CN112015182B - 一种基于无人机的无人艇编队巡逻控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无人机的无人艇编队巡逻控制系统及控制方法。该系统或方法能够根据不同任务指令实现无人艇单艇巡逻和多艇编队围堵可疑目标，既保证了单艇的灵活性，又能在出现敌情或者异常情况时做到快速出击；该发明利用无人机作为无人艇和控制台的通信中介，不仅可以进行空中监控增大巡逻视野，还可以扩大巡逻范围提高巡逻效率；控制台可以随时选择介入无人机‑无人艇巡逻系统，避免发生错误攻击。

Description

一种基于无人机的无人艇编队巡逻控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及无人艇应用技术领域，特别是涉及一种基于无人机的无人艇编队巡逻控制系统及控制方法。

背景技术

海上巡逻是海上警戒的方式之一，指海军兵力在特定海区的巡查活动，平时或战时均需组织，海上巡逻对保障海军兵力安全和战斗胜利具有重要作用。第二次世界大战期间，美军在中途岛海战前，将19艘潜艇配置在该岛以西200海里以内的3条巡逻线上，飞机巡逻区延伸到该岛以西600海里的空域，及时发现了日本舰队，争取了主动，保证了海战的胜利。平时的海上巡逻任务通常由水面舰艇、潜艇担任，分别在指定海区的水面、水下进行，其目的是及时发现、对误入或侵犯被警戒海区的舰船、潜艇等，应视情况进行监视、驱逐或扣留，直至使用武器。现代的海上巡逻由海军航空兵、水面舰艇、潜艇三兵种分别实施或协同实施，根据任务要求对警戒海域进行不间断的观察，并在发现敌情后启用应援兵力。但是在现有的海上巡逻中，无人艇个体实施海上巡逻任务时存在巡航距离有限、面对突发情况反应慢的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无人机的无人艇编队巡逻控制系统及控制方法，能够解决巡航距离有限、面对突发情况反应慢的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于无人机的无人艇编队巡逻控制系统，包括依次连接的无人艇、无人机和控制台。

可选地，所述无人艇包括第一定位模块、任务载荷、控制中心、底层控制中心、第一无线系统和供电模块；

所述控制中心分别与所述第一定位模块和所述任务载荷相连接，所述控制中心用于读取所述第一定位模块和所述任务载荷的测量信息，并对获取的任务载荷信息进行分析以确定是否存在可疑目标；

所述控制中心还用于根据所述无人机的任务指令对所述底层控制中心进行运动控制；

所述第一无线系统用于所述无人艇与所述无人机通信，所述控制中心与所述第一无线系统连接，所述控制中心通过所述第一无线系统向所述无人机发送自身位置、姿态和任务载荷测得的巡逻海域图像信息和可疑目标完整信息，并通过所述第一无线系统从所述无人机获取任务指令；

所述供电模块用于向所述无人艇上的各模块供电。

可选地，所述第一定位模块包括用于获得无人艇位置信息的GPS和用于获得无人艇姿态信息的惯性导航系统；

所述任务载荷包括用于获得障碍物和敌情目标距离角度信息的雷达、用于获取巡逻区域内图像信息的摄像头、用于监测巡逻海域水下信息的声呐以及用于驱逐或者围堵敌情目标的武器系统；

所述底层控制中心包括用于计算期望机械推力的底层控制板及用于推动船舶运动的机械系统推进器和电推杆。

可选地，所述无人机包括高度传感器、第二定位模块、微机系统、控制模块、机械结构和第二无线系统；

所述高度传感器用于测量无人机的飞行高度；

所述微机系统用于向所述无人艇发布任务指令和规划所述无人机飞行轨迹并通过所述控制模块指导所述无人机飞行；所述微机系统分别与所述高度传感器、所述第二定位模块、所述第二无线系统和所述控制模块连接；

所述控制模块用于根据所述微机系统规划的飞行轨迹控制所述机械结构运转；

所述第二无线系统用于所述无人机与所述无人艇通信、所述无人机和所述控制台通信，所述微机系统通过所述第二无线系统获取无人机的位置、无人艇的位置、无人机的姿态、无人艇的姿态、无人机飞行高度、巡逻海域图像和可疑目标完整信息并向所述无人艇发布任务指令，在需要支援的情况下通过所述第二无线系统向所述控制台发送攻击目标完整信息、申请使用无人艇的武器系统并请求所述控制台进行支援。

可选地，所述第二定位模块包括用于获取无人机位置信息的GPS和用于获取无人机姿态角的加速计和陀螺仪，所述无人机姿态角包括航向角、俯仰角和横滚角；所述机械结构指根据所述控制模块指令实现无人机飞行的机械系统。

可选地，所述控制台包括第三无线系统和上位机；

所述第三无线系统用于与所述无人机通信，所述上位机用于通过所述第三无线系统获取并显示无人机的位置、无人艇的位置、无人机的姿态、无人艇的姿态、无人机飞行高度、巡逻海域图像信息以及攻击目标完整信息，并对所述无人机使用武器系统的请求进行应答，通过所述第三无线系统向所述无人机发布指令。

一种基于无人机的无人艇编队巡逻控制系统的控制方法，包括：

S01：控制台为无人机和各艘无人艇规划到达任务区的最佳路径，并将无人艇到达任务区后的巡逻路径以及发现可疑目标后驱逐围堵的编队队形存储在无人机微机系统中；

S02：无人机和无人艇按照控制台规划路径到达巡逻海域后，无人机通过第二无线系统向各无人艇发送巡逻路径；

S03：无人艇控制中心根据自身位置、姿态信息以及第一无线系统接收到的巡逻路径通过底层控制中心控制无人艇按照期望路径巡航；

S04：在巡逻过程中，通过雷达检测水面障碍物和可疑目标距离和角度信息，利用摄像头获取巡逻海域的图像信息、利用声呐检测水下可疑目标距离和角度信息实现防潜巡逻；

S05：无人艇的控制中心通过雷达、摄像头、声呐检测到的信息判断是否有可疑目标存在；

1)如果没有可疑目标存在，无人艇通过第一无线系统将自身位置、姿态、巡逻海域图像信息发送到无人机；

2)如果有可疑目标存在，则无人艇通过第一无线系统将自身位置、姿态、巡逻海域图像信息和可疑目标完整信息发送到无人机并标记；

S06：无人机微机系统通过无线系统接收无人艇发送的信息，确认是否存在标记信息；

1)若无标记信息则将接收到的无人艇位置、姿态、无人机飞行高度、巡逻海域图像信息通过第二无线系统发送到上位机进行分析显示，执行S03-S06直至完成规定的巡逻任务；

2)若有标记信息则将接收到的无人艇位置、姿态、无人机飞行高度、巡逻海域图像信息和可疑目标完整信息通过第二无线系统发送到上位机进行分析显示，同时执行S07-S08；

S07：无人机规定各无人艇与可疑目标间的距离和角度，以实现无人艇编队对可疑目标的围堵，同时无人机以可疑目标正上方30米位置为目标点规划路径；

S08：无人机和无人艇编队按照规划路径完成对目标围堵；

1)若目标行驶趋势为巡逻海域外，则无人机、无人艇编队保持围堵队形直至目标离开巡逻海域后，无人机微机系统重新为各无人艇规划巡逻路径，恢复个体巡逻，执行S02-S06；

2)若目标行驶趋势为巡逻海域内，则无人机通过第二无线系统向控制台发送使用无人艇武器系统的申请指令，执行S09；

S09：控制台根据接收到的图像信息分析是否为敌对目标，判断是否使用武器以及是否应援；

1)若为非敌对目标，则控制台通过第三无线系统指挥无人机为各无人艇重新规划路径，恢复个体巡逻，执行S02-S06；

2)若为敌对目标，则控制台通过第三无线系统指挥无人机开启无人艇的武器系统进行攻击，并根据攻击目标情况决定是否支援，直至完成目标驱逐后执行S02-S06。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种基于无人机的无人艇编队巡逻控制系统及控制方法，能够根据不同任务指令实现无人艇单艇巡逻和多艇编队围堵可疑目标，既保证了单艇的灵活性，又能在出现敌情或者异常情况时做到快速出击；该发明利用无人机作为无人艇和控制台的通信中介，不仅可以进行空中监控增大巡逻视野，还可以扩大巡逻范围提高巡逻效率；控制台可以随时选择介入无人机-无人艇巡逻系统，避免发生错误攻击。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于无人机的无人艇编队巡逻控制系统组成图；

图2为本发明基于无人机的无人艇编队巡逻控制系统组成模块图；

图3为无人机和无人艇编队围堵可疑目标示例图(以四艘无人艇为例)。

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做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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

图1为本发明基于无人机的无人艇编队巡逻控制系统组成图，如图1所示，一种基于无人机的无人艇编队巡逻控制系统包括依次连接的无人艇1、无人机2和控制台3。

图2为本发明基于无人机的无人艇编队巡逻控制系统组成模块图。如图2所示，所述无人艇1包括第一定位模块11、任务载荷12、控制中心13、底层控制中心14、第一无线系统15和供电模块(图中未标注)；所述控制中心13分别与所述第一定位模块11和所述任务载荷12相连接，所述控制中心13用于读取所述第一定位模块11和所述任务载荷12的测量信息，并对获取的任务载荷信息进行分析以确定是否存在可疑目标；所述控制中心13还用于根据所述无人机2的任务指令对所述底层控制中心14进行运动控制；所述第一无线系统15用于所述无人艇1与所述无人机2通信，所述控制中心13与所述第一无线系统15连接，所述控制中心13通过所述第一无线系统15向所述无人机2发送自身位置、姿态和任务载荷12测得的巡逻海域图像信息和可疑目标完整信息(水面目标指雷达测得的距离和角度信息，水下目标指声呐测得的距离和角度信息)，并通过所述第一无线系统15从所述无人机2获取任务指令；所述供电模块用于向所述无人艇1上的各模块供电。

进一步地，所述第一定位模块11包括用于获得无人艇1位置信息的GPS和用于获得无人艇1姿态信息的惯性导航系统；所述任务载荷12包括用于获得障碍物和敌情目标距离角度信息的雷达、用于获取巡逻区域内图像信息的摄像头、用于监测巡逻海域水下信息的声呐以及用于驱逐或者围堵敌情目标的武器系统；所述底层控制中心14包括用于计算期望机械推力的底层控制板及用于推动船舶运动的机械系统推进器和电推杆。

如图2所示，所述无人机2包括高度传感器21、第二定位模块22、微机系统23、控制模块24、机械结构25和第二无线系统26。所述高度传感器21用于测量无人机2的飞行高度；所述微机系统23用于向所述无人艇1发布任务指令和规划所述无人机2飞行轨迹并通过所述控制模块24指导所述无人机2飞行；所述微机系统23分别与所述高度传感器21、所述第二定位模块22、所述第二无线系统26和所述控制模块24连接；所述控制模块24用于根据所述微机系统23规划的飞行轨迹控制所述机械结构25运转；所述第二无线系统26用于所述无人机2与所述无人艇1通信、所述无人机2和所述控制台3通信，所述微机系统23通过所述第二无线系统26获取无人机的位置、无人艇的位置、无人机的姿态、无人艇的姿态、无人机飞行高度、巡逻海域图像和可疑目标完整信息并向所述无人艇1发布任务指令，在需要支援的情况下通过所述第二无线系统26向所述控制台3发送攻击目标完整信息、申请使用无人艇1的武器系统并请求所述控制台3进行支援。

进一步地，所述第二定位模块22包括用于获取无人机2位置信息的GPS和用于获取无人机姿态角(航向角、俯仰角、横滚角)的加速计和陀螺仪；所述机械结构25指根据所述控制模块24指令实现无人机2飞行的机械系统。

如图2所示，所述控制台3包括第三无线系统31和上位机32；所述第三无线系统31用于与所述无人机2通信，所述上位机32用于通过所述第三无线系统31获取并显示无人机的位置、无人艇的位置、无人机的姿态、无人艇的姿态、无人机飞行高度、巡逻海域图像信息以及攻击目标完整信息，并对所述无人机2使用武器系统的请求进行应答，通过所述第三无线系统31向所述无人机2发布指令。

本发明还提供一种基于无人机的无人艇编队巡逻控制系统的控制方法具体包括如下步骤：

S01：控制台为无人机和各艘无人艇规划到达任务区的最佳路径，并将无人艇到达任务区后的巡逻路径以及发现可疑目标后驱逐围堵的编队队形存储在无人机微机系统中。

S02：无人机和无人艇按照控制台规划路径到达巡逻海域后，无人机通过无线系统向各无人艇发送巡逻路径。

S03：无人艇控制中心根据自身位置、姿态信息以及无线系统接收到的巡逻路径通过底层控制中心控制无人艇按照期望路径巡航。

S04：在巡逻过程中，通过雷达检测水面障碍物和可疑目标距离和角度信息，利用摄像头获取巡逻海域的图像信息、利用声呐检测水下可疑目标距离和角度信息实现防潜巡逻。

S05：无人艇的控制中心通过雷达、摄像头、声呐检测到的信息判断是否有可疑目标存在。

1)如果没有可疑目标存在，无人艇通过无线系统将自身位置、姿态、巡逻海域图像信息发送到无人机。

2)如果有可疑目标存在，则无人艇通过无线系统将自身位置、姿态、巡逻海域图像信息和可疑目标完整信息发送到无人机并标记。

S06：无人机微机系统通过无线系统接收无人艇发送的信息，确认是否存在标记信息。

1)若无标记信息则将接收到的无人艇位置、姿态、无人机飞行高度、巡逻海域图像信息通过无线系统发送到上位机进行分析显示，执行S03-S06直至完成规定的巡逻任务。

2)若有标记信息则将接收到的无人艇位置、姿态、无人机飞行高度、巡逻海域图像信息和可疑目标完整信息通过无线系统发送到上位机进行分析显示，同时执行S07-S08。

S07：无人机规定各无人艇与可疑目标间的距离和角度，以实现无人艇编队对可疑目标的围堵，同时无人机以可疑目标正上方30米位置为目标点规划路径，以四艘无人艇为例，无人机和无人艇编队围堵可疑目标示例如图3所示；

S08：无人机和无人艇编队按照规划路径完成对目标围堵。

1)若目标行驶趋势为巡逻海域外，则无人机、无人艇编队保持围堵队形直至目标离开巡逻海域后，无人机微机系统重新为各无人艇规划巡逻路径，恢复个体巡逻，执行S02-S06。

2)若目标行驶趋势为巡逻海域内，则无人机通过无线系统向控制台发送使用无人艇武器系统的申请指令，执行S09。

S09：控制台根据接收到的图像信息分析是否为敌对目标，判断是否使用武器以及是否应援。

1)若非敌对目标，则控制台指挥无人机为各无人艇重新规划路径，恢复个体巡逻，执行S02-S06。

2)如为敌对目标，则控制台指挥无人机开启无人艇的武器系统进行攻击，并根据攻击目标情况决定是否支援，直至完成目标驱逐后执行S02-S06。

本发明提供一种基于无人机的无人艇编队巡逻控制系统及控制方法，能够根据不同任务指令实现无人艇单艇巡逻和多艇编队围堵可疑目标，既保证了单艇的灵活性，又能在出现敌情或者异常情况时做到快速出击；该发明利用无人机作为无人艇和控制台的通信中介，不仅可以进行空中监控增大巡逻视野，还可以扩大巡逻范围提高巡逻效率；控制台可以随时选择介入无人机-无人艇巡逻系统，避免发生错误攻击。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，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。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种基于无人机的无人艇编队巡逻控制系统的控制方法，其特征在于，所述基于无人机的无人艇编队巡逻控制系统包括无人艇、无人机和控制台；所述无人艇包括第一定位模块、任务载荷、控制中心、底层控制中心、第一无线系统和供电模块；所述无人机包括高度传感器、第二定位模块、微机系统、控制模块、机械结构和第二无线系统；所述控制台包括第三无线系统和上位机；

所述基于无人机的无人艇编队巡逻控制系统的控制方法包括：

S01：控制台为无人机和各艘无人艇规划到达任务区的最佳路径，并将无人艇到达任务区后的巡逻路径以及发现可疑目标后驱逐围堵的编队队形存储在无人机微机系统中；

S02：无人机和无人艇按照控制台规划路径到达巡逻海域后，无人机通过第二无线系统向各无人艇发送巡逻路径；

S03：无人艇控制中心根据自身位置、姿态信息以及第一无线系统接收到的巡逻路径通过底层控制中心控制无人艇按照期望路径巡航；

S04：在巡逻过程中，通过雷达检测水面障碍物和可疑目标距离和角度信息，利用摄像头获取巡逻海域的图像信息、利用声呐检测水下可疑目标距离和角度信息实现防潜巡逻；

S05：无人艇的控制中心通过雷达、摄像头、声呐检测到的信息判断是否有可疑目标存在；

1)如果没有可疑目标存在，无人艇通过第一无线系统将自身位置、姿态、巡逻海域图像信息发送到无人机；

2)如果有可疑目标存在，则无人艇通过第一无线系统将自身位置、姿态、巡逻海域图像信息和可疑目标完整信息发送到无人机并标记；

S06：无人机微机系统通过无线系统接收无人艇发送的信息，确认是否存在标记信息；

1)若无标记信息则将接收到的无人艇位置、姿态、无人机飞行高度、巡逻海域图像信息通过第二无线系统发送到上位机进行分析显示，执行S03-S06直至完成规定的巡逻任务；

2)若有标记信息则将接收到的无人艇位置、姿态、无人机飞行高度、巡逻海域图像信息和可疑目标完整信息通过第二无线系统发送到上位机进行分析显示，同时执行S07-S08；

S07：无人机规定各无人艇与可疑目标间的距离和角度，以实现无人艇编队对可疑目标的围堵，同时无人机以可疑目标正上方30米位置为目标点规划路径；

S08：无人机和无人艇编队按照规划路径完成对目标围堵；

1)若目标行驶趋势为巡逻海域外，则无人机、无人艇编队保持围堵队形直至目标离开巡逻海域后，无人机微机系统重新为各无人艇规划巡逻路径，恢复个体巡逻，执行S02-S06；

2)若目标行驶趋势为巡逻海域内，则无人机通过第二无线系统向控制台发送使用无人艇武器系统的申请指令，执行S09；

S09：控制台根据接收到的图像信息分析是否为敌对目标，判断是否使用武器以及是否应援；

1)若为非敌对目标，则控制台通过第三无线系统指挥无人机为各无人艇重新规划路径，恢复个体巡逻，执行S02-S06；

2)若为敌对目标，则控制台通过第三无线系统指挥无人机开启无人艇的武器系统进行攻击，并根据攻击目标情况决定是否支援，直至完成目标驱逐后执行S02-S06。

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