动性能和自主能力。

Description

一种基于威胁度的UUV多级生存应急自救方法

技术领域

本发明涉及一种用于对UUV在实际环境中可能遇到的突发事件自主采取相应的应急预案进行自救的基于威胁度的UUV多级生存应急自救方法。

背景技术

UUV作为人类在海洋活动，特别是深海活动中的重要替代者和执行者，已被广泛应用于科学考察、深海作业、打捞救生等领域，其应用前景极其广泛。但UUV的深海作业环境是非常恶劣的，时常面临着各种各样的危险。研制一台UUV需要大量的人力物力资源，而且每次实验或作业所获得的资料或数据具有极大价值，对于载人机器人还有生命保护任务。如果因故障造成UUV失事沉入海底，将会造成极大损失，对海洋开发或研究是一个沉重的打击，因此，UUV的应急自救能力也成为UUV的关键技术之一。

目前，UUV的自救，其实是UUV通过某种手段使自身在面临危险状况时能够快速上浮至水面而获救。常用方法是在UUV主体上安装一个相对独立的自救系统装置，并在UUV下水前配置好自救用的压载物和救生信标。当UUV在水下出现故障不能正常上浮时，水面工作人员通过水声装置发送自救命令，一旦自救系统接收到水声自救命令，自救控制器就驱动自救执行机构抛出压载物，为UUV提供足够的浮力而使其能上浮。当UUV上浮到一定深度后，自救系统释放出信标及强力缆绳浮到水面，借助信标内的GPS和无线电电台向母船发出位置信号，待母船发现后，抓住信标上所附的强力缆绳，用吊车或绞车将浮出水面的UUV回收，从而实现UUV的自救。

本发明提出一种基于威胁度的UUV多级生存应急自救方法，用于对UUV在实际环境中可能遇到的突发事件自主采取相应的应急预案进行自救。考虑到UUV的自身条件及作业环境，分析其可能出现的各种故障和风险，建立UUV可能遇到的离散危险事件集并对其进行威胁度评估，在此基础上形成多级应急预案，并将这一过程应用嵌入式软件编程思想移植入水下UUV自主控制系统中，一旦UUV在航行过程中遇到危险情况，可根据危险事件的威胁度判断采取相应的应急预案进行自我施救，从很大程度上保证了UUV的航行安全，极大地提高了UUV的机动性能和自主能力。

通过对中国专利数据库、美国专利数据库及欧洲专利数据库的检索，未查到与本发明类似专利。经过对国内外现有技术的文献检索，尚未发现类似用于UUV的多级生成应急自救方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高UUV的安全性及可靠性，对UUV在实际环境中可能遇到的突发事件采取相应的应急措施并进行自救的方法。

本发明的目的是这样实现的：

基于威胁度的UUV多级生存应急自救方法，包括：（1）建立UUV可能遇到的离散危险事件集Σ；（2）确定离散危险事件的威胁度V；（3）订制威胁度应急预案；（4）生成UUV多级生存应急自救表；（5）将UUV多级生存应急自救表移植到UUV水下嵌入式任务控制计算机系统中；（6）故障报警；（7）任务控制计算机对UUV的系统状态及作业环境进行监控。

离散危险事件集合Σ，包括环境中存在障碍物、海流、传感器故障、主推进器故障、舵机故障、超深或过浅、超出安全区域。

离散危险事件威胁度指UUV可能遇到的离散危险事件对其正常运行带来的危险程度，用集合V表述，将V={轻微，中等，较严重，严重，极严重}表示为V={1,2,3,4,5}，所述的威胁度具体表示为：

1)离散事件为环境中存在障碍物，其威胁度为1；

2)离散事件为海流过大超过一定等级，其威胁度为2；

3)离散事件为UUV实际运行中与作业任务有关的传感器发生故障，其威胁度为2；

4)离散事件为UUV实际运行中执行机构中的主推进器发生故障，其威胁度为3；

5)离散事件为UUV实际运行中执行机构中的舵机发生故障，其威胁度为3；

6)离散事件为UUV在水中超过一定深度或距离海底过浅，其威胁度为4；

7)离散事件为UUV超出设定安全区域，其威胁度为5。

应急预案为：

1)威胁度是1时，相应的UUV应急自救方法是自主避障；

2)威胁度是2时，相应的UUV应急自救方法是重规划；

3)威胁度是3时，相应的UUV应急自救方法是紧急停车；

4)威胁度是4时，相应的UUV应急自救方法是高压吹除；

5)威胁度是5时，相应的UUV应急自救方法是应急抛载。

UUV多级生存应急自救表为事件序号包括威胁度与应急预案相对应的指导性表格。

故障报警为向任务控制计算机发送故障类型标号，任务控制计算机通过故障类型标号对该离散危险事件进行检测，并完成本专利所述的应急自救过程。

本发明的有益效果在于：充分考虑到UUV的自身条件及作业环境，分析其可能出现的各种故障和风险，建立UUV可能遇到的离散危险事件集并对其进行威胁度评估。在此基础上形成多级应急预案，并将这一过程应用嵌入式软件编程思想移植入水下UUV自主控制系统中，一旦UUV在航行过程中遇到危险情况，可根据危险时间的威胁度判断采取相应的应急预案进行自我施救，从很大程度上保证了UUV的航行安全，极大地提高了UUV的机动性能和自主能力。

附图说明

图1是基于威胁度的UUV多级生存应急自救方法的原理图；

图2是基于威胁度的UUV多级应急自救过程层次分析图；

图3是基于威胁度的UUV多级应急自救过程软件实现流程图。

具体实施方式

本发明适用于UUV在实际环境中遇到紧急事件进行自救的情况，可有效地提高UUV的安全性与自主航行能力，具有良好的实用性和广泛的应用价值。下面结合附图，进一步说明本发明的特点和功能。

本发明是通过以下技术方案实现的：（1）建立UUV可能遇到的离散危险事件集Σ；（2）确定离散危险事件的威胁度V；（3）基于威胁度的应急预案；（4）生成UUV多级生存应急自救表；(5)UUV多级生存应急自救的软件实现；（6）故障报警；（7）任务控制计算机。其中，本专利中离散危险事件威胁度的定义是指UUV可能遇到的离散危险事件对其正常运行带来的危险程度，用集合V表述。不失一般性，本专利中V={轻微，中等，较严重，严重，极严重}。

所述的建立离散危险事件集合Σ指，充分考虑UUV可能遇到的突发紧急情况，对UUV在实际环境中运行可能遇到的危险事件进行归纳总结。Σ通常包括：环境中存在障碍物、海流过大超过一定等级、传感器故障、主推进器故障、舵机故障、超深或过浅、超出安全区域等离散危险事件。

所述的确定离散危险事件的威胁度V是指，采用模糊化方法，人为设定一个适当的量化值，将V={轻微，中等，较严重，严重，极严重}表示为V={1,2,3,4,5}。可知，威胁度包括五个等级，数字越小说明相应的离散危险事件对UUV的安全威胁度越低。每一离散危险事件，其威胁度规定如下：

1)离散事件为环境中存在障碍物，其威胁度为1；

2)离散事件为海流过大超过一定等级，其威胁度为2；

3)离散事件为UUV实际运行中与作业任务有关的传感器发生故障，其威胁度为2；

4)离散事件为UUV实际运行中执行机构中的主推进器发生故障，其威胁度为3；

5)离散事件为UUV实际运行中执行机构中的舵机发生故障，其威胁度为3；

6)离散事件为UUV在水中超过一定深度或距离海底过浅，其威胁度为4；

7)离散事件为UUV超出设定安全区域，其威胁度为5。

所述的基于威胁度的应急预案是指，将应急自救方法安照离散危险事件威胁度进行多级化分形成应急预案。UUV遇到危险时常用的应急预案划分为5级，具体如下：

1)威胁度是1时，相应的UUV应急自救方法是自主避障；

2)威胁度是2时，相应的UUV应急自救方法是重规划；

3)威胁度是3时，相应的UUV应急自救方法是紧急停车；

4)威胁度是4时，相应的UUV应急自救方法是高压吹除；

5)威胁度是5时，相应的UUV应急自救方法是应急抛载。

所述的UUV多级生存应急自救表如下表1所示。表中，将应急预案与威胁度结合起来，完成UUV紧急情况威胁度评估和应急自救过程。

表1基于威胁度的UUV多级生存应急自救表

所述的重规划就是重新规划UUV的使命任务，使UUV从当前点回到布放回收点；所述的紧急停车是将执行机构的控制信号清零并将执行机构的设备电断开；所述的高压吹除是指通过将UUV内部携带的高压气瓶打开使其释放一定的高压气之后促使UUV上浮；所述的应急抛载是指通过抛出UUV所携带的重铅块的方式减少UUV的重量使其上浮。

所述的UUV多级生存应急自救的软件实现是指，将已经建立的UUV多级生存应急自救表的信息下载到UUV水下系统中，需要将表1用C语言实现并将其移植到UUV水下嵌入式任务控制计算机系统中。

所述的故障报警是指当UUV运行状态发生异常时，通过报警的方式向任务控制计算机发送故障类型标号，任务控制计算机通过故障类型标号对该离散危险事件进行检测，并完成本专利所述的应急自救过程。

所述的任务控制计算机对UUV的系统状态及作业环境进行监控，它与UUV水下系统中的下位机通过网络进行信息交互，实时接收下位机采集并发送的状态、位姿信息及海流剖面信息。同时，结合UUV多级生存应急自救模块在其遭受危险事件时控制UUV采取相应应急预案进行自救。任务控制计算机中嵌入自主控制及任务管理软件。

图1是基于威胁度的UUV多级生存应急自救方法的原理图。本发明的工作原理是：首先对UUV在实际环境中运行可能遇到的危险事件进行归纳总结，并分别对其进行威胁度的评估；然后根据UUV危险事件的威胁度，确定UUV相应的应急自救方法，并建立基于威胁度的UUV多级生存应急自救表；最后通过编写程序将建立的UUV多级生存应急自救表的信息下载到UUV水下嵌入式计算机控制系统中，UUV在实际运行中遇到危险情况时在UUV多级生存应急自救表中查找对应该情况离散事件，并采取相应的应急预案，以达到应急自救的目的。

图2是基于威胁度的UUV多级应急自救过程层次分析图，离散危险事件集合Σ通常包括：环境中存在障碍物、海流过大超过一定等级、传感器故障、主推进器故障、舵机故障、超深或过浅、超出安全区域等离散危险事件。对每一离散事件，有唯一与之对应的威胁度，设定如下：环境中存在障碍物，其威胁度为1，即轻微，相应的UUV应急预案是自主避障；海流过大超过一定等级，其威胁度为2，即中等，相应的UUV应急预案是重规划；传感器发生故障，其威胁度为2，即中等，相应的UUV应急预案是重规划；主推进器发生故障，其威胁度为3，即较严重，相应的UUV应急预案是紧急停车；舵机发生故障，其威胁度为3，即较严重，相应的UUV应急预案是紧急停车；深度或距离海底过浅，其威胁度为4，即严重，相应的UUV应急预案是高压吹除和应急抛载；超出设定安全区域，其威胁度为5，即极严重，相应的UUV应急预案是高压吹除和应急抛载。

图3是基于威胁度的UUV多级应急自救过程软件实现流程图。将已经建立的UUV多级生存应急自救表1用C语言实现，并在UUV实际运行前下载到水下嵌入式计算机控制系统中。UUV在实际运行中遇到危险情况时向任务控制计算机给出故障报警，自主控制软件在UUV多级生存应急自救表中查找对应该情况离散事件，若该故障报警提示的离散危险事件不属于离散危险事件集合Σ则由试验人员进行人为救援。本专利主要针对在集合Σ内的离散危险事件采取应急自救。通过确定该离散事件的威胁度进而确定应急预案，由任务控制计算机下达预案指令，UUV接收到应急指令后执行应急预案，最终实现应急自救。

在不脱离本发明思想的情况下，凡应用本发明说明书及附图内容所做的各种等效变化，均理同包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (1)

1.一种基于威胁度的UUV多级生存应急自救方法，其特征在于：(1)建立UUV可能遇到的离散危险事件集Σ；(2)确定离散危险事件的威胁度V；(3)订制威胁度应急预案；(4)生成UUV多级生存应急自救表；(5)将UUV多级生存应急自救表移植到UUV水下嵌入式任务控制计算机系统中；(6)故障报警；(7)任务控制计算机对UUV的系统状态及作业环境进行监控；所述的离散危险事件集合Σ，包括环境中存在障碍物、海流、传感器故障、主推进器故障、舵机故障、超深或过浅、超出安全区域；所述离散危险事件威胁度指UUV可能遇到的离散危险事件对其正常运行带来的危险程度，用集合V表述，将V＝{轻微，中等，较严重，严重，极严重}表示为V＝{1,2,3,4,5}，所述的威胁度具体表示为：

1)离散事件为环境中存在障碍物，其威胁度为1；

2)离散事件为海流过大超过一定等级，其威胁度为2；

3)离散事件为UUV实际运行中与作业任务有关的传感器发生故障，其威胁度为2；

4)离散事件为UUV实际运行中执行机构中的主推进器发生故障，其威胁度为3；

5)离散事件为UUV实际运行中执行机构中的舵机发生故障，其威胁度为3；

6)离散事件为UUV在水中超过一定深度或距离海底过浅，其威胁度为4；

7)离散事件为UUV超出设定安全区域，其威胁度为5；

所述的应急预案为：

1)威胁度是1时，相应的UUV应急自救方法是自主避障；

2)威胁度是2时，相应的UUV应急自救方法是重规划；

3)威胁度是3时，相应的UUV应急自救方法是紧急停车；

4)威胁度是4时，相应的UUV应急自救方法是高压吹除；

5)威胁度是5时，相应的UUV应急自救方法是应急抛载；所述的UUV多级生存应急自救表为事件序号包括威胁度与应急预案相对应的指导性表格；所述的故障报警为向任务控制计算机发送故障类型标号，任务控制计算机通过故障类型标号对该离散危险事件进行检测。