CN108563242A - 一种海空自主协同搜救m3u平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海空自主协同搜救M3U平台，包括无人机智能辅助单元、红外搜寻跟踪单元和远程无线控制单元；所述无人机智能辅助单元包括无人机起降固定模块、GPS通讯定位模块、无人机智能取放模块，所述红外搜寻跟踪单元包括红外传感通信模块和红外搜寻定位模块，所述红外传感通信模块用于保持救援装备与无人艇之间的通信；所述红外搜寻定位模块根据红外传感通信模块的通信，控制无人艇的航行方向。本发明能实现智能化、无人化和立体化的高效搜寻与救助，从而显著提高海上搜寻与救助的效率。
Description
技术领域
本发明涉及无人船和无人机的搜救技术领域，尤其涉及一种海空自主协同搜救M3U平台。
背景技术
海洋作为世界经济活动中的重要角色，其作用日益重要。随着我国对“海洋战略”的深入实施，海上交通环境愈加复杂，凸现出诸多海上交通安全问题。因此关于海事遇险事故的搜寻救助也成为海事研究的重点，以实现“全天候运行、全方位覆盖、应急快速反应”为海事遇险事故搜寻救助的目标。
目前，海事搜寻与救助主要由有人驾驶的搜救艇和搜救飞机完成，搜救艇速度较慢，搜救飞机受海况天气条件影响较大，造成一定程度的搜救时间上的紧迫性和空间上的不达性，给搜救行动的协调、有序、高效的开展带来一定的困难，增大了遇险船舶或遇险人员的风险。
“电子航海”，旨在整合多种资源，给出单一窗口，提升航行安全、防止环境污染等，实现船舶泊位到泊位间的安全高效航行的模式。随着概念的提出与发展，多种智能航海技术及手段发展迅猛。GPS(全球定位系统)、BDS(北斗卫星导航系统)、AIS(船舶自动识别系统)、电子海图、无线电通信和计算机网络等现代技术在航海领域得以广泛应用。
与此同时，在“电子航海”的背景下，海上搜寻与救助也正在向着智能化、无人化和立体化方向发展。随着无人技术和智能控制技术的不断发展和日趋完善，各种智能无人设备的性能越加稳定，尤其以“水面无人艇”和“空中无人机”最为突出。
“水面无人艇”是一种能在复杂海况条件下自主安全航行，并且能够完成既定任务的海上智能运动平台，具有低成本、高效率、无伤亡等突出特点。“无人机”是一种受地面远程控制，用于完成各种工作任务的空中智能飞行平台，其具有用途广、机动性强、适应性能优越等优点。
然而，现有的海上救援技术仅仅使用了单方面的无人艇或无人机的GPS定位搜寻，不能完全实现海上救援的“全天候运行、全方位覆盖、应急快速反应”，有时还会导致救援目标出现意外情况，本发明提出了红外自主搜寻，根据红外传感通信，利用无人艇、无人机相互协同，结合各自作为海上平台、空中平台的优点，将二者组成更加趋于无人化的海空自主协同搜救平台，并提出“M3U”平台这一崭新的概念。在面对复杂海况条件下的搜寻与救助任务，形成搜寻与救助一体化的海空自主协同搜救平台。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种搜寻与救助于一体，提高搜救效率的海空自主协同搜救M3U平台。
本发明所采用的技术方案为：一种海空自主协同搜救M3U平台，其特征在于：包括无人机智能辅助单元、红外搜寻跟踪单元和远程无线控制单元；
所述无人机智能辅助单元包括无人机起降固定模块、GPS通讯定位模块、无人机智能取放模块，所述无人机起降固定模块用于实现无人机在无人艇上的起飞与降落，所述GPS通讯定位模块用于对需救援的位置进行精准定位，并将位置信息传送到远程无线控制单元，所述无人机智能取放模块接收来自远程无线控制单元的控制指令，利用机械手臂将救援装备精确的投放到GPS定位的地方；
所述红外搜寻跟踪单元包括红外传感通信模块和红外搜寻定位模块，所述红外传感通信模块用于保持救援装备与无人艇之间的通信；所述红外搜寻定位模块根据红外传感通信模块的通信，控制无人艇的航行方向；
所述远程无线控制单元包括控制模块和GPS模块，控制模块能够根据无人机传输的目标信息向无人艇发送控制指令，引导无人艇向目标航行，同时可以控制无人机在无人艇上的精准降落与起飞，GPS模块可以定位无人机与无人艇的位置信息。
按上述技术方案，所述红外传感通信模块包括救援装备和无人艇红外接收装置，救援装备能够帮助落水人员暂时获救，同时定位目标的位置信息，无人艇红外接收装置位于无人艇上，能时刻接收红外信号，保持无人艇与救援装备之间的通信。
按上述技术方案，所述救援装备为多功能救生圈。
按上述技术方案，所述红外搜寻定位模块包括红外传输控制模块和折线路径跟踪控制装置，红外传输控制模块根据红外传感通信模块的通信，物理上控制无人艇的航行方向，折线路径跟踪控制装置能够将来自无人机、远程无线控制单元的数据进行综合处理，进而得到精准的信息控制无人艇的航行方向。
按上述技术方案，所述折线路径跟踪控制装置包括数据采集单元、数据处理单元、动力控制单元，
所述数据采集单元包括GPS模块和地磁感应模块，所述GPS接收模块和地磁感应模块分别获取无人水面艇的经纬度信息和艏向角并输出给数据处理单元；
所述数据处理单元包括路径跟踪算法模块和运动控制算法模块，所述路径跟踪算法模块将计算出无人水面艇与预设路径之间的偏差，并将偏差输出给运动控制算法模块，所述运动控制算法模块根据无人水面艇与预设路径之间的偏差得出控制命令，并将控制命令传输给动力控制单元；
所述动力控制单元控制无人艇的运动。
按上述技术方案，所述运动控制算法模块可以根据无人水面艇和预设路径之间的偏差，判断无人水面艇的运动状态调整方式，并得出控制命令输出给动力控制模块。
按上述技术方案，所述路径跟踪算法模块包括直线路径跟踪算法和折线路径跟踪算法，所述直线路径跟踪策略以carrot chasing(基于虚拟目标的路径跟踪方法)直线路径跟踪算法为基础，在预设路径中加入动态变化的虚拟目标点，控制无人水面艇朝虚拟目标点靠近，虚拟目标点随无人水面艇的位置变化而不断地按照规则更新；所述折线路径跟踪算法在无人水面艇跟踪到一段直线路径尾端时，若虚拟目标点不在这段直线路径上，则无人水面艇开始跟踪下一段直线路径上。
按上述技术方案，所述动力控制单元包括舵机控制模块、伺服舵机和喷水推进器，所述舵机控制模块接收数据处理单元输出的控制命令，产生电信号发送给伺服舵机和喷水推进器，所述伺服舵机受电信号激励转动，带动无人水面艇的喷水嘴摆动，进而使无人水面艇转向，所述喷水推进器受电信号激励快速运转，为无人水面艇提供动力。
本发明所取得的有益效果为：
1、本发明提供的一种海空自主协同搜救M3U平台，与现有技术相比，本发明围绕“海空协同、自主搜救”展开研究，在利用红外传感通信的原理，致力于打造一个高效的、智能的和立体的无人搜寻与救助模式，设计并制作“海空自主协同搜救M3U平台”。无人机与无人艇的智能协同不仅可以弥补两者的缺陷，同时又可充分发挥其各自的优势，实现智能化、无人化和立体化的高效搜寻与救助，从而显著提高海上搜寻与救助的效率，及时发现海上遇险事件并迅速展开搜救工作，最大程度减少海上遇险事件的财产损失和人命伤亡。基于红外传感、无线监控、差速喷水推进等科学技术手段，显著增进了作品的实用性。本发明在海事搜寻与救助方面有着广阔的应用前景，面对不同海况下的海事事故，在低成本、低风险的前提下，极大的提高搜寻救助的效率，能够完善海事管理部门的应急搜救机制，对维护海事安全、发展海洋强国战略有着积极的保障作用；
2、通过设置路径跟踪算法模块，本发明不但能实现欠驱动无人水面艇的直线路径跟踪，而且还能实现折线路径跟踪，使得无人水面艇更能满足航海实践中的路径跟踪要求，折线路径跟踪策略可以使无人水面艇在转向时提前打舵，避免了转向时出现的大迂回现象，进一步提高了搜救效率。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明的折线路径跟踪控制装置的原理框图。
图3为喷水推进器机械结构图。
图4为无人水面艇三自由度模型图。
图5为直线路径跟踪图。
图6为折线路径跟踪策略图。
图7为无人水面艇模型原理图。
图8为仿真实验跟踪轨迹图。
图9为仿真实验轨迹偏差图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本实施例提供了一种海空自主协同搜救M3U平台，包括无人机智能辅助单元、红外搜寻跟踪单元和远程无线控制单元；
如图1所示，所述无人机智能辅助单元包括无人机起降固定模块、GPS通讯定位模块、无人机智能取放模块，所述无人机起降固定模块用于实现无人机在无人艇上的起飞与降落，所述GPS通讯定位模块用于对需救援的位置进行精准定位，并将位置信息传送到远程无线控制单元，所述无人机智能取放模块接收来自远程无线控制单元的控制指令，利用机械手臂将救援装备精确的投放到GPS定位的地方；
所述红外搜寻跟踪单元包括红外传感通信模块和红外搜寻定位模块，所述红外传感通信模块用于保持救援装备与无人艇之间的通信；所述红外搜寻定位模块根据红外传感通信模块的通信，控制无人艇的航行方向；
所述远程无线控制单元控制模块和GPS模块，控制模块能够根据无人机传输的目标信息向无人艇发送控制指令，引导无人艇向目标航行，同时可以控制无人机在无人艇上的精准降落与起飞，GPS模块可以定位无人机与无人艇的位置信息。
所述红外传感通信模块包括救援装备和无人艇红外接收装置，救援装备能够帮助落水人员暂时获救，同时定位目标的位置信息，无人艇红外接收装置位于无人艇上，能时刻接收红外信号，保持无人艇与救援装备之间的通信。本实施例中，所述救援装备为多功能救生圈。
所述红外搜寻定位模块包括红外传输控制模块和折线路径跟踪控制装置，红外传输控制模块根据红外传感通信模块的通信，物理上控制无人艇的航行方向，折线路径跟踪控制装置能够将来自无人机、远程无线控制单元的数据进行综合处理，进而得到精准的信息控制无人艇的航行方向，且实现无人艇折线路径跟踪，使得无人水面艇更能满足航海实践中的路径跟踪要求。
如图2所示，所述折线路径跟踪控制装置包括数据采集单元、数据处理单元、动力控制单元，
所述数据采集单元包括GPS接收模块和地磁感应模块，所述GPS接收模块和地磁感应模块分别获取无人水面艇的经纬度信息和艏向角并输出给数据处理单元；
所述数据处理单元包括路径跟踪算法模块和运动控制算法模块，所述路径跟踪算法模块将计算出无人水面艇与预设路径之间的偏差，并将偏差输出给运动控制算法模块，所述运动控制算法模块根据无人水面艇与预设路径之间的偏差得出控制命令，并将控制命令传输给动力控制单元；所述动力控制单元控制无人艇的运动。
所述运动控制算法模块可以根据无人水面艇和预设路径之间的偏差，判断无人水面艇的运动状态调整方式，并得出控制命令输出给动力控制模块。
所述路径跟踪算法模块包括直线路径跟踪算法和折线路径跟踪算法，所述直线路径跟踪策略以carrot chasing直线路径跟踪算法为基础，在预设路径中加入动态变化的虚拟目标点，控制无人水面艇朝虚拟目标点靠近，虚拟目标点随无人水面艇的位置变化而不断地按照规则更新；所述折线路径跟踪算法在无人水面艇跟踪到一段直线路径尾端时，若虚拟目标点不在这段直线路径上，则无人水面艇开始跟踪下一段直线路径上。
所述动力控制单元包括舵机控制模块、伺服舵机和喷水推进器，所述舵机控制模块接收数据处理单元输出的控制命令，产生电信号发送给伺服舵机和喷水推进器，所述伺服舵机受电信号激励转动，带动无人水面艇的喷水嘴摆动，进而使无人水面艇转向，所述喷水推进器受电信号激励快速运转，为无人水面艇提供动力。
本发明中，M3U平台(Maritime unmanned surface vehicles and unmannedaerial vehicles Union)即海事无人机-无人艇平台。
所述红外搜寻跟踪系统具体实现过程如下：
S1、救援物资补给及目标参数的采集，无人机智能取放模块在远程无线控制单元的指令下，携带必要救援装备飞行，待无人机抵达事故海域时，通过GPS通讯定位模块中的热源红外探测仪可以较为准确的识别落水者位置(注：本作品设计时已默认落水人员位置)，并通过无人机智能取放模块的控制，在遇难者的上方自动释放救援物资(多功能示位救生圈)，同时GPS通讯定位模块采集能对落水目标的位置等参数进行精确采集。
S2、目标参数的传递及远程控制救援，将S1中采集到的数据(落水目标的位置等参数)通过GPS通讯定位模块传递给远程无线控制单元，远程无线控制单元根据收到的目标信息生成相关的远程控制救援指令，并通过通信模块将指令传输给单片机，以此控制无人艇向落水目标的大致海域行进。
S3、红外传感通信，当无人艇在远程无线控制单元的指控下，达到落水目标的大致海域时，多功能救生圈上装有的红外发射装置，通过其发射的红外信号，无人艇借助船首、左舷、右舷分别安装的红外接收装置连续不断的接收红外信号(见附图3)，实现多功能救生圈和无人艇的红外传感通信。
S4、红外搜寻定位目标，红外搜寻定位模块中的折线路径跟踪控制装置根据红外传感通信得到的目标参数，再结合无人机提供的位置信息以及陆上远程无线控制单元的指令，无人艇能够准确的得到的落水人员的精确位置，然后红外搜寻定位模块包括红外传输控制模块不断地控制指令舵机进行相应角度的转向，随着无人艇的不断航行，在船载红外搜寻与跟踪系统的指令下，无人艇能够自动的、连续的靠近红外信号源(多功能示位救生圈)，从而就完成了对落水人员的自动搜寻与跟踪。
S5、无人机降落及返航，在无人艇的自动搜寻与跟踪过程中，无人机都在空中不断地采集落水目标的参数，并与远程无线控制单元通信，当目标被救援后，无人艇返航，此时无人机起降固定模块使无人机能够精确的降落到无人艇的停机坪上，最后顺利返航。
其中，步骤S4的具体过程为：采用数据采集单元的GPS接收模块和地磁感应模块获取无人水面艇的经纬度信息和艏向角信息；采用路径跟踪算法模块计算出无人水面艇与预设路径之间的偏差；运动控制算法模块根据无人水面艇与预设路径之间的偏差，判断无人水面艇的运动状态调整方式，并得出控制命令输出给动力控制模块；动力控制模块控制无人水面艇的航向。
其无人艇线路的具体跟踪方法如下：
采用喷水推进的无人水面艇的机械结构如图3所示，Se为负责转向操作的舵机。O是无人水面艇的重心。舵机控制角度η与喷水口角度δ之间的关系：
式中，l1与l2分别表示舵机与喷水嘴摆动头连接杆的长度。假设δ∈[-π/3,π/3]，若要使舵机与喷水推进器之间连接杆的形变可忽略不计，只需使η→0，又有故只需使l2＜＜l1，即可让舵机与喷水推进器之间连接杆的形变忽略不计。
控制对象：
无人水面艇的运动模型如附图4所示，在忽略横摇、纵摇、垂荡等运动的前提下，无人水面艇的运动过程可以在平面中描述为一个三自由度模型，三自由度分别表现为的船舶纵荡、横荡、艏摇运动。ζEξ坐标系是大地坐标系，ζ轴指向大地北方，ξ轴指向大地东方，xoy坐标系是船体坐标系，x轴指向船体正前方，y轴指向船体右侧方向。通过对所构建的坐标系进行分析，可以得出下面的无人水面艇运动模型
式中，m是无人水面艇的质量；Izz是无人水面艇的绕船体坐标系原点的转动惯量；(xG,yG)是无人水面艇在船体坐标系中的重心；XΣ，YΣ，NΣ分别是无人水面艇系统在(x,y)轴方向受到的平移作用力和艏摇受到的力；u，v，γ分别是无人水面艇沿(x,y)轴方向的纵荡和横荡速度和艏摇速度，为其对应的导数；V是无人水面艇在大地坐标系中的速度，Vξ，Vζ分别为无人水面艇在大地坐标系中沿ξ轴和ζ轴的速度，为其对应的导数。
虚拟目标点的更新规则：
无人水面艇直线路径跟踪算法过程如附图5所示，假设Wi与Wi+1两点之间的直线为预设路径，p(x,y)代表无人水面艇当前位置，代表无人水面艇当前的艏向角，Δ为漂角，ψ为无人艇的航向角，q(xq,yq)点是无人水面艇的位置p点在直线WiWi+1上的投影。无人水面艇距离预设路径的垂直距离即q和p两点之间的距离是d，s点是虚拟目标点。q和s之间的距离是λ，λ由使用者自定义。分析附图4，可以得出下列参数之间的关系式：
式中，||Wi-p||表示Wi点与p点之间的欧拉距离，||p-q||为p点和q点之间的欧拉距离，d为路径跟踪误差值，即无人水面艇与预设路径之间的距离。当存在时变漂角时，Δ(t)≠0，通过下面的控制规则，可以消除时变漂角的影响。
虚拟目标点s(xt,yt)的坐标按照如下规则更新：
虚拟目标点s(xt,yt)的位置是随无人艇的位置实时更新的，在存在输入饱和的情况下，无人艇不会因为输入达到饱和状态而无法跟踪s点，克服了输入饱和的情况。
折线路径跟踪转向算法：
如附图6所示，在无人水面艇直线路径跟踪策略的基础上，当无人水面艇航行到转向点B附近时，通过计算得出的虚拟目标点的位置，若虚拟目标点超出了AB的范围，则无人水面艇开始跟踪BC段路径。
仿真实验：
为验证本发明的有效性，以附图7所示的喷水推进无人水面艇为仿真对象对本发明进行了仿真。为了让仿真的结果能具有更高的可信度，排除偶然性，设计了三组预设路径。仿真实验中设置T＝3N，m＝30kg,m＝30kg,λ＝3m,δ∈[-π/3,π/3]，采样间隔Δt取为一秒。附图8展示了直线路径跟踪方法和本发明提出的折线路径跟踪方法两种方案的水平面的路径跟踪曲线。
附图9展示了直线路径跟踪方法和本发明提出的折线路径跟踪方法两种方案的跟踪偏差曲线，可看出，本发明的仿真结果明显优于直线路径跟踪方法。表明本发明提出的折线路径跟踪控制方法比经典路径点跟踪方法更适宜于无人水面艇路径跟踪控制。
Claims (8)
1.一种海空自主协同搜救M3U平台，其特征在于：包括无人机智能辅助单元、红外搜寻跟踪单元和远程无线控制单元；
所述无人机智能辅助单元包括无人机起降固定模块、GPS通讯定位模块、无人机智能取放模块，所述无人机起降固定模块用于实现无人机在无人艇上的起飞与降落，所述GPS通讯定位模块用于对需救援的位置进行精准定位，并将位置信息传送到远程无线控制单元，所述无人机智能取放模块接收来自远程无线控制单元的控制指令，利用机械手臂将救援装备精确的投放到GPS定位的地方；
所述红外搜寻跟踪单元包括红外传感通信模块和红外搜寻定位模块，所述红外传感通信模块用于保持救援装备与无人艇之间的通信；所述红外搜寻定位模块根据红外传感通信模块的通信，控制无人艇的航行方向；
所述远程无线控制单元包括控制模块和GPS模块，控制模块能够根据无人机传输的目标信息向无人艇发送控制指令，引导无人艇向目标航行，同时可以控制无人机在无人艇上的精准降落与起飞，GPS模块可以定位无人机与无人艇的位置信息。
2.根据权利要求1所述的海空自主协同搜救M3U平台，其特征在于：所述红外传感通信模块包括救援装备和无人艇红外接收装置，救援装备能够帮助落水人员暂时获救，同时定位目标的位置信息，无人艇红外接收装置位于无人艇上，能时刻接收红外信号，保持无人艇与救援装备之间的通信。
3.根据权利要求2所述的海空自主协同搜救M3U平台，其特征在于：所述救援装备为多功能救生圈。
4.根据权利要求1或2所述的海空自主协同搜救M3U平台，其特征在于：所述红外搜寻定位模块包括红外传输控制模块和折线路径跟踪控制装置，红外传输控制模块根据红外传感通信模块的通信，物理上控制无人艇的航行方向，折线路径跟踪控制装置能够将来自无人机、远程无线控制单元的数据进行综合处理，进而得到精准的信息控制无人艇的航行方向。
5.根据权利要求4所述的海空自主协同搜救M3U平台，其特征在于：所述折线路径跟踪控制装置包括数据采集单元、数据处理单元、动力控制单元，
所述数据采集单元包括GPS模块和地磁感应模块，所述GPS接收模块和地磁感应模块分别获取无人水面艇的经纬度信息和艏向角并输出给数据处理单元；
所述数据处理单元包括路径跟踪算法模块和运动控制算法模块，所述路径跟踪算法模块将计算出无人水面艇与预设路径之间的偏差，并将偏差输出给运动控制算法模块，所述运动控制算法模块根据无人水面艇与预设路径之间的偏差得出控制命令，并将控制命令传输给动力控制单元；
所述动力控制单元控制无人艇的运动。
6.根据权利要求5所述的海空自主协同搜救M3U平台，其特征在于：所述运动控制算法模块可以根据无人水面艇和预设路径之间的偏差，判断无人水面艇的运动状态调整方式，并得出控制命令输出给动力控制模块。
7.根据权利要求5或6所述的海空自主协同搜救M3U平台，其特征在于：所述路径跟踪算法模块包括直线路径跟踪算法和折线路径跟踪算法，所述直线路径跟踪策略是在预设路径中加入动态变化的虚拟目标点，控制无人水面艇朝虚拟目标点靠近，虚拟目标点随无人水面艇的位置变化而不断地按照规则更新；所述折线路径跟踪算法在无人水面艇跟踪到一段直线路径尾端时，若虚拟目标点不在这段直线路径上，则无人水面艇开始跟踪下一段直线路径上。
8.根据权利要求5或6所述的海空自主协同搜救M3U平台，其特征在于：所述动力控制单元包括舵机控制模块、伺服舵机和喷水推进器，所述舵机控制模块接收数据处理单元输出的控制命令，产生电信号发送给伺服舵机和喷水推进器，所述伺服舵机受电信号激励转动，带动无人水面艇的喷水嘴摆动，进而使无人水面艇转向，所述喷水推进器受电信号激励快速运转，为无人水面艇提供动力。
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