CN110751360A - 一种无人船区域调度方法 - Google Patents

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CN110751360A CN201910815758.3A CN201910815758A CN110751360A CN 110751360 A CN110751360 A CN 110751360A CN 201910815758 A CN201910815758 A CN 201910815758A CN 110751360 A CN110751360 A CN 110751360A
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Abstract

本发明公开了一种无人船区域调度方法，所述方法包括无人船按照顺序以预设轨迹执行巡航任务，充电站位所述无人船执行巡航任务的起点和终点；若干个所述充电站固定预设在所述无人船巡航水域，其中，所述充电站用于供预设个数的无人船充电，任意所述充电站与其余充电站中的至少一个充电站的距离小于所述无人船在满电量情况下的航程；判断所述无人船巡航水域是否出现异常目标；若所述无人船巡航海域出现异常目标，所述无人船对所述异常目标进行追踪监控。采用本发明，可以良好的完成正常的巡航任务和异常目标的监视任务。

Description

一种无人船区域调度方法
技术领域
本发明涉及船只调度领域，特别是涉及一种无人船区域调度方法。
背景技术
有若干个条无人船实现全天候实时监控一块水域。当待监控曲面 面积比较大，单船无法完成整个区域监控的巡航任务，需要将整个区 域分成若干块，每块区域提供一个充电站，每个充电站的位置，确保 任意充电站与其他充电站中的至少一个充电站的距离小于无人船满 电量的航程，确保无人船在各充电站之间调度。每个充电站为一组无 人船充电，每个组有若干条无人船。每块区域的无人船按照设定的编 队顺序和规划的巡航轨迹进行巡航监控。正常监控任务的无人船巡航 轨迹的起始点和终止点的为本区域内的充电站，当监控发现异常目标 进入监控区域，构建对异常目标的监视任务，调度距离异常目标最近的无人船沿着最短直线轨迹进行追踪监控。无人船离开巡航任务后， 剩下任务由后续无人船补充完成。所以需要构建无人船的调度方法， 完成正常的巡航任务和异常目标的监视任务。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种无人船区域调度方 法，可以良好的完成正常的巡航任务和异常目标的监视任务。
基于此，本发明提供了一种无人船区域调度方法，所述方法包括：
无人船按照顺序以预设轨迹执行巡航任务，其中，充电站位所述 无人船执行巡航任务的起点和终点；
若干个所述充电站固定预设在所述无人船巡航水域，所述充电站 用于供预设个数的无人船充电，任意所述充电站与其余充电站中的至 少一个充电站的距离小于所述无人船在满电量情况下的航程；
判断所述无人船巡航水域是否出现异常目标；
若所述无人船巡航海域出现异常目标，所述无人船对所述异常目 标进行追踪监控。
其中，所述无人船对所述异常目标进行追踪监控包括：
分别获取处于巡航状态的无人船和所述充电站距离所述异常目 标之间的距离，并将所述距离进行排序，获取最短距离；
若所述最短距离对应的是充电站，则所述充电站派出无人船对所 述异常目标进行追踪监控；
若所述最短距离对应的是处于巡航状态的无人船且所述无人船 到达所述异常目标之后的电量能够返回充电站，则所述处于巡航状态 的无人船对所述异常目标进行追踪监控。
其中，所述处于巡航状态的无人船对所述异常目标进行追踪监控 之后，还包括从充电站派出无人船对所述异常目标进行追踪监控。
其中，所述从充电站派出无人船对所述异常目标进行追踪监控还 包括：
获取所述异常目标与各个充电站的之间的距离，并按照各个充电 站距离所述异常目标的远近进行排序，其中，第一充电站与所述异常 目标之间的距离最短，为第一距离，第二充电站与所述异常目标之间 的距离次之，为第二距离；
判断所述第一距离与所述第二距离之间的差值是否大于预设距 离差值范围；
若是，则所述第一充电站派出无人船对所述异常目标进行追踪监 控，若否，则所述第一充电站与第二充电站均派出无人船对所述异常 目标进行追踪监控。
其中，所述第一充电站派出的无人船的数量为：
Figure BDA0002186313330000031
其中，根据异常目标与充电站的距离确定无人船从充电站到异常 目标的时间tp和返航时间tb，根据无人船总电量确定无人船总的巡航 时间t和充满电的时间tc，ceil函数表示取最大的整数。
其中，所述无人船对所述异常目标进行追踪监控时，与所述无人 船距离最短的所述充电站作为所述无人船的充电站。
其中，距离所述异常目标直线距离最短的处于巡航状态的无人船 对所述异常目标进行追踪监控之后，若所述无人船到达的充电站与执 行巡逻任务出发时的充电站不是同一充电站时，所述无人船到达的充 电站向所述无人船执行巡逻任务出发时的充电站补充无人船。
其中，所述方法还包括：
获取所述异常目标的位置和所述异常目标与充电站的最短距离；
在以异常目标为圆心，所述最短距离为半径的搜索范围内搜索所 述无人船；
按照所述无人船与所述异常目标之间的距离对搜索范围内的所 述无人船按照顺序进行编号；
根据预设执行任务判定规则确定所述无人船的执行任务，其中， 所述执行任务包括巡逻任务、追踪监视异常目标任务和紧急任务。
其中，所述预设执行任务判定规则包括：
J＝J1+J2+J3
J为总代价函数，所述总代价函数值高的无人船执行异常目标的 监视任务，其中，
Figure BDA0002186313330000032
nt,t表示任务t所需无人船的总条数，nt,f表示执行任务t的无人 船的条数；
qt,e表示执行任务t的有效能耗，qt,t表示执行任务t的总能耗， ωt表示任务的加权系数；
Figure BDA0002186313330000041
Tt，0表示自任务t开始后至无无人船执行所述任务t的时间长度， Tt,t表示任务t存在的总时间长度，ωt表示任务的加权系数。
其中，所述无人船无执行任务时，返回所述充电站。
采用本发明，在无人船巡航水域未出现异常目标时，所述无人船 可以有序的按照预设编队顺序和规划的巡航轨迹进行巡航监控，且执 行所述巡航任务的起始点和终止点均为充电站，当发现异常目标进入 无人船所需巡航水域时，可以调度距离所述异常目标距离最短的无人 船沿着最短直线轨迹进行追踪监控，若原先处于巡航状态的无人船转 而执行异常目标的监视任务之后，所述无人船原先的巡航任务可以由 后续无人船补充完成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面 将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而 易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域 普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些 附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的无人船区域调度方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的无人船巡航轨迹示意图；
图3是本发明实施例提供的无人船区域调度方法的示意图；
图4是本发明实施例提供的无人船执行异常任务的示意图；
图5是本发明实施例提供的无人船在网格线路上行驶的示意图；
图6是本发明实施例提供的无人船在网格线路上行驶的另一示意
图7是本发明实施例提供的无人船闭环行驶的示意图；
图8是本发明实施例提供的关于执行异常任务的无人船时间分配 的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普 通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例提供的无人船区域调度方法的流程图，所述 方法包括：
S101、无人船按照顺序以预设轨迹执行巡航任务，其中，充电站 位所述无人船执行巡航任务的起点和终点；
若干个所述充电站固定预设在所述无人船巡航水域，所述充电站 用于供预设个数的无人船充电，任意所述充电站与其余充电站中的至 少一个充电站的距离小于所述无人船在满电量情况下的航程；
图2是本发明实施例提供的无人船巡航轨迹示意图，在没有异常 目标出现的情况下，巡航轨迹按照上图中巡航方式布置，d1直接受制 于无人船的巡航长度，d2表示无人船扫过地面时的有效监视区域的宽 度，如果水平方向巡航有nm次往返，则巡航的轨迹长度l与监控的面 积s分别为：
l＝(d1+d2)nm
s＝d1d2nm
所述无人船的巡航状态为沿着设定路径匀速巡航，所述无人船匀 速巡航时，前进运动(做功)消耗的电量为：
qf,i＝Ff,ivit＝Ff,idf,i＝k1df,i
其中，Ff,i为第i条无人船推力和，Vi为第i条无人船的速度，t 为第i条运动时间，df,i为第i条无人船的运动距离，k1为系数，df,i为所述无人船继续巡航的距离，qe,i为剩余电量。
假设所述无人船的电池容量qi，k2为系数，所述无人船使用电量 qu,i＝qi-qe,I，与充电时间tc,i的关系:
qu,i＝k2t
每个充电站作为无人船起始和终止的目标点，设充电站每秒钟为 无人船补充的电量为c，则充电站的充电量与充电时间t成线性关系：
qc＝ct
综上所述，所述无人船的巡航状态的能量简化为只与时间相关。
搭建无人船充电站可以自主定义需要确定的参数如确定充电站 个数、充电站的位置、每个充电站的无人船条数、每个充电站的充电 接口个数。
若每个充电站离开的无人船数量和进入的无人船数量相同，即如 果无人船的收发点为同一个充电站，充电站的数量是稳定的。
S102、判断所述无人船巡航水域是否出现异常目标；
所述充电站除了用于供所述无人船充电所需的充电装置外，还可 以包括监控装置，所述监控装置包括摄像头、控制器和无线收发器， 所述摄像头、无线收发器均与所述控制器相连，所述摄像头包括全景 摄像头，用于采集所述充电站周边环境的图像信息，所述控制器包括 PLC控制器，所述无线收发器包括ZigBee模块、5G模块、WiFi模块 等，所述摄像头采集到所述充电站周边环境的图像信息之后，并将所 述图像信息上传给所述控制器，所述控制器通过所述无线收发器上传 给外部移动终端，所述外部移动终端可以是服务器、手机、电脑等， 所述外部移动终端可以对所述图像信息进行处理，通过比对预设图像 信息与所述监控装置发送而来的图像信息，从而获取所述充电站周边 巡航水域是否存在异常目标，若存在异常目标，可以发送所述异常目 标信号至所述无人船。
所述巡航水域附近安装监控装置，所述监控装置还可以安装在无 人船上，也可以安装在巡航水域附近。
所述无人船与所述充电站均可以包括无线收发器，所述无人船与 所述充电站可以互相进行通信，所述无人船可以包括控制器，无线收 发器和电池，所述控制器与所述无线收发器和电池分别相连，所述电 池的耗电信息可以上传给所述控制器，所述控制器包括PLC控制器。
当所述无人船巡航水域出现异常船只、动物、人类等异常目标时， 可以判断所述无人船巡航水域出现异常目标。
S103、若所述无人船巡航海域出现异常目标，所述无人船对所述 异常目标进行追踪监控。
当所述无人船巡航海域出现异常目标时，所述无人船对所述异常 目标进行追踪监控包括：
分别获取处于巡航状态的无人船和所述充电站距离所述异常目 标之间的距离，并将所述距离进行排序，获取最短距离；
若所述最短距离对应的是充电站，则所述充电站派出无人船对所 述异常目标进行追踪监控；
若所述最短距离对应的是处于处于巡航状态的无人船且所述无 人船到达所述异常目标之后的电量能够返回充电站，则所述处于巡航 状态的无人船对所述异常目标进行追踪监控。
其中，所述处于巡航状态的无人船对所述异常目标进行追踪监控 之后，还包括从充电站派出无人船对所述异常目标进行追踪监控。
其中，所述从充电站派出无人船对所述异常目标进行追踪监控还 包括：
获取所述异常目标与各个充电站的之间的距离，并按照各个充电 站距离所述异常目标的远近进行排序，其中，第一充电站与所述异常 目标之间的距离最短，为第一距离，第二充电站与所述异常目标之间 的距离次之，为第二距离；
判断所述第一距离与所述第二距离之间的差值是否大于预设距 离差值范围；
若是，则所述第一充电站派出无人船对所述异常目标进行追踪监 控，若否，则所述第一充电站与第二充电站均派出无人船对所述异常 目标进行追踪监控。
其中，所述第一充电站派出的无人船的数量为：
Figure BDA0002186313330000071
其中，根据异常目标与充电站的距离确定无人船从充电站到异常 目标的时间tp和返航时间tb，根据无人船总电量确定无人船总的巡航 时间t和充满电的时间tc，ceil函数表示取最大的整数。
其中，所述无人船对所述异常目标进行追踪监控时，与所述无人 船距离最短的所述充电站作为所述无人船的充电站。
其中，距离所述异常目标直线距离最短的处于巡航状态的无人船 对所述异常目标进行追踪监控之后，若所述无人船到达的充电站与执 行巡逻任务出发时的充电站不是同一充电站时，所述无人船到达的充 电站向所述无人船执行巡逻任务出发时的充电站补充无人船。
除此之外，其中，所述无人船对所述异常目标进行追踪监控还可 以包括：
获取所述异常目标的位置和所述异常目标与充电站的最短距离；
在以异常目标为圆心，所述最短距离为半径的搜索范围内搜索所 述无人船；
按照所述无人船与所述异常目标之间的距离对搜索范围内的所 述无人船按照顺序进行编号；
根据预设执行任务判定规则确定所述无人船的执行任务，其中， 所述执行任务包括巡逻任务、追踪监视异常目标任务和紧急任务。
其中，所述预设执行任务判定规则包括：
J＝J1+J2+J3
J为总代价函数，所述总代价函数值高的无人船执行异常目标的 监视任务，其中，
nt,t表示任务t所需无人船的总条数，nt,f表示执行任务t的无人 船的条数；
Figure BDA0002186313330000082
qt,e表示执行任务t的有效能耗，qt,t表示执行任务t的总能耗， ωt表示任务的加权系数；
Figure BDA0002186313330000091
Tt，0表示自任务t开始后至无无人船执行所述任务t的时间长度， Tt,t表示任务t存在的总时间长度，ωt表示任务的加权系数。
当所述无人船无执行任务时，也就是说所述无人船接收到外部发 送而来的返回信息时，所述无人船返回所述充电站。
采用本发明，可以良好的完成正常的巡航任务和异常目标的监视 任务。
图2是本发明实施例提供的无人船区域调度方法的示意图，所述 方法包括：
假设所述无人船在充满电的情况下可以巡航以平均速度5m/s 巡航10000m，最大巡航时间为2000s，从0到充满的充电时间为4000s。 现有1平方千米(1000m*1000m)的区域进行无人船进行全天候监控， 要求同一路径点每300s就有一条无人船驶过。无人船的摄像机扫描 宽度为50m，对监视区域建立网格，网格间距为50m，所述无人船在 网格线上巡航，请参考图5和图6。
巡航任务的无人船轨迹可以通过充电站的位置以及轨迹中的拐 点等一系列的点来表示，其中点序列的起始点和终止点均为充电站的 位置。
图5图6中无人船发出和接收的充电站相同，轨迹长度为5500m， 巡航时间为1100s，所以每个充电站至少需要11条无人船才可保证 任务顺利完成。
无人船基本参数
qt,e表示执行任务t的有效能耗，qt,t表示执行任务t的总能耗， ωt表示任务的加权系数；
参数说明：位置x和y表示无人船当前的位置，无人船出发后进 行定速巡航，不考虑z轴的位置。电量qe表示无人船的当前的剩余 电量，其中0表示电量耗尽，1表示满电量。无人船的状态有三种类 型：巡航，待发和充电，分别使用-1，0，1表示。无人船的巡航轨 迹是由若干直线段首尾相连而成，使用两个点p1和p2表示无人船所 在直线段的端点，无人船由p1驶向p2。速度x和y表示无人船在x 轴和y轴在单位时间内的移动距离，无人船的平均速度始终为5m/s。 时间t表示无人船已经巡航的时间。
巡航任务无人船队列参数
充电站位置 无人船条数 备份无人船条数 发出无人船序号
[x,y] num_f num_b n
所述充电站的位置指为巡航任务无人船队列服务充电站所在的 位置。无人船条数指无人船队列中的无人船的总数量。备份无人船条 数指无人船队列中满电的无人船总条数。序号指上一条发出的无人船 在无人船队列中的排序n，当与第n+1条无人船巡航时间差达到时间 间隔要求，第n+1条无人船发出。
充电站基本参数
充电站编号 充电接口总数 需要充电数
no. n1 n2
巡航任务算法流程：
1)、将无人船按照发出的先后顺序排成待发出队列。
2)、系统启动第一条无人船发出进入巡航队列，或者巡航队列的队尾 无人船与待发出队列的首无人船时间间隔大于等于扫描间隔，待发出 队列的队首无人船发出，加入到巡航队列的队尾。
3)、巡航队列队首无人船到达目标充电站，加入到充电队列。
4)、充电队列队首无人船充满电，加入到待发出队列的队尾。
当出现异常目标点时，选择距离异常目标点最近的充电站为执行 异常任务的无人船充电，选择离异常点最近的无人船加入到执行异常 任务的无人船队列的队首中。在选择无人船时，比较所有巡航状态的 无人船以及所有充电站距离异常点的远近，如果一个充电站比所有巡 航状态的无人船距离异常点都近，则所有异常任务的无人船都从此充 电站选取，如果存在巡航状态的无人船距离异常点最近，则选为异常 任务队列的队首无人船，对于异常任务无人船队列的第二条无人船， 首先考虑充电站中待发出的无人船，如果充电站中的无人船能够在队 首无人船开始返回充电站前到达异常目标点接替队首无人船，则异常 任务的队列的其他无人船从充电站待发出的无人船中选择。
异常任务队列无人船来源
无人船编号 1 2 3 …
源自充电站 c1 c2 c3 …
异常任务无人船队列参数
充电站编号 充电站位置 无人船条数 发出无人船序号
no. [x,y] num_f n
异常情况：
1)、异常点数量；
2)、异常任务的无人船数量；
3)、单个充电站可为异常任务提供的所有无人船；
4)、单个充电站个为所有异常任务的无人船充电；
5)、单个充电站无法为异常任务提供足够的无人；
6)、单个充电站充电功率充电接口的限制，无法提供满足异常任务的 无人船供电；
执行异常任务需要的无人船数量主要由无人船的巡航时间和异 常点与充电站的距离共同决定。假设无人船执行异常任务最多消耗 90％的电量，则最多巡航1800s，而异常点与充电站的最远距离(位 于正方形的两个对角上)为707.1m，从充电站前往和返航的时间最 少各需141.42s。以无人船巡航1800s，其中往返各巡航200s，如图 8所示，从回到充电站到充满电需要时间3600s，确定执行异常任务 无人船队列最多需要4条无人船。
Figure RE-GDA0002305635240000121
对图7做简单说明，队首无人船(绿色)发出后200s到达异常 点，开始监视异常点，监视1200s后(到达时间轴1400s)，队列的 第二条无人船(青色)开始发出，再过200s(到达时间轴1600s)， 第二条无人船到达异常点并开始监视异常点，而队首无人船开始返航， 再过200s(到达时间轴1800s)，队首无人船到达充电站并开始充电， 队第二条无人船继续监视异常点，再过1000s(到达时间轴2800s)， 队第三条无人船(蓝色)驶向异常点，经过200s(到达时间轴3000s)， 第三条无人船到达异常点并开始监视异常点，而第二条无人船开始返 航，200s后(到达时间轴3200s)，第二条无人船回到充电站并开始 充电，第三条无人船继续监视异常点。经过1000s(到达时间轴4200s)， 第四条无人船(紫色)开始驶向异常点，第三条无人船继续监视异常 点，200s后(到达时间轴4400s)，第四条无人船到达异常点并开始 监视异常点，第三条无人船开始返航，再过200s(到达时间轴4600s)， 第三条无人船回到充电站并开始充电，第四条无人船继续监视异常点。 经过1000s后(到达时间轴5600s)，队首无人船已经充满电，并发 出驶向异常点，整个任务形成无人船闭环。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无人船区域调度方法，其特征在于，包括：
无人船按照顺序以预设轨迹执行巡航任务，充电站位所述无人船执行巡航任务的起点和终点；
若干个所述充电站固定预设在所述无人船巡航水域，其中，所述充电站用于供预设个数的无人船充电，任意所述充电站与其余充电站中的至少一个充电站的距离小于所述无人船在满电量情况下的航程；
判断所述无人船巡航水域是否出现异常目标；
若所述无人船巡航水域出现异常目标，所述无人船对所述异常目标进行追踪监控。
2.如权利要求1所述无人船区域调度方法，其特征在于，所述无人船对所述异常目标进行追踪监控包括：
分别获取处于巡航状态的无人船和所述充电站距离所述异常目标之间的距离，并将所述距离进行排序，获取最短距离；
若所述最短距离对应的是充电站，则所述充电站派出无人船对所述异常目标进行追踪监控；
若所述最短距离对应的是处于处于巡航状态的无人船且所述无人船到达所述异常目标之后的电量能够返回充电站，则所述处于巡航状态的无人船对所述异常目标进行追踪监控。
3.如权利要求2所述无人船区域调度方法，其特征在于，所述处于巡航状态的无人船对所述异常目标进行追踪监控之后，还包括从充电站派出无人船对所述异常目标进行追踪监控。
4.如权利要求1所述无人船区域调度方法，其特征在于，所述从充电站派出无人船对所述异常目标进行追踪监控还包括：
获取所述异常目标与各个充电站的之间的距离，并按照各个充电站距离所述异常目标的远近进行排序，其中，第一充电站与所述异常目标之间的距离最短，为第一距离，第二充电站与所述异常目标之间的距离次之，为第二距离；
判断所述第一距离与所述第二距离之间的差值是否大于预设距离差值范围；
若是，则所述第一充电站派出无人船对所述异常目标进行追踪监控，若否，则所述第一充电站与第二充电站均派出无人船对所述异常目标进行追踪监控。
5.如权利要求4所述无人船区域调度方法，其特征在于，所述第一充电站派出的无人船的数量为：
Figure FDA0002186313320000021
其中，根据异常目标与充电站的距离确定无人船从充电站到异常目标的时间tp和返航时间tb，根据无人船总电量确定无人船总的巡航时间t和充满电的时间tc，ceil函数表示取最大的整数。
6.如权利要求1所述无人船区域调度方法，其特征在于，所述所述无人船对所述异常目标进行追踪监控时，与所述无人船距离最短的充电站作为所述无人船的充电站。
7.如权利要求1所述无人船区域调度方法，其特征在于，距离所述异常目标直线距离最短的处于巡航状态的无人船对所述异常目标进行追踪监控之后，若所述无人船到达的充电站与执行巡逻任务出发时的充电站不是同一充电站时，所述无人船到达的充电站向所述所述无人船执行巡逻任务出发时的充电站补充无人船。
8.如权利要求1所述无人船区域调度方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取所述异常目标的位置和所述异常目标与充电站的最短距离；
在以异常目标为圆心，所述最短距离为半径的搜索范围内搜索所述无人船；
按照所述无人船与所述异常目标之间的距离对搜索范围内的所述无人船按照顺序进行编号；
根据预设执行任务判定规则确定所述无人船的执行任务，其中，所述执行任务包括巡逻任务、追踪监视异常目标任务和紧急任务。
9.如权利要求8所述无人船区域调度方法，其特征在于，
所述预设执行任务判定规则包括：
J＝J1+J2+J3
J为总代价函数，所述总代价函数值高的无人船执行异常目标的监视任务，其中，
Figure FDA0002186313320000031
nt,t表示任务t所需无人船的总条数，nt,f表示执行任务t的无人船的条数；
qt,e表示执行任务t的有效能耗，qt,t表示执行任务t的总能耗，ωt表示任务的加权系数；
Figure FDA0002186313320000033
Tt，0表示自任务t开始后至无无人船执行所述任务t的时间长度，Tt,t表示任务t存在的总时间长度，ωt表示任务的加权系数。
10.如权利要求8所述无人船区域调度方法，其特征在于，所述无人船无执行任务时，返回所述充电站。
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