CN109774960A - 无人船无人机协作系统及控制方法 - Google Patents

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王荣杰
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陈清林
王佳
宋佳声
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王新乡
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Abstract

本发明提出一种无人船无人机协作系统及控制方法，包括：多架无人机、多艘无人船和控制中心；无人机为旋翼无人机，其充电口位于机体下侧；无人船包括停机平台、设置在停机平台上的多个无人机起降充电装置；控制中心包括海上控制中心和岸基控制中心。本发明将无人船定义为无人机的中转和充电平台，同时提出了一种起降充电一体化的装置设计方案，简化了装置结构，实现了功能多样性，针对无人机如何在颠簸不定的无人船甲板上安全地起飞与降落问题，采用了云台隔离船体的摇摆运动，用缓冲装置防止无人机着板过程中的冲撞，用固定装置配合无人机的起降。提出了整合无人机、无人船、海上控制中心和岸基控制中心的整体控制方案，以充分发挥协同作用。

Description

无人船无人机协作系统及控制方法
技术领域
本发明属于无人机领域，具体涉及一种无人船无人机协作系统及控制方法。
背景技术
随着无人化与智能化技术的发展，无人船与旋翼无人机越来越多地被推广到各种海事应用中，但是它们各有其优缺点。旋翼无人机飞行灵活性好，视野宽广，但是当其单独工作于较远海域时，图像传输效果不好，且续航能力有限（一般在30分钟以下），往返充电则会大大增加成本，无法长时间连续作业大大限制了其应用范围。无人船续航能力强，承载力大，可携带大量仪器设备，但是其垂向机动作业功能不足，感知范围十分有限。
在现有技术当中，虽然有一些无人船与无人机协同的设想，但并未提供一套合理、有效、实用的方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对海事场景应用中无人船与无人机存在的不足，提供一种无人船无人机协作系统。该系统能更好地解决船舶/海上设施检验、海上事故勘查与取证、海上搜救、海洋环境监测等问题，充分发挥无人船的负载优势和无人机的感知优势，拓展了智能特种机器人应用的场景。
本发明具体采用以下技术方案：
一种无人船无人机协作系统，其特征在于，包括：多架无人机、多艘无人船和控制中心；所述无人机为旋翼无人机，其充电口位于机体下侧；所述无人船包括停机平台、设置在停机平台上的多个无人机起降充电装置；所述控制中心包括海上控制中心和岸基控制中心。
优选地，所述无人机起降充电装置包括设置在停机平台上的云台、设置在云台上的充电接口、缓冲装置、固定装置和着陆板。
优选地，所述无人机和无人船通过卫星通信装置与海上控制中心和岸基控制中心进行通信。
优选地，所述海上控制中心设置在船舶上。
优选地，所述固定装置包括固定在着陆板上表面的电磁铁；所述无人机机体的下部设置有起落支架，所述起落支架含有铁磁体。
以及无人船无人机协作系统的控制方法之一，其特征在于：所述无人机从无人船或岸基起飞，执行拍摄任务，并由任务所在海域的海上控制中心监控其所处的位置和电量，并将无人机的电量及与其最近的无人船的距离的比值与预设的阈值进行比较；当所述海上控制中心监控到比值低于阈值时，控制无人机向最近的无人船降落并执行充电。
优选地，所述无人机将采集的视频信息传递至岸基控制中心。
无人船无人机协作系统的控制方法之二，其特征在于：所述无人机由任务所在海域的海上控制中心调度，从无人船或岸基起飞，前往预定区域，执行拍摄任务；所述海上控制中心调度无人船接应执行任务的无人机降落。
优选地，执行接应任务的无人船的航线经过多架无人机执行任务的区域。
本发明及其优选方案首先提供了一套完备、合理、有效、实用的整体技术方案方案，首先，将无人船定义为无人机的中转和充电平台，同时提出了一种起降充电一体化的装置设计方案，既简化了装置结构，又实现了功能多样性，针对无人机如何在颠簸不定的无人船甲板上安全地起飞与降落问题，采用了云台隔离船体的摇摆运动，用缓冲装置防止无人机着板过程中的冲撞，用固定装置配合无人机的起降。同时，提出了整合多架无人机、多艘无人船、海上控制中心和岸基控制中心的整体控制方案，以充分发挥无人机和无人船的协同作用，实现船舶/海上设施检验、海上事故勘查与取证、海上搜救、海洋环境监测等场景下的功能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例总体系统框架示意图；
图2为本发明实施例无人机起降充电装置结构示意图；
图3为本发明实施例控制方法流程示意图1；
图4为本发明实施例控制方法流程示意图2；
图中：10-机体；12-起落支架；13-铁磁体；21-云台；22-缓冲装置；23-着陆板；24-充电接口；25-固定装置。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
如图1所示，在本发明实施例中，整体系统包括：多架无人机、多艘无人船和控制中心，其中控制中心包括海上控制中心和岸基控制中心。岸基控制中心作为主控中心用于实现全局的调度、监控、数据汇总收集的工作，并在近岸的区域承担海上控制中心相同的功能。海上控制中心在本实施例当中一般设置在船舶上，作为无人机和无人船集群的区域性的控制中枢，海上控制中心搜集和掌握无人机、无人船的位置坐标以及无人机的电量信息，并根据需要控制无人机前往无人船进行充电，或调配无人船接应无人机的返航。在本实施例中，无人船实际上被定义为无人机的中转和充电平台，在同一无人机无人船集群当中，无人机和无人船之间没有绑定或者从属的关系，在无人机执行任务之前，无人船可以作为搭载的载体将无人机投送至指定海域，在无人机执行完成任务之后或需要中继补充电力时，该集群当中的任一搜无人船都可以成为降落的对象。通过集群化的无人机和无人船的设置，能够实现对海域搜寻的全方位覆盖，并大大提高效率。
作为优选，本实施例中，无人机主要采用旋翼无人机，其充电口位于机体10下侧，以方便实现自动充电。无人船主要提供停机平台，并在停机平台上设置有多个无人机起降充电装置。无人机和无人船通过卫星通信装置与海上控制中心和岸基控制中心进行通信。
在本实施例中，无人船整体一般包括船体与动力设备、定位导航设备、航行避障设备、运动控制设备。其中定位导航设备包括北斗导航系统与IMU惯性测量单元，航行避障设备包括AIS自动识别系统、航海雷达、毫米波雷达与前视声纳。
无人机整体一般包括摄像头、机载通讯设备、飞行控制装置、电源、机架、无刷电机、电调、GPS等电子设备。
无人船、海上控制中心和岸基控制中心三方通讯系统一般同时开启，一方面保证了通讯效果，另一方面也通过冗余通信保证了安全性。
如图2所示，无人机起降充电装置的结构包括设置在停机平台上的云台21、设置在云台21上的充电接口24、缓冲装置22、固定装置25和着陆板23。
其中，云台21用于隔离船体的摇摆运动；缓冲装置22采用弹簧的结构将着陆板23进行固定，以防止无人机着板过程中的冲撞；充电接口24设置为朝上的柱状结构，方便配合无人机的充电口，实现即插即用的直接充电；固定装置25包括固定在着陆板23上表面的电磁铁；无人机机体10的下部设置有起落支架12，起落支架12含有铁磁体13；这样的结构能够在无人机降落和停泊时有效固定无人机，且在无人机起飞时直接断开电磁装置的电源，解除吸力，可以配合无人机的起降。
如图3所示，作为本实施例提供系统的一种配套控制方法，主要用于海域的定期巡航等无具体搜寻目标的监控工作，其要旨在于无人机执行任务时，以“安全返回电量”作为判据控制工作时间及与最近的无人船之间的距离，可以通过以下流程规则实现：无人机从无人船或岸基起飞，执行拍摄任务，并由任务所在海域的海上控制中心监控其所处的位置和电量，并将无人机的电量及与其最近的无人船的距离的比值与预设的阈值进行比较；当海上控制中心监控到比值低于阈值时，控制无人机向最近的无人船降落并执行充电。其中，无人机将采集的视频信息传递至岸基控制中心，岸基控制中心也可以根据无人机反馈数据及海上控制中心反馈数据的具体情况对无人机实现规则外的调配控制，以应对突发情况，如在遇到紧急搜寻状况时，可以控制无人机超限巡航而不返回无人船进行充电，以延长持续监控的时间（代价可能是牺牲该艘无人机），也可以在无人机不返回的情况下控制无人船接近以实现接应。
如图4所示，作为本实施例提供系统的另一种配套控制方法，主要用于任务区域固定的海域搜寻或紧急救援任务，其要旨在于，尽量保证无人机在特定区域的长时间巡航，通过无人船航线的指定和规划最终接应需要返航的无人机，可以通过以下流程规则实现：无人机由任务所在海域的海上控制中心调度，从无人船或岸基起飞，前往预定区域，执行拍摄任务；海上控制中心调度无人船接应执行任务的无人机降落。其中执行接应任务的无人船的航线尽可能经过多架无人机执行任务的区域，以保证无人机的回收效率。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的无人船无人机协作系统及控制方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种无人船无人机协作系统，其特征在于，包括：多架无人机、多艘无人船和控制中心；所述无人机为旋翼无人机，其充电口位于机体下侧；所述无人船包括停机平台、设置在停机平台上的多个无人机起降充电装置；所述控制中心包括海上控制中心和岸基控制中心。
2.根据权利要求1所述的无人船无人机协作系统，其特征在于：所述无人机起降充电装置包括设置在停机平台上的云台、设置在云台上的充电接口、缓冲装置、固定装置和着陆板。
3.根据权利要求1所述的无人船无人机协作系统，其特征在于：所述无人机和无人船通过卫星通信装置与海上控制中心和岸基控制中心进行通信。
4.根据权利要求1所述的无人船无人机协作系统，其特征在于：所述海上控制中心设置在船舶上。
5.根据权利要求2所述的无人船无人机协作系统，其特征在于：所述固定装置包括固定在着陆板上表面的电磁铁；所述无人机机体的下部设置有起落支架，所述起落支架含有铁磁体。
6.根据权利要求1-5其中任一所述的无人船无人机协作系统的控制方法，其特征在于：所述无人机从无人船或岸基起飞，执行拍摄任务，并由任务所在海域的海上控制中心监控其所处的位置和电量，并将无人机的电量及与其最近的无人船的距离的比值与预设的阈值进行比较；当所述海上控制中心监控到比值低于阈值时，控制无人机向最近的无人船降落并执行充电。
7.根据权利要求6所述的无人船无人机协作系统的控制方法，其特征在于：所述无人机将采集的视频信息传递至岸基控制中心。
8.根据权利要求1-5其中任一所述的无人船无人机协作系统的控制方法，其特征在于：所述无人机由任务所在海域的海上控制中心调度，从无人船或岸基起飞，前往预定区域，执行拍摄任务；所述海上控制中心调度无人船接应执行任务的无人机降落。
9.根据权利要求8所述的无人船无人机协作系统的控制方法，其特征在于：执行接应任务的无人船的航线经过多架无人机执行任务的区域。
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