CN107132853A - 一种基于多无人艇协同的水上飞机降落系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多无人艇协同的水上飞机降落系统和方法，包括无人艇定位模块、无人艇环境感知模块、无人艇协同控制模块、无人艇激光模块、通信模块和水上飞机视觉感知模块。所述的无人艇定位模块、无人艇环境感知模块、无人艇协同控制模块、无人艇激光模块都安装在各艘无人艇上。所述的水上飞机视觉感知模块安装在水上飞机上。该基于多无人艇的水上飞机降落系统和方法，解决水上飞机在复杂狭小水面环境下无法安全高效降落的现状，增强水上飞机自主降落的能力，提高了其自主化程度。同时，也拓宽了多无人艇协同控制的应用领域，推动了协同无人艇群技术的发展。

Description

一种基于多无人艇协同的水上飞机降落系统和方法
技术领域
本发明涉及一种基于多无人艇协同的水上飞机降落系统和方法，属于智能协同无人艇应用技术领域和水上飞机应用技术领域。
背景技术
水面无人艇(unmanned surface vessel，简称USV)，是近些年来新兴的一种小型无人操作的水面平台，主要用于执行危险以及不适于有人船只执行的任务。其上搭载GPS、惯导、雷达、声呐、超声等传感设备，能够实现自主导航、自主避障、自主追踪等功能，并可以完成很多特殊任务。一旦配备先进的控制系统、通信系统和武器系统后，可以执行多种战争和非战争军事任务，比如：侦察、搜索、探测和排雷；搜救、导航和水文地理勘察。最近兴起的协同无人艇群的发展使得无人艇系统具有更强的鲁棒性、通信能力、机动性、灵活性、更高的作业效率和更广的作业范围。
水上飞机是指能在水面上起飞、降落和停泊的飞机，简称水机，主要用于海上巡逻、反潜、救援和体育运动、旅游、通勤、航拍等。水上飞机的飞行高度为600米至800米，可以填补低空立体交通空白。其工作原理是：当水上飞机停泊在水上时，宽大船体所产生的浮力会使飞机浮在水面上并且不会下沉。但在需要起飞时，螺旋桨发动机产生的拉力，就会拖着它以相当快的速度在水面上滑跑。伴随着速度的不断增加，机翼上产生的升力慢慢克服了飞机的重力，从而把飞机从水面上逐渐托起来，成为在空中飞行的航船。而在它完成空中任务之后，自然也要重返到水面，需要在宽阔水面上滑行一段距离后才能停止。
目前，水上飞机的降落主要是依靠人为的判断水面条件能否满足水上飞机的降落。这会带来两个问题，一是人为的判别存在误差，特别是当水面环境较复杂时，人为判断显得力不从心；二是人为的判断能否降落费时费力，工作效率较低。随着无人系统的发展，特别是水面无人艇的技术的进步，一种自动化、智能化的水上飞机降落系统既可以保证降落的稳定性和安全性，同时能够减少人力物力，提升系统工作效率。得益于智能协同控制无人艇群的发展，使得设计一种智能化、高效可靠的水上飞机降落系统成为可能。这样的一种智能降落系统可以使得水上飞机的降落更加安全和高效，同时可以让水上飞机在相对狭小和复杂的环境中安全的降落，拓宽了水上飞机和水面无人艇技术的应用领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多无人艇的水上飞机降落系统和方法，解决水上飞机在复杂狭小水面环境下无法安全高效降落的现状，增强水上飞机自主降落的能力，提高了其自主化程度。同时，也拓宽了多无人艇协同控制的应用领域，推动了协同无人艇群技术的发展。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于多无人艇协同的水上飞机降落系统，包括无人艇定位模块、无人艇环境感知模块、无人艇协同控制模块、无人艇激光模块、通信模块和水上飞机视觉感知模块；所述的无人艇定位模块、无人艇环境感知模块、无人艇协同控制模块、无人艇激光模块均安装在无人艇上，所述的通信模块分别安装在无人艇上和水上飞机上，所述水上飞机视觉感知模块安装在水上飞机上；所述的无人艇定位模块由GPS定位单元和惯导单元组成，用于对无人艇的定位和姿态控制；所述的环境感知模块由摄像头单元、激光雷达单元和声呐单元组成，用于感知水面和水下的环境情况，确保水上飞机的降落跑道安全可靠；所述的无人艇协同控制模块是根据各无人艇反馈的环境信息建立水面跑道的控制系统，运行算法指挥各无人艇运动到指定位置完成水面跑道的建立；所述的无人艇激光模块由激光发射单元和激光接收单元组成，用于生成水上飞机的水面跑道；所述的通信模块由天线单元组成，用于无人艇上和水上飞机的通讯；水上飞机视觉感知模块位于水上飞机上，用于检测水面跑道的具体位置信息。
一种基于多无人艇协同的水上飞机降落方法，使用上述的基于多无人艇协同的水上飞机降落系统，具体步骤如下：
S01，无人艇群接收任务指令：无人艇群接收到控制中心发送的水上飞机降落任务，确定该任务执行环节周围的四艘无人艇执行该任务；
S02，无人艇群感知环境信息：指定的各无人艇利用自带的GPS定位单元运动到指定区域，通过摄像头单元、激光雷达单元和声呐单元组成的环境感知模块进行环境信息的获取，并将获取到的该区域的环境信息通过天线单元传至无人艇协同控制模块，用于其判断和决策；
S03，无人艇协同控制模块判断该区域能否降落：无人艇协同控制模块根据各无人艇上传的环境信息判断该区域能否降落，若该区域不能降落，则无人艇群继续搜索确定能够降落的区域；若该地域所有区域都不能降落则返回不能降落的信息；
S04，无人艇协同控制模块生成跑道信息：无人艇协同控制模块根据各无人艇上传的环境信息运行算法计算出能够降落的跑道信息，用于水上飞机的降落；
S05，无人艇群运动到指定位置：无人艇群根据无人艇协同控制模块生成的跑道信息，利用自带的GPS定位单元运动到指定的位置，同时利用惯导单元调整自身姿态，为生成水面跑道做好准备；
S06，无人艇发射激光形成跑道光柱：无人艇达到指定位置后，由激光发射单元发射激光光束至另一艘无人艇的激光接收单元，至少两艘无人艇形成一条激光束作为跑道的一侧，至少四艘无人艇能够形成水面降落跑道的两侧；
S07，无人艇发送降落指令至水上飞机：水面跑道确定后无人艇发送能够降落的指令给水上飞机，告知水面跑道已经建立成功，准备降落；
S08，水上飞机视觉感知模块确定跑道信息：水上飞机接收到降落的指令后启动水上飞机视觉感知模块，对该区域的水面激光跑道进行感知，确定水面跑道的具体位置信息，准备降落；
S09，水上飞机顺利自主降落，结束任务：水上飞机和水面跑道一切准备就绪后，水上飞机顺利安全降落，任务完成，各无人艇继续执行其他任务。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该基于多无人艇协同的水上飞机降落系统设计合理、结构简单，易于实现；系统整个降落过程完全自主，无需任何的人为干预。智能协同控制的无人艇群完全可以充分准确的感知环境信息，保证了整个降落过程的安全顺利进行。该系统的基于集群无人艇的设计是完全自由的，模块化的设计，在完成任务后可以迅速接收其他任务，操作灵活，很好的体现了智能无人系统的优势。同时，随着这项技术的应用，使得协同无人艇群和水上飞机的应用范围扩大，也促进了无人艇技术的进一步发展，更加推动了整个无人系统技术的应用步伐。
附图说明
图1为本发明的无人艇各模块安装示意图。
图2为本发明的无人艇群环境搜索方式示意图。
图3为本发明系统的工作方式示意图。
图4为本发明方法的工作流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
如图1所示，一种基于多无人艇协同的水上飞机降落系统，包括无人艇定位模块、无人艇环境感知模块、无人艇协同控制模块、无人艇激光模块、通信模块和水上飞机视觉感知模块；所述的无人艇定位模块、无人艇环境感知模块、无人艇协同控制模块、无人艇激光模块均安装在无人艇1上，所述的通信模块分别安装在无人艇1上和水上飞机10上，所述水上飞机视觉感知模块安装在水上飞机10上；所述的无人艇定位模块由GPS定位单元2和惯导单元5组成，用于对无人艇的定位和姿态控制；所述的环境感知模块由摄像头单元4、激光雷达单元6和声呐单元9组成，用于感知水面和水下的环境情况，确保水上飞机10的降落跑道安全可靠；所述的无人艇协同控制模块是根据各无人艇1反馈的环境信息建立水面跑道的控制系统，运行算法指挥各无人艇1运动到指定位置完成水面跑道的建立；所述的无人艇激光模块由激光发射单元7和激光接收单元8组成，用于生成水上飞机10的水面跑道；所述的通信模块由天线单元3组成，用于无人艇1上和水上飞机10的通讯；水上飞机视觉感知模块位于水上飞机10上，用于检测水面跑道的具体位置信息。
如图2所示，本实施例中无人艇群由四艘无人艇1组成用于在指定区域内进行搜索，具体的搜索方式是利用摄像头单元4、激光雷达单元6和声呐单元9组成的环境感知模块对无人艇1的前方进行水面环境的详尽搜索、对水下环境进行立体式搜索，能够做到对周围环境的准确信息。本实施例中四艘无人艇群组成的是直线详尽搜索方式，当然也可以进行曲线和环形区域搜索，可以根据具体情况调整。
如图4所示，一种基于多无人艇协同的水上飞机降落方法，使用上述的基于多无人艇协同的水上飞机降落系统，具体步骤如下：
S01，无人艇群接收任务指令：无人艇群接收到控制中心发送的水上飞机10降落任务，确定该任务执行环节周围的四艘无人艇1执行该任务。
S02，无人艇群感知环境信息：指定的各无人艇1利用自带的GPS定位单元2运动到指定区域，通过摄像头单元4、激光雷达单元6和声呐单元9组成的环境感知模块进行环境信息的获取，并将获取到的该区域的环境信息通过天线单元3传至无人艇协同控制模块，用于其判断和决策。
S03，无人艇协同控制模块判断该区域能否降落：无人艇协同控制模块根据各无人艇1上传的环境信息判断该区域能否降落，若该区域不能降落，则无人艇群继续搜索确定能够降落的区域；若该地域所有区域都不能降落则返回不能降落的信息。
S04，无人艇协同控制模块生成跑道信息：无人艇协同控制模块根据各无人艇1上传的环境信息运行算法计算出能够降落的跑道信息，用于水上飞机的降落。
S05，无人艇群运动到指定位置：无人艇群根据无人艇协同控制模块生成的跑道信息，利用自带的GPS定位单元2运动到指定的位置，同时利用惯导单元5调整自身姿态，为生成水面跑道做好准备。
S06，无人艇1发射激光形成跑道光柱：无人艇1达到指定位置后，由激光发射单元7发射激光光束至另一艘无人艇1的激光接收单元8，至少两艘无人艇1形成一条激光束作为跑道的一侧，至少四艘无人艇1能够形成水面降落跑道的两侧；如图3所示。
S07，无人艇1发送降落指令至水上飞机10：水面跑道确定后无人艇1发送能够降落的指令给水上飞机10，告知水面跑道已经建立成功，准备降落。
S08，水上飞机视觉感知模块确定跑道信息：水上飞机10接收到降落的指令后启动水上飞机视觉感知模块，对该区域的水面激光跑道进行感知，确定水面跑道的具体位置信息，准备降落。
S09，水上飞机10顺利自主降落，结束任务：水上飞机10和水面跑道一切准备就绪后，水上飞机10顺利安全降落，任务完成，各无人艇继续执行其他任务。

Claims (2)

1.一种基于多无人艇协同的水上飞机降落系统，其特征在于，包括无人艇定位模块、无人艇环境感知模块、无人艇协同控制模块、无人艇激光模块、通信模块和水上飞机视觉感知模块；所述的无人艇定位模块、无人艇环境感知模块、无人艇协同控制模块、无人艇激光模块均安装在无人艇（1）上，所述的通信模块分别安装在无人艇（1）上和水上飞机（10）上，所述水上飞机视觉感知模块安装在水上飞机（10）上；所述的无人艇定位模块由GPS定位单元（2）和惯导单元（5）组成，用于对无人艇的定位和姿态控制；所述的环境感知模块由摄像头单元（4）、激光雷达单元（6）和声呐单元（9）组成，用于感知水面和水下的环境情况，确保水上飞机（10）的降落跑道安全可靠；所述的无人艇协同控制模块是根据各无人艇（1）反馈的环境信息建立水面跑道的控制系统，运行算法指挥各无人艇（1）运动到指定位置完成水面跑道的建立；所述的无人艇激光模块由激光发射单元（7）和激光接收单元（8）组成，用于生成水上飞机（10）的水面跑道；所述的通信模块由天线单元（3）组成，用于无人艇（1）上和水上飞机（10）的通讯；水上飞机视觉感知模块位于水上飞机（10）上，用于检测水面跑道的具体位置信息。
2.一种基于多无人艇协同的水上飞机降落方法，使用权利要求1所述的基于多无人艇协同的水上飞机降落系统，其特征在于，具体步骤如下：
S01，无人艇群接收任务指令：无人艇群接收到控制中心发送的水上飞机（10）降落任务，确定该任务执行环节周围的四艘无人艇（1）执行该任务；
S02，无人艇群感知环境信息：指定的各无人艇（1）利用自带的GPS定位单元（2）运动到指定区域，通过摄像头单元（4）、激光雷达单元（6）和声呐单元（9）组成的环境感知模块进行环境信息的获取，并将获取到的该区域的环境信息通过天线单元（3）传至无人艇协同控制模块，用于其判断和决策；
S03，无人艇协同控制模块判断该区域能否降落：无人艇协同控制模块根据各无人艇（1）上传的环境信息判断该区域能否降落，若该区域不能降落，则无人艇群继续搜索确定能够降落的区域；若该地域所有区域都不能降落则返回不能降落的信息；
S04，无人艇协同控制模块生成跑道信息：无人艇协同控制模块根据各无人艇（1）上传的环境信息运行算法计算出能够降落的跑道信息，用于水上飞机的降落；
S05，无人艇群运动到指定位置：无人艇群根据无人艇协同控制模块生成的跑道信息，利用自带的GPS定位单元（2）运动到指定的位置，同时利用惯导单元（5）调整自身姿态，为生成水面跑道做好准备；
S06，无人艇（1）发射激光形成跑道光柱：无人艇（1）达到指定位置后，由激光发射单元（7）发射激光光束至另一艘无人艇（1）的激光接收单元（8），至少两艘无人艇（1）形成一条激光束作为跑道的一侧，至少四艘无人艇（1）能够形成水面降落跑道的两侧；
S07，无人艇（1）发送降落指令至水上飞机（10）：水面跑道确定后无人艇（1）发送能够降落的指令给水上飞机（10），告知水面跑道已经建立成功，准备降落；
S08，水上飞机视觉感知模块确定跑道信息：水上飞机（10）接收到降落的指令后启动水上飞机视觉感知模块，对该区域的水面激光跑道进行感知，确定水面跑道的具体位置信息，准备降落；
S09，水上飞机（10）顺利自主降落，结束任务：水上飞机（10）和水面跑道一切准备就绪后，水上飞机（10）顺利安全降落，任务完成，各无人艇继续执行其他任务。
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