CN112433538B - 一种auv编队方法、系统及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种AUV编队方法，涉及航行器应用技术领域，该方法包括获取各AUV的具体位置信息，其中所述具体位置信息是水面上的载体通过水声通讯机测量得到的；根据所述具体位置信息对所述AUV进行编队和发送指令。通过水面上载有水声通讯机的载体获取各AUV的具体位置信息，根据所述具体位置信息对所述AUV进行编队和发送指令，减免水下复杂环境对通讯的影响，解决了在复杂海况下由于通讯高延迟、高丢包率造成的编队形成困难问题。

Description

一种AUV编队方法、系统及存储介质
技术领域
本发明涉及水下航行器应用技术领域，尤其涉及一种AUV编队方法、系统及存储介质。
背景技术
AUV习惯称为自主式水下潜器(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)，现有技术中在进行编队任务时，一般是由AUV与控制中心直接通讯，由于水下环境复杂多变，水下通讯一般存在着延迟高、频率低、丢包率高、带宽窄等特点，不利于AUV编队的维持和形成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种AUV编队方法，能够在复杂水况下解决由于通讯延迟、高丢包率造成的编队形成问题，以及某一AUV节点通讯丢失时的编队保持问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种AUV编队方法，包括以下步骤：
获取各AUV的具体位置信息，其中所述具体位置信息是水面上的载体通过水声通讯机测量得到的；
根据所述具体位置信息及相对位置信息对所述AUV进行编队和发送指令。
可选地，所述方法还包括：
获取各AUV之间的相对位置信息，其中，所述相对位置信息是所述AUV通过自带的水声通讯机测量得到的；
根据所述相对位置信息计算出下一时刻AUV的目标坐标信息。
可选地，根据所述具体位置信息及相对位置信息对所述AUV进行编队和发送指令包括：
当发送指令为按照轨迹航行时，各个AUV相互之间不进行通讯，按照轨迹航行，其中，所述轨迹是预先规划的；
当发送指令为改变轨迹航行时，随机指定第一AUV作为领航，第二AUV通过水声通讯机测出自身相对于第一AUV的相对位置信息并计算出自身目标的坐标信息，并作为自身控制器的输入；第三AUV通过水声通讯机测出自身相对于第二AUV的相对位置信息并计算出自身目标的坐标信息，并作为自身控制器的输入；依次类推，第i个AUV通过水声通讯机测出自身相对于第i-1个AUV的相对位置信息并计算出自身目标的坐标信息，并作为自身控制器的输入；
当编队中某一个AUV发生故障时，将其后所有的AUV的编号都减1，以继续完成编队的动作。
可选地，获取各AUV的相对位置信息包括：
通过所述AUV自带的水声通讯机测出各AUV之间的相对位置信息；
通过各AUV之间的相对位置信息计算出各个AUV在地面坐标系中的位置信息。
可选地，获取各AUV的具体位置信息包括：
水面上的载体通过水声通讯机依次向编队中的各个AUV发送测距信号，更新所述载体距离各个AUV的距离信息。
可选地，预先规划轨迹的方法包括：
AUV与所述任务中心建立通讯连接，将航线信息预置到各AUV的导航和控制计算机中。
可选地，计算出自身目标的坐标信息包括：
利用AUV自身的水声通讯机测出第i个AUV与第i-1个AUV之间的相对距离，则第i个AUV的航迹规划器输入为与AUVi-1的实时相对位置，航迹规划器通过AUVi-1坐标为参考，计算出第i个AUV的目标坐标为：
Figure BDA0002798765340000021
Figure BDA0002798765340000031
Figure BDA0002798765340000032
第二方面，本发明实施例提供了一种对AUV进行编队的系统，包括：
第一位置信息获取模块，用于获取各AUV的具体位置信息，其中所述具体位置信息是水面上的载体通过水声通讯机测量得到的；
处理模块，用于根据所述AUV的位置信息对所述AUV进行编队和发送指令。
可选地，所述系统包括：
第二位置信息获取模块，用于获取各AUV之间的相对位置信息，其中，所述相对位置信息是所述AUV通过自带的水声通讯机测量得到的；
计算模块，用于根据所述相对位置信息计算出下一时刻AUV的目标坐标信息。
可选地，所述处理模块包括：
第一执行单元，用于执行按照轨迹航行的指令，各个AUV相互之间不进行通讯，按照轨迹航行，其中，所述轨迹是预先规划的；
第二执行单元，用于执行改变轨迹航行的指令，随机指定第一AUV作为领航；第二AUV通过水声通讯机测出自身相对于第一AUV的相对位置信息并计算出自身目标的坐标信息，并作为自身控制器的输入；第三AUV通过水声通讯机测出自身相对于第二AUV的相对位置信息并计算出自身目标的坐标信息，并作为自身控制器的输入；依次类推，第i个AUV通过水声通讯机测出自身相对于第i-1个AUV的相对位置信息并计算出自身目标的坐标信息，并作为自身控制器的输入；
可选地，所述第二位置信息获取模块包括：
测量单元，用于测出各AUV之间的相对位置信息；
计算单元，用于通过获得的各AUV之间的相对位置信息计算出各个AUV在地面坐标系中的位置信息。
第三方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序用于：执行上述的AUV编队方法。
有益效果
为了使AUV在水下通讯环境复杂的情况下(不能进行实时且频繁的通讯)进行编队任务时，能够形成并保持目标编队。本发明提出了一种AUV编队方法，通过水面上载有水声通讯机的载体获取各AUV的具体位置信息，根据所述具体位置信息对所述AUV进行编队和发送指令，减免水下复杂环境对通讯的影响，解决了在复杂海况下由于通讯高延迟、高丢包率造成的编队形成问题。
附图说明
图1为本发明AUV编队方法一种实施例的流程图；
图2为本发明AUV编队方法另一种实施例的流程图；
图3为本发明对AUV编队的系统一种实施例的结构框图；
图4为本发明对AUV编队的系统另一种实施例的结构框图；
图5为本发明一种实施例AUV编队的系统中处理模块的结构框图；
图6为本发明一种实施例AUV编队的系统中第二位置信息获取模块的结构框图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"内"、"外"、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或系统必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：
本发明的目的在于提供一种AUV编队方法，能够在复杂水况下解决由于通讯延迟、高丢包率造成的编队形成困难问题。
图1示出了一种AUV编队方法一种实施例的流程图，本实施例提供了一种AUV编队方法，如图1所示，包括以下步骤：
S20、获取各AUV的具体位置信息，其中所述具体位置信息是水面上的载体通过水声通讯机测量得到的；
S40、根据所述具体位置信息及相对位置信息对所述AUV进行编队和发送指令。
本实施例提出了一种AUV编队方法，水面上的载体通过水声通讯机测量获取各AUV的具体位置信息，根据所述AUV的具体位置信息对所述AUV进行编队和发送指令，采用测距技术代替直接通讯，解决了在水下通讯不畅时AUV的编队队形形成及保持问题。
具体地，S20步骤的执行主体可以为水上载有水声通讯机和GPS的无人船，执行主体具体不做限定，通讯方式可以采取无线通讯；
图2示出了一种AUV编队方法一种实施例的流程图，本实施例提供了一种AUV编队方法，如图2所示，所述AUV编队方法还包括：
S60、获取各AUV之间的相对位置信息，其中，所述相对位置信息是所述AUV通过自带的水声通讯机测量得到的；
S80、根据所述相对位置信息计算出下一时刻AUV的目标坐标信息。
具体地，当发送指令为按照轨迹航行时，各个AUV相互之间不进行通讯，按照轨迹航行，其中，所述轨迹是预先规划的，预先规划轨迹的方法包括：
AUV与所述任务中心建立通讯连接，将航线信息预置到各AUV的导航和控制计算机中；
当发送指令为改变轨迹航行时，
可以随机指定第一AUV作为领航，第二AUV通过水声通讯机测出自身相对于第一AUV的相对位置信息并计算出自身目标的坐标信息，并作为自身控制器的输入；第三AUV通过水声通讯机测出自身相对于第二AUV的相对位置信息并计算出自身目标的坐标信息，并作为自身控制器的输入；依次类推，第i个AUV通过水声通讯机测出自身相对于第i-1个AUV的相对位置信息并计算出自身目标的坐标信息，并作为自身控制器的输入；
当编队中某一个AUV发生故障时，将其后所有的AUV的编号都减1，以继续完成编队的动作；
当完成指令后，各AUV的通讯终止。
下面通过具体实施例对其有益效果进行说明：
假设编队内有i个AUV，将各AUV编号为AUV1，AUV2，....，AUVi。
当地面站发出保持队形航行的任务指令时，各个AUV按照预先设计的轨迹航行，不进行相互之间的通讯.
当地面站和任务计算机下放编队转弯或者队形转换指令时，随机指定一个AUV作为领航，设为AUV1。
AUV2通过自身的水声通讯机的测距功能测出自身对于AUV1的相对位置。
AUV2通过位置解算器计算出自身目标的坐标信息，并作为自身控制器的输入。
AUV3再通过自身的水声通讯机的测距功能测出自身对于AUV2的相对位置。
AUV3再通过位置解算器计算出自身目标的坐标信息，并作为自身控制器的输入。
依次类推，AUVi通过自身的水声通讯机的测距功能测出自身对于AUVi-1的相对位置信息。
AUVi再通过位置解算器计算出自身目标的坐标信息，并作为自身控制器的输入，形成一个链型的通讯拓扑结构。
当编队中某一个AUV发生故障时，只需将其后面所有的AUV的编号都减1，可以继续完成编队的动作。
当编队完成后，各AUV的通讯终止，继续各自沿各自预先目标轨迹航行。
具体地，获取各AUV的具体位置信息包括：
水面上的载体通过水声通讯机依次向编队中的各个AUV发送测距信号，
更新所述载体距离各个AUV的距离信息。
具体地，计算出自身目标的坐标信息信息的计算方法为：
利用水声通讯机测出第i个AUV与第i-1个AUV之间的相对距离，则第i个AUV的航迹规划器输入为与AUVi-1的实时相对位置，航迹规划器通过AUVi-1坐标为参考，计算出第i个AUV的目标坐标即航迹规划器的输出为：
Figure BDA0002798765340000071
Figure BDA0002798765340000072
Figure BDA0002798765340000073
当编队中某一个AUV发生故障，从而失去其通讯时，具体技术方案为：
假设编队中的AUVk发生故障，那么AUVk+1在之后的编队中就变为AUVk，AUVk利用水声通讯机的测距功能测出与AUVk-1之间的相对距离，AUVk通过位置解算器计算出自身目标的坐标信息，并作为自身控制器的输入；
AUVk+2在之后的编队中就变为AUVk+1；
AUVk+1利用自身的水声通讯机的测距功能测出与AUVk之间的相对距离；
AUVk+1通过位置解算器计算出自身目标的坐标信息，并作为自身控制器的输入。
其余编队中的AUV依次类推，继续完成编队任务。
本实施例通过水声通讯机获取各AUV的位置信息，向任务处理中心发送所述AUV的位置信息，所述任务处理中心根据所述AUV的位置信息对所述AUV进行编队和发送指令，解决了在水下通讯不畅时AUV的编队队形形成及保持问题，并且通过合理规划编队中的AUV的测距顺序，给出了解决某一AUV节点通讯失效时的解决方法。
本发明实施例还提供了一种对AUV进行编队的系统，如图3所示，所述系统包括：
第一位置信息获取模块20，用于获取各AUV的具体位置信息，其中所述具体位置信息是水面上的载体通过水声通讯机测量得到的；
处理模块40，用于根据所述AUV的位置信息对所述AUV进行编队和发送指令。
本实施例提出了一种AUV编队系统，水面上的载体通过水声通讯机测量获取各AUV的具体位置信息，根据所述AUV的具体位置信息对所述AUV进行编队和发送指令，采用测距技术代替直接通讯，解决了在水下通讯不畅时AUV的编队队形形成及保持问题。
作为优选，如图4所示，所述系统还包括：
第二位置信息获取模块60，用于获取各AUV之间的相对位置信息，其中，所述相对位置信息是所述AUV通过自带的水声通讯机测量得到的；
计算模块80，用于根据所述相对位置信息计算出下一时刻AUV的目标坐标信息。
优选地，如图5所示所述处理模块40包括：
第一执行单元401，用于执行按照轨迹航行的指令，各个AUV相互之间不进行通讯，按照轨迹航行，其中，所述轨迹是预先规划的；
第二执行单元402，用于执行改变轨迹航行的指令；
执行改变轨迹航行的指令时，由处理模块40随机指定第一AUV作为领航；第二位置信息获取模块60获取第二AUV与第一AUV之间的相对位置信息，由计算模块80根据所述相对位置信息计算出下一时刻第二AUV的目标坐标信息，并作为自身控制器的输入同理，第二位置信息获取模块60获取第i个AUV与第i-1个AUV之间的相对位置信息，由计算模块80根据所述相对位置信息计算出下一时刻第i个AUV的目标坐标信息，并作为自身控制器的输入；
当编队中某一个AUV发生故障时进行处理，将其后所有的AUV的编号都减1，以继续完成编队的动作。
具体地，如图6所示，所述第二位置信息获取模块60包括：
测量单元601，用于测出各AUV之间的相对位置信息；
计算单元602，用于通过获得的各AUV之间的相对位置信息计算出各个AUV在地面坐标系中的位置信息。
对AUV进行编队的系统还可以包括传输模块，用于对AUV位置信息数据向地面站传输，传输方式可通过无线方式。
下面以一具体的实施例说明对AUV进行编队的系统的有益效果：
需要说明的是，本实施例中，第一位置信息获取模块20可以包括，水上载有水声通讯机和GPS的无人船，处理模块40包括，数据计算机和地面站，根据所述AUV的位置信息对所述AUV进行编队和发送指令，第二位置信息获取模块60包括编队中的AUV自带的水声通讯机，计算模块80根据所述相对位置信息计算出下一时刻AUV的目标坐标信息。具体步骤如下：
1.初始化整个AUV编队，编队中的AUV在初始时刻保持在同一深度；
2.无人船依次向编队中的各个AUV发送测距信号，更新距离各个AUV的距离信息；其中，所述第一位置信息获取模块20可以为载有水声通讯机和GPS的无人船，执行主体具体不做限定，通讯方式可以采取无线通讯；
3.处理模块40根据所述AUV的具体位置信息对所述AUV进行编队和发送指令；
所述当AUV编队收到第一执行单元401指令进行普通定速航行时，各AUV按照原来规划轨迹航线航行，具体为：
各AUV通过WiFi或者数据连接等方式连接地面站和任务计算机，将航线信息预置到各AUV的导航和控制计算机中。
所述AUV编队收到第二执行单元402指令改变航线轨迹时，假定AUV1为机动发起者，第i个AUV利用水声通讯机的测距功能测出与第i-1个AUV之间的相对距离。
第i个AUV的航迹规划器输入为与AUVi-1的实时相对位置。
航迹规划器通过AUVi-1坐标为参考，计算出第i个AUV的目标坐标即航迹规划器的输出为：
其中，计算出自身目标的坐标信息信息，并作为自身控制器的输入包括：
利用水声通讯机测出第i个AUV与第i-1个AUV之间的相对距离，则第i个AUV的航迹规划器输入为与AUVi-1的实时相对位置，航迹规划器通过AUVi-1坐标为参考，计算出第i个AUV的目标坐标即航迹规划器的输出为：
Figure BDA0002798765340000101
Figure BDA0002798765340000102
Figure BDA0002798765340000103
故AUVi的航迹规划器的输出为：
GPS_x(i)＝GPS_x(i-1)+l_x(1，i-1)
GPS_y(i)＝GPS_y(i-1)+l_y(1，i-1)
GPS_z(i)＝GPS_z(i-1)+l_z(1，i-1)
当编队中某一个AUV发生故障，从而失去其通讯时，将其后所有的AUV的编号都减1，具体技术方案为：
不妨假设编队中的AUVk发生故障，那么AUVk+1在之后的编队中就变为AUVk。
AUVk利用水声通讯机的测距功能测出与AUVk-1之间的相对距离；
AUVk通过位置解算器计算出自身目标的坐标信息，并作为自身控制器的输入；
AUVk+2在之后的编队中就变为AUVk+1；
AUVk+1利用水声通讯机的测距功能测出与AUVk之间的相对距离；
AUVk+1通过位置解算器计算出自身目标的坐标信息，并作为自身控制器的输入。
其余编队中的AUV依次类推，继续完成编队任务。
本实施例通过第一位置信息获取模块20获取各AUV的位置信息，并向处理模块发送所述AUV的位置信息，所述处理模块根据所述AUV的位置信息对所述AUV进行编队和发送指令，解决了在水下通讯不畅时AUV的编队队形形成及保持问题，并且通过合理规划编队中的AUV的测距顺序，给出了解决某一AUV节点通讯失效时的解决方法。
本申请还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中对AUV进行编队的系统中所包含的计算机可读存储介质；也可以是单独存在，未装配入电子设备中的计算机可读存储介质。计算机可读存储介质存储有一个或者一个以上程序，所述程序被一个或者一个以上的处理器用来执行描述于本申请的AUV进行编队的方法。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种AUV编队方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取各AUV的具体位置信息，其中所述具体位置信息是水面上的载体通过水声通讯机测量得到的；
根据所述具体位置信息对所述AUV进行编队和发送指令；获取各AUV的具体位置信息包括：
水面上的载体通过水声通讯机依次向编队中的各个AUV发送测距信号，更新所述载体距离各个AUV的距离信息；
获取各AUV之间的相对位置信息，其中，所述相对位置信息是所述AUV通过自带的水声通讯机测量得到的；
根据所述相对位置信息计算出下一时刻AUV的目标坐标信息；
当发送指令为改变轨迹航行时，根据所述相对位置信息计算出下一时刻目标坐标信息，具体包括：
随机指定第一AUV作为领航，第二AUV通过水声通讯机测出自身相对于第一AUV的相对位置信息并根据所述相对位置计算出下一时刻自身目标的坐标信息，作为自身控制器的输入；第三AUV通过水声通讯机测出自身相对于第二AUV的相对位置信息并根据所述相对位置计算出下一时刻自身目标的坐标信息，作为自身控制器的输入，依次类推，第i个AUV通过水声通讯机测出自身相对于第i-1个AUV的相对位置信息并根据所述相对位置计算出下一时刻自身目标的坐标信息，作为自身控制器的输入；
当发送指令为按照轨迹航行时，各个AUV相互之间不进行通讯，按照轨迹航行，其中，所述轨迹是预先规划的。
2.根据权利要求1所述的AUV编队方法，其特征在于，根据所述相对位置信息计算出下一时刻目标坐标信息的计算方法包括：
利用AUV自身的水声通讯机测出第i个AUV与第i-1个AUV之间的相对距离，则第i个AUV的航迹规划器输入为与AUVi-1的实时相对位置，航迹规划器通过AUVi-1坐标为参考，计算出第i个AUV的目标坐标为：
Figure FDA0004123981010000021
Figure FDA0004123981010000022
Figure FDA0004123981010000023
3.一种对AUV进行编队的系统，其特征在于，包括：
第一位置信息获取模块，用于获取各AUV的具体位置信息，其中所述具体位置信息是水面上的载体通过水声通讯机测量得到的；
处理模块，用于根据所述AUV的位置信息对所述AUV进行编队和发送指令；
第二位置信息获取模块，用于获取各AUV之间的相对位置信息，其中，所述相对位置信息是所述AUV通过自带的水声通讯机测量得到的；
计算模块，用于根据所述相对位置信息计算出下一时刻AUV的目标坐标信息；
所述第一位置信息获取模块具体包括：
水面上的载体通过水声通讯机依次向编队中的各个AUV发送测距信号，更新所述载体距离各个AUV的距离信息；
所述处理模块包括：
第一执行单元，用于执行按照轨迹航行的指令，各个AUV相互之间不进行通讯，按照轨迹航行，其中，所述轨迹是预先规划的；
第二执行单元，用于执行改变轨迹航行的指令；
执行改变轨迹航行的指令时，由处理模块随机指定第一AUV作为领航；第二位置信息获取模块获取第二AUV与第一AUV之间的相对位置信息，由计算模块根据所述相对位置信息计算出下一时刻第二AUV的目标坐标信息，并作为自身控制器的输入同理，第二位置信息获取模块获取第i个AUV与第i-1个AUV之间的相对位置信息，由计算模块根据所述相对位置信息计算出下一时刻第i个AUV的目标坐标信息，并作为自身控制器的输入。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二位置信息获取模块包括：
测量单元，用于测出各AUV之间的相对位置信息；
计算单元，用于通过获得的各AUV之间的相对位置信息计算出各个AUV在地面坐标系中的位置信息。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序用于：执行权利要求1-2任一项所述的AUV编队方法。
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Citations (6)

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