CN105303899A - 无人水面艇与无人飞行器联合的子母式机器人协作系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人水面艇与无人飞行器联合的子母式机器人协作系统，包括无人水面艇、无人飞行器和地面站，其中，无人水面艇包括艇载监控系统，无人飞行器包括机载监控系统，无人水面艇和无人飞行器组成子母式机器人系统，并且在地面站监控系统中分别设置了无人飞行器地面站监控系统和无人水面艇地面站监控系统，并通过地面站上这两个系统之间的信息的交互，实现了无人水面艇和无人飞行器之间的协调工作。在两者的协作当中，无人水面艇将能够提高无人飞行器的续航，拓展无人飞行器的飞行半径；而无人飞行器，为无人艇提供了更全面的观测视角和观测信息。

Description

无人水面艇与无人飞行器联合的子母式机器人协作系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种无人水面艇与无人飞行器联合的子母式机器人协作系统。

背景技术

在20世纪40年代中期，WalterWiener和Shannon在研究世界上第一种人工生命——龟行机器人时，就发现这些简单的机器人在相互作用中能反映出“复杂的的群体行为”。自从80年代末期建立世界上首个基于多智能体的多机器人系统(cellularroboticsystem，CEBOT)以来，多机器人系统在理论和应用研究上都取得了显著的进展。

随着机器人技术的发展和应用领域的不断拓展，对机器人系统环境适应能力的要求越来越高，考虑到环境的复杂性使得由简单的单纯一类机器人构成的多机器人系统可能无法完成任务，子母式机器人受到了重视。因为子机器人和母机器人可以有多种搭配方式，使得子母机器人系统在空间、时间、信息、功能和资源上具备了极大的分布特性，进而在任务适用性、经济性、最优性、鲁棒性、可拓展性方面表现出极大地优越性。因此，不论是在军事，还是工业生产、交通控制等领域，子母机器人都具有良好的应用前景。

随着我国海洋经济的快速发展，海上交通安全及船舶污染风险日趋增大，传统单一水面机器人受限于较低的视角，在港口、船坞等建筑物密集区域，不能安全行驶；而在多暗礁区域，受限于本身运行方式，更是难以穿越。为了应对这些问题，急需引入在海上适用的无人飞行器远程测量与控制技术，以增强现场监管能力。但是，现有技术主要存在以下问题：现有技术一般只采用无人飞行器进行远程探测，其主要问题在于续航能力不足、飞行半径受限，如果直接从岸基起飞，不能满足远距离、长时间的探测任务。

发明内容

为此，本发明提出一种无人水面艇与无人飞行器联合的子母式机器人协作系统，可充分地消除由于现有技术的限制和缺陷导致的一个或多个问题。

本发明另外的优点、目的和特性，一部分将在下面的说明书中得到阐明，而另一部分对于本领域的普通技术人员通过对下面的说明的考察将是明显的或从本发明的实施中学到。通过在文字的说明书和权利要求书及附图中特别地指出的结构可实现和获得本发明目的和优点。

本发明提供了无人水面艇与无人飞行器联合的子母式机器人协作系统，包括无人水面艇、无人飞行器和地面站，所述无人水面艇、无人飞行器和地面站之间通过无线数传电台建立通信链路进行信息交互，其特征在于：

所述无人水面艇优选的作为母机器人，其用于运载所述无人飞行器到达释放地点，释放飞行器，其中，所述无人水面艇包括艇载监控系统；

所述无人飞行器优选的作为子机器人，其用于与所述无人水面艇协作，对指定区域进行检测，其中，所述无人飞行器包括机载监控系统。

所述地面站用于控制并协调所述无人水面艇和无人飞行器的工作，所述地面站接收所述无人水面艇和无人飞行器的信息并将所述信息实时地显示以供操作者使用，并将操作者的指令发送给所述无人水面艇和无人飞行器以实现远程遥控；其中：

所述地面站包括无人水面艇地面监控系统和无人飞行器地面监控系统，所述艇载监控系统和所述无人水面艇地面监视系统组成无人水面艇的监控系统，所述无人飞行器地面监控系统和所述机载监控系统组成无人飞行器的监控系统；其中：

所述地面站向所述无人水面艇和无人飞行器发送控制命令，所述无人水面艇和无人飞行器解析所述地面站发送的控制命令，并根据所述控制命令进行现场作业，在现场作业的过程中，所述艇载监控系统将监控到的信息发送给所述无人水面艇地面监控系统，所述机载监控系统将监控到的信息发送给所述无人飞行器地面监控系统，所述无人水面艇地面监控系统和无人飞行器地面监控系统进行信息交互，通过信息交互并实现所述无人水面艇和无人飞行器的协作。

优选的，所述无人水面艇地面监控系统和无人飞行器地面监控系统交互的信息包括所述无人水面艇和无人飞行器的位置、速率和外部环境信息，通过信息交互，所述无人水面艇和无人飞行器获得彼此的位置、速率和外部环境信息。

优选的，所述无人水面艇的监控系统由艇载监控系统和无人水面艇地面监控系统组成，其中：

所述无人水面艇地面监控系统包括：

地面站电子海图终端，其用于设置航迹路径并实时显示无人水面艇的实际航迹路径；

第一地面站视频监控系统，其用于实时显示无人水面艇的视频；

地面站雷达显控系统，其用于显示无人水面艇周围的环境；

第一地面站综合监控系统，其用于将无人水面艇地面监控系统的信息发送给艇载监控系统，还用于从所述艇载监控系统接收无人水面艇的信息并将接收到的信息发送给地面站的相应的系统进行显示；

所述艇载监控系统包括：

自主航行控制系统，其用于接收所述地面站电子海图终端设定的航迹路径信息，并控制无人水面艇按照设定的航迹路线航行；

艇载电子海图终端，其用于实时采集所述无人水面艇的航迹路线，并将采集到的航迹路线发送给所述自主航行控制系统，以便所述自主航行控制系统对航迹进行调整；

艇载雷达显控系统，其用于采集无人水面艇周围的环境并将采集的信息发送给地面站雷达显控系统进行显示；

第一信息综合处理系统，其用于和所述第一地面站综合监控系统进行信息交互，具体的，将艇载监控系统采集的信息发送给第一地面站综合监控系统，以及从所述第一地面站综合监控系统接收航迹路径信息和地面站操作人员的指令。

优选的，所述无人飞行器的监控系统由无人飞行器地面监控系统和机载监控系统组成，其中：

所述无人飞行器地面监控系统包括：

第二地面站综合监控系统，其用于从机载监控系统接收无人飞行器的信息并将接收到的信息发送给地面站视频监控系统进行显示；

第二地面站视频监控系统，其用于实时显示无人飞行器的视频和周围环境信息；

所述机载监控系统包括：

第二信息综合处理系统，其用于和所述第二地面站综合监控系统进行信息交互，具体的，将机载监控系统采集的信息发送给所述第二地面站综合监控系统，以及从所述第二地面站综合监控系统接收航迹路径信息和地面站操作人员的指令；

视频信息处理系统，其用于对采集的无人飞行器及其周围环境的视频信息进行处理，并通过无线数传模块发送给所述无人飞行器地面站监控系统的地面站视频监控系统进行显示；

自主航行控制系统，其用于接收所述无人飞行器地面站监控系统设定的航迹路径信息，并控制无人飞行器按照设定的航迹路线飞行。

优选的，所述艇载监控系统包括GPS501、AIS502、罗经503、姿态仪504、风速风向仪505、摄像头506中的至少一个。

优选的，所述机载监控系统包括GPS接收机616、测距传感器602、数字摄像头604、姿态传感器613、环境测量单元615中的至少一个。

本发明还提供了一种由前述的任意一个无人水面艇与无人飞行器联合的子母式机器人协作系统执行的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，操作人员规划无人水面艇、无人飞行器的航迹与任务，将各项指标通过地面站传达到无人水面艇和无人飞行器；

步骤2，无人水面艇运载无人飞行器，按照规划好的航迹，前往任务地点；

步骤3，在到达指定地点之后，无人水面艇将控制稳定平台，解锁电磁铁，释放无人飞行器，两者按照子母式机器人模式进行工作；

步骤4，所述无人飞行器和无人水面艇按照规划采集环境信息，对任务地点进行环境监测，将实时数据和视频图像传送至地面站供操作人员观察；

步骤5，回收无人飞行器；

步骤6，无人水面艇锁死电磁铁，固定无人机。

步骤7，回收无人水面艇，无人水面艇运载无人机，按照规划航线进行返航。

优选的，所述无人水面艇作为母机器人，所述无人飞行器作为子机器人。

优选的，所述步骤5具体包括：

所述无人飞行器首先按照无人水面艇的GPS位置进行粗略定位，找到无人水面艇，开启视觉定位，搜索稳定平台上的固定地标，计算地标中心点及飞行器的旋转角度，调整自身位置与姿态，实现在稳定平台上的精确降落。

优选的，按照PID控制策略控制无人飞行器的精确降落，其中，按照下式计算对无人飞行器进行控制的输出控制量：

Compared_X＝Middle+Kp*error+Ki*(error-Last_error)+Kd*(error-2*Last_error+Prev_error)；

其中，Compared_X为输出控制量，Middle为控制中位，用于在无偏差时保持飞行器稳定，Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分三项的系数，error为控制偏差，由无人飞行器的当前角度与期望角度做差得到，Last_error和Prev_error分别为上次误差和上上次误差，error、Last_error和Prev_error是在每个控制周期末尾更迭得到的，即Last_error赋值给Prev_error，error赋值给Last_error。

设计了本文这种无人水面艇与无人飞行器联合的子母式协作机器人系统。无人飞行器与无人水面艇相结合，不仅能够在无人水面艇上自主动态起降，作为舰载机配合无人艇完成特种任务，扩大无人飞行器的飞行半径和执行任务的范围，同时还可以为无人艇提供空中预警和侦查。比如：观察危险区域、低空航测、环境监测、空中拍摄、海上巡逻等等，并将这些信息进行远程的传输控制等等。这一机器人系统的实现，对沿海区域的环境监测具有十分重大的意义。

应用本发明，无人水面艇将能够携带无人飞行器至任务区域，或者在遇到无人水面艇难以穿越的区域时，释放无人飞行器，应用无人飞行器提供一个额外的环境监测点，对任务区域进行探测。在两者的协作当中，无人水面艇将能够提高无人飞行器的续航，拓展无人飞行器的飞行半径；而无人飞行器，为无人艇提供了更全面的观测视角和观测信息。

附图说明

图1为根据本发明实施例的、无人水面艇与无人飞行器联合的子母式机器人协作系统的框图；

图2为根据本发明实施例的、无人水面艇的监控系统的框图；

图3为根据本发明实施例的、无人飞行器的监控系统的框图；

图4为根据本发明实施例的、无人水面艇的内部结构图；

图5为根据本发明实施例的、无人飞行器的内部结构图；

图6为根据本发明实施例的、整个子母式机器人协作系统的工作流程图；

图7为根据本发明实施例的、在地面站电子海图终端设定的航迹路径；

图8为根据本发明实施例的、在地面站电子海图终端显示的无人水面艇的实际航迹路径；

图9为根据本发明实施例的、无人飞行器降落调整的原理图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。

如图1所示，本发明所提出的无人水面艇与无人飞行器联合的子母式机器人协作系统包括无人水面艇001、无人飞行器002和地面站003，所述无人水面艇001、无人飞行器002和地面站003之间通过无线数传电台建立通信链路进行信息交互，其中：

所述无人水面艇001作为母机器人，其用于运载所述无人飞行器002到达释放地点，释放飞行器，其中，所述无人水面艇001包括艇载监控系统100；

所述无人飞行器002作为子机器人，其用于与所述无人水面艇001进行协作，对指定区域进行检测，其中，所述无人飞行器002包括机载监控系统200；

所述地面站003用于控制并协调所述无人水面艇001和无人飞行器002的工作，所述地面站003可以接收所述无人水面艇001和无人飞行器002的信息并将所述信息实时地显示以供操作者使用，并可以将操作者的指令发送给所述无人水面艇001和无人飞行器002以实现远程遥控；其中：

所述地面站003包括无人水面艇地面监控系统300和无人飞行器地面监控系统400，所述艇载监控系统100和所述无人水面艇地面监控系统300组成无人水面艇的监控系统，所述无人飞行器地面监控系统400和所述机载监控系统200组成无人飞行器的监控系统；其中：

所述地面站003向所述无人水面艇001和无人飞行器002发送控制命令，所述无人水面艇001和无人飞行器002解析所述地面站003发送的控制命令，并根据所述控制命令进行现场作业，在现场作业的过程中，所述艇载监控系统100将监控到的信息发送给所述无人水面艇地面监控系统300，所述机载监控系统200将监控到的信息发送给所述无人飞行器地面监控系统400，所述无人水面艇地面监控系统300和无人飞行器地面监控系统400进行信息交互，优选的，通过信息交互，所述无人水面艇001和无人飞行器002获得彼此的位置、速率和外部环境信息，并利用交互的信息实现所述无人水面艇001和无人飞行器002的协作。

下面将结合附图对无人水面艇001、无人飞行器002和地面站003的工作进行详细说明。

图2示出了无人水面艇的监控系统的框图，如图2所示，无人水面艇的监控系统由艇载监控系统100和无人水面艇地面监控系统300组成，其中：

无人水面艇地面监控系统300包括地面站综合监控系统112、地面站雷达显控系统122、地面站视频监控系统123和地面站电子海图终端124，所述地面站综合监控系统112、地面站雷达显控系统122、地面站视频监控系统123和地面站电子海图终端124都连接到以太网路由器111；所述无人水面艇地面监控系统300还包括无线数传模块113，所述无线数传模块113与艇载监控系统100的无线数传模块114连接，以实现艇载监控系统100和无人水面艇地面监控系统300之间的通信。

所述艇载监控系统100包括：信息综合处理系统115、以太网路由器116、视频信息处理系统117、艇载雷达显控系统118、自主航行控制系统119、艇载电子海图终端120和以太网路由器121。如图2所示，所述信息综合处理系统115和视频信息处理系统117连接到以太网路由器116，视频信息处理系统117将采集到的无人水面艇的视频信息进行处理(例如，滤波去噪等处理)后，通过以太网路由器116发送给信息综合处理系统115；所述艇载雷达显控系统118、自主航行控制系统119、艇载电子海图终端120和信息综合处理系统115连接到以太网路由器121。下面将对各个模块的功能进行详细描述。

地面站电子海图终端124用于设置航迹路径并实时显示无人水面艇的实际航迹路径。设定的航迹路径如图7所示，地面站电子海图终端124通过以太网路由器121将设定的航迹路径信息发送到地面站综合监控系统112，地面站综合监控系统112再将所述航迹路径信息发送至艇载监控系统100的信息综合处理系统115，信息综合处理系统115然后将所述航迹路径信息再转发至自主航行控制系统119，自主航行控制系统119在接收到设定的航迹路径信息之后，控制无人水面艇按照设定的航迹路线航行。艇载电子海图终端120用于实时采集无人水面艇的航迹路线，并将采集到的航迹路线发送给自主航行控制系统119，以便自主航行控制系统119对航迹进行相应的调整，具体的，自主航行控制系统119可以将艇载电子海图终端120采集的实际航迹路线与地面站电子海图终端124发送的设定的航迹路线进行比较，并根据比较结果实时地调整无人水面艇的航迹路线，以使实际的航迹路线与设定的航迹路线相符。同时，地面站电子海图终端124会实时显示无人水面艇的实际航迹，如图8所示，需要说明的是，图8并不对应图7设定的航迹，仅用于表现一次航迹记录。

艇载雷达显控系统118用于采集无人水面艇周围的环境并将采集的信息发送给地面站雷达显控系统122，地面站雷达显控系统122用于显示无人水面艇周围的环境，操作人员可以通过人工观察，判断在当前航行轨迹和设定轨迹上是否存在障碍以及自主航行控制系统119是否对船的航迹控制做出了对应改变。

地面站视频监控系统123用于实时显示无人水面艇的视频，地面站操作人员根据无人水面艇当前的状况，通过手动驾驶仪和云台操控仪等控制设备进行控制，地面站综合监控系统112用于将操作转换成对应命令，发送给艇载信息综合处理系统115，以安排相应的探测任务。

地面站综合监控系统112是整个无人水面艇地面监控系统的核心，其主要实现无人水面艇地面监控系统和艇载监控系统之间的交互，具体的，，其用于将无人水面艇地面监控系统的信息(例如，航迹路径信息或者地面站操作人员的指令)发送给艇载监控系统，还用于从所述艇载监控系统接收无人水面艇的信息(例如，无人水面艇的周围环境信息、无人水面艇的视频)并将接收到的信息发送给地面站的相应的系统进行显示。

艇载监控系统的信息综合处理系统115，用于和所述地面站综合监控系统113进行信息交互，具体的，将艇载监控系统采集的信息发送给地面站综合监控系统113，还用于从所述地面站综合监控系统113接收航迹路径信息和地面站操作人员的指令。

图3示出了无人飞行器的监控系统的框图，如图3所示，无人飞行器的监控系统由无人飞行器地面监控系统400和机载监控系统200组成。无人飞行器的监控系统的工作原理与无人水面艇的监控系统的工作原理类似，下面结合附图3进行详细说明。

如图3所示，无人飞行器地面监控系统400包括依次连接的地面站视频监控系统409、以太网路由器408、地面站综合监控系统401和无线数传模块402。机载监控系统200包括无线数传模块403、信息综合处理系统404、视频信息处理系统405、自主航行控制系统406、以太网路由器407，其中，信息综合处理系统404、视频信息处理系统405和自主航行控制系统406都连接到以太网路由器407。

无人飞行器地面监控系统400和机载监控系统200通过两个无线数传模块402、403进行信息交互。地面站综合监控系统401将结合机载信息综合处理系统404和地面站视频监控系统409，实现无人飞行器的远程遥控遥测等操纵和控制功能，实现过程基本与无人艇的遥控遥测一致。

其中，地面站综合监控系统401用于从机载监控系统200接收无人飞行器的信息(例如，无人飞行器的周围环境信息、无人飞行器的视频)并将接收到的信息发送给地面站视频监控系统进行显示；所述地面站视频监控系统409用于实时显示无人飞行器的视频和周围环境信息；地面操作人员根据飞行器当前的状态以及环境信息，通过飞行手柄和上位机对飞行器下达相应的指示，命令通过无线数传电台发送至信息综合处理系统404，然后驱动飞行器的相关设备执行命令。

机载监控系统200中的信息综合处理系统404是整个机载系统的信息集成中心，其用于和所述地面站综合监控系统401进行信息交互，具体的，将机载监控系统采集的信息发送给地面站综合监控系统401，还用于从所述地面站综合监控系统401接收的航迹路径信息和地面站操作人员的指令。具体来说，信息综合处理系统404对无人飞行器上的所有设备(例如，GPS、飞行稳定平台、测距传感器、数字摄像头、摄像头云台、姿态传感器等)信息进行采集，并发送给地面站综合监控系统401，地面站操作人员可以通过地面站综合监控系统401观察无人飞行器的飞行姿态，根据自己的需要，通过操控飞行手柄以及上位机软件下达命令，命令通过地面站综合监控系统经无线数传模块传送给信息综合处理系统404，然后由信息综合处理系统404驱动对应设备执行命令，实现无人飞行器的远程遥控遥测等手动操纵和控制功能。

视频信息处理系统405用于对采集的无人飞行器及其周围环境的视频信息进行处理，并通过无线数传模块发送给地面站监控系统400的地面站视频监控系统409进行显示。

自主航行控制系统406用于接收所述地面站设定的航迹路径信息，并控制无人飞行器按照设定的航迹路线飞行。具体的，其实现过程与无人水面艇的自主航行控制类似，首先由机载信息综合处理系统接收地面站规划的航行轨迹数据，然后将数据转发至自主航行控制系统406，自主航行控制系统406将按照设定航迹驱动飞行器飞行。需要指出的是，为了更清楚的解释本发明，附图3没有具体的示出一些部件，例如，设定无人飞行器的航行轨迹的单元。

如上所述，无人飞行器地面站监控系统400通过与无人水面艇地面站监控系统300进行位置、速率、外部环境等信息交互，例如，交互的信息可以包括各自的位置、速率和采集的周边环境信息，从而协调无人水面艇和无人飞行器的协作，其中，可以利用无人水面艇地面站电子海图终端124实现航迹规划和显示功能，通过无人飞行器地面站监控系统400向机载自主航行控制系统406发布飞行轨迹。也就是说，通过信息的交互，可以实现无人水面艇的航行轨迹和无人飞行器的飞行轨迹之间的协调，从而实现了子母式机器人的协调工作。

本发明在地面站监控系统中分别设置了无人飞行器地面站监控系统400和无人水面艇地面站监控系统300，并通过这两个系统之间的信息的交互，实现了无人水面艇和无人飞行器之间的协调工作，扩大了远程监测的范围，这是本发明的主要发明点之一。

如图4所示，所述无人水面艇的艇载监控系统100包括多个用于采集无人水面艇的参数的设备，其中包括GPS501、AIS502、罗经503、姿态仪504、风速风向仪505。上述设备和无人艇综合处理系统连接，以将采集到的信息发送给无人艇综合处理系统。另外，摄像头506采集到的信息通过图传电台507、508发送给视频服务器515，笔记本电脑511与视频服务器连接，还通过数传电台510、512与无人艇信息综合处理系统连接，从而可以在笔记本上显示无人水面艇的各项参数和视频，笔记本电脑511还连接到驾驶操作仪509。另外，艇载监控系统还包括操舵仪513、搜索灯云台516、监控云台514和扩音器517，上述设备也连接到无人艇信息综合处理系统，以实现对无人水面艇的各种控制。

如图5所示，所述无人飞行器的机载监控系统200包括用于采集无人飞行器的参数的设备，其中包括GPS接收机616、测距传感器602、数字摄像头604、姿态传感器613、环境测量单元615，上述设备和机载信息处理控制器603连接，已将采集到的信息发送给机载信息处理器603。另外，机载监控系统200还包括视频摄像头5，其通过图传电台606、608发送给视频服务器609，笔记本电脑611与视频服务器连接，还通过数传电台612、613连接到机载信息处理控制器，从而可以在笔记本上显示无人飞行器的各项参数和视频，笔记本电脑611还连接到驾驶操作仪610。另外，机载监控系统还包括飞行稳定平台601和摄像头云台607。

如图6所示，在自主控制模式下，整个系统工作流程如下：

步骤1，任务规划。操作人员根据实际需要规划无人水面艇、无人飞行器的航迹与任务，将各项指标(例如，航迹数据、任务的地点，需要采集的参数等)通过地面站传达到无人水面艇和无人飞行器。

步骤2，部署无人水面艇。规划结束之后，将启动整个系统，无人水面艇运载无人飞行器，按照规划好的航迹，前往任务地点。

步骤3，部署无人飞行器。在到达指定地点之后，无人水面艇将控制稳定平台，解锁电磁铁，释放无人飞行器，两者按照设计好的模式，即无人水明艇作为容器机器人(母机器人)，无人飞行器作为乘客机器人(子机器人)，组成子母异构机器人。

步骤4，任务实施。无人飞行器与无人水面艇按照规划采集环境信息，对任务地点进行环境监测，将实时数据和视频图像传送至地面站供操作人员观察。

步骤5，回收无人飞行器。无人飞行器首先按照无人水面艇的GPS位置进行粗略定位，找到无人水面艇，开启视觉定位，搜索稳定平台上的固定地标，计算地标中心点及飞行器旋转角度，调整自身位置与姿态，实现在稳定平台上的精确降落。

步骤6，无人水面艇锁死电磁铁，固定无人机。

步骤7，回收无人水面艇，无人水面艇运载无人机，按照规划航线进行返航。

下面对步骤5中的飞行器的精确降落的原理进行详细描述。如图9所示，a点为无人飞行器中心点，b点为地标中心点，那么两者之间存在着一个偏差，假设箭头方向为飞行器正方向，a点与b点之间的偏差可以分解为平行于正方向的偏差Y和垂直于正方向的偏差X，我们基于这两个偏差，采用PID控制策略，对飞行的水平位置进行调整。

在PID控制策略当中，比例调节是根据“偏差的大小”来动作，它的输出与输入偏差的大小成比例，比例调节及时有力但有余差。积分调节是根据“偏差是否存在”来动作，它的输出与偏差对时间的积分成比例，其作用是消除余差。微分调节是根据“偏差的变化速度”来动作，它的输出与偏差的变化速度成比例，其效果是阻止被调参数的一切变化，有超前调节作用。

以垂直于正方向的方向为例，按照PID控制策略控制无人飞行器的精确降落，其中，按照下式计算对无人飞行器进行控制的输出控制量：

Compared_X＝Middle+Kp*error+Ki*(error-Last_error)+Kd*(error-2*Last_error+Prev_error)

其中，Compared_X为输出控制量，Middle为控制中位，用于在无偏差时保持飞行器稳定，这个变量的取值可以依靠飞行器的实际测试进行设置。在飞行器所有设备安装完成之后，进行手动遥控试验。首先采用一个较大的电机控制量使飞行器上升到一定高度，然后慢慢减小电机控制量，当飞行器悬停，不再上升或下降的时候，即认为现在的电机控制量是此系统的控制中位，即Middle的数值。根据我们控制器的设计，电机控制量的取值范围在0-8000，实际测试所测得Middle取值基本在5500左右。Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分三项的系数，这三个系数主要依靠设备装置的实际参数进行整定。首先设定一个Kp系数的初始值(可以按照输出控制量范围与输入变化范围的比值，再乘以十分之一，作为初始参考)，通过改变给定值对系统加一个扰动，观察响应曲线，不断更改系数值，直到控制系统符合动态过程品质要求为止，这时的系数值即为比较恰当的参数；然后继续依照上面的过程对其余两个系数进行整定。式中的error为控制偏差，由无人飞行器的当前角度与期望角度做差得到，Last_error和Prev_error分别为上次误差和上上次误差，error、Last_error和Prev_error是在每个控制周期末尾更迭得到的，即Last_error赋值给Prev_error，error赋值给Last_error。最后微处理器将计算得到的输出控制量Compared_X调制成PWM信号输出到执行单元(例如，上文所述的飞行器的自主航行控制系统)，飞行器将会不断在水平方向移动，达到a点和b点重叠的目的。在两点重合之后，飞行器开始向下降落至地标中心点。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种无人水面艇与无人飞行器联合的子母式机器人协作系统，包括无人水面艇、无人飞行器和地面站，所述无人水面艇、无人飞行器和地面站之间通过无线数传电台建立通信链路进行信息交互，其特征在于：

所述无人水面艇优选的作为母机器人，其用于运载所述无人飞行器到达释放地点，释放飞行器，其中，所述无人水面艇包括艇载监控系统；

所述无人飞行器优选的作为子机器人，其用于与所述无人水面艇协作，对指定区域进行检测，其中，所述无人飞行器包括机载监控系统。

所述地面站用于控制并协调所述无人水面艇和无人飞行器的工作，所述地面站接收所述无人水面艇和无人飞行器的信息并将所述信息实时地显示以供操作者使用，并将操作者的指令发送给所述无人水面艇和无人飞行器以实现远程遥控；其中：

所述地面站包括无人水面艇地面监控系统和无人飞行器地面监控系统，所述艇载监控系统和所述无人水面艇地面监视系统组成无人水面艇的监控系统，所述无人飞行器地面监控系统和所述机载监控系统组成无人飞行器的监控系统；其中：

所述地面站向所述无人水面艇和无人飞行器发送控制命令，所述无人水面艇和无人飞行器解析所述地面站发送的控制命令，并根据所述控制命令进行现场作业，在现场作业的过程中，所述艇载监控系统将监控到的信息发送给所述无人水面艇地面监控系统，所述机载监控系统将监控到的信息发送给所述无人飞行器地面监控系统，所述无人水面艇地面监控系统和无人飞行器地面监控系统进行信息交互，通过信息交互并实现所述无人水面艇和无人飞行器的协作。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无人水面艇地面监控系统和无人飞行器地面监控系统交互的信息包括所述无人水面艇和无人飞行器的位置、速率和外部环境信息，通过信息交互，所述无人水面艇和无人飞行器获得彼此的位置、速率和外部环境信息。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无人水面艇的监控系统由艇载监控系统和无人水面艇地面监控系统组成，其中：

所述无人水面艇地面监控系统包括：

地面站电子海图终端，其用于设置航迹路径并实时显示无人水面艇的实际航迹路径；

第一地面站视频监控系统，其用于实时显示无人水面艇的视频；

地面站雷达显控系统，其用于显示无人水面艇周围的环境；

第一地面站综合监控系统，其用于将无人水面艇地面监控系统的信息发送给艇载监控系统，还用于从所述艇载监控系统接收无人水面艇的信息并将接收到的信息发送给地面站的相应的系统进行显示；

所述艇载监控系统包括：

自主航行控制系统，其用于接收所述地面站电子海图终端设定的航迹路径信息，并控制无人水面艇按照设定的航迹路线航行；

艇载电子海图终端，其用于实时采集所述无人水面艇的航迹路线，并将采集到的航迹路线发送给所述自主航行控制系统，以便所述自主航行控制系统对航迹进行调整；

艇载雷达显控系统，其用于采集无人水面艇周围的环境并将采集的信息发送给地面站雷达显控系统进行显示；

第一信息综合处理系统，其用于和所述第一地面站综合监控系统进行信息交互，具体的，将艇载监控系统采集的信息发送给第一地面站综合监控系统，以及从所述第一地面站综合监控系统接收航迹路径信息和地面站操作人员的指令。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无人飞行器的监控系统由无人飞行器地面监控系统和机载监控系统组成，其中：

所述无人飞行器地面监控系统包括：

第二地面站综合监控系统，其用于从机载监控系统接收无人飞行器的信息并将接收到的信息发送给地面站视频监控系统进行显示；

第二地面站视频监控系统，其用于实时显示无人飞行器的视频和周围环境信息；

所述机载监控系统包括：

第二信息综合处理系统，其用于和所述第二地面站综合监控系统进行信息交互，具体的，将机载监控系统采集的信息发送给所述第二地面站综合监控系统，以及从所述第二地面站综合监控系统接收航迹路径信息和地面站操作人员的指令；

视频信息处理系统，其用于对采集的无人飞行器及其周围环境的视频信息进行处理，并通过无线数传模块发送给所述无人飞行器地面站监控系统的地面站视频监控系统进行显示；

自主航行控制系统，其用于接收所述无人飞行器地面站监控系统设定的航迹路径信息，并控制无人飞行器按照设定的航迹路线飞行。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的系统，其特征在于，所述艇载监控系统包括GPS501、AIS502、罗经503、姿态仪504、风速风向仪505、摄像头506中的至少一个。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的系统，其特征在于，所述机载监控系统包括GPS接收机616、测距传感器602、数字摄像头604、姿态传感器613、环境测量单元615中的至少一个。

7.一种由权利要求1-6中的任意一项所述的无人水面艇与无人飞行器联合的子母式机器人协作系统执行的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，操作人员规划无人水面艇、无人飞行器的航迹与任务，将各项指标通过地面站传达到无人水面艇和无人飞行器；

步骤2，无人水面艇运载无人飞行器，按照规划好的航迹，前往任务地点；

步骤3，在到达指定地点之后，无人水面艇将控制稳定平台，解锁电磁铁，释放无人飞行器，两者按照子母式机器人模式进行工作；

步骤4，所述无人飞行器和无人水面艇按照规划采集环境信息，对任务地点进行环境监测，将实时数据和视频图像传送至地面站供操作人员观察；

步骤5，回收无人飞行器；

步骤6，无人水面艇锁死电磁铁，固定无人机。

步骤7，回收无人水面艇，无人水面艇运载无人机，按照规划航线进行返航。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述无人水面艇作为母机器人，所述无人飞行器作为子机器人。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：

所述无人飞行器首先按照无人水面艇的GPS位置进行粗略定位，找到无人水面艇，开启视觉定位，搜索稳定平台上的固定地标，计算地标中心点及飞行器的旋转角度，调整自身位置与姿态，实现在稳定平台上的精确降落。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，按照PID控制策略控制无人飞行器的精确降落，其中，按照下式计算对无人飞行器进行控制的输出控制量：Compared_X＝Middle+Kp*error+Ki*(error-Last_error)+Kd*(error-2*Last_error+Prev_error)；

其中，Compared_X为输出控制量，Middle为控制中位，用于在无偏差时保持飞行器稳定，Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分三项的系数，error为控制偏差，由无人飞行器的当前角度与期望角度做差得到，Last_error和Prev_error分别为上次误差和上上次误差，error、Last_error和Prev_error是在每个控制周期末尾更迭得到的，即Last_error赋值给Prev_error，error赋值给Last_error。