CN113037395B - 一种水上水下跨域无人装备协同作业方法 - Google Patents

Abstract

一种水上水下跨域无人装备协同作业方法，通过搭建包括无人艇、无人潜航器、无人机、指控站的水上水下跨域无人装备协同作业系统，通过联通水下无人潜航器子网络与水上无人艇、无人机子网络，实现了水下声学通信与水上无线电通信两种手段的互通，使得跨域无人装备形成一个协同网络，能够实现多无人艇、无人机、无人潜航器等跨域异构无人装备系统的协同作业，克服了跨域平台机动性的差异，使得跨域无人系统可以按照给定的任务要求，在与地面指控中心实时交互的条件下协同执行任务。

Description

一种水上水下跨域无人装备协同作业方法

技术领域

本发明涉及一种水上水下跨域无人装备协同作业方法，属于海洋探测及测量测绘领域。

背景技术

目前无人装备广泛应用于海上作业任务，并逐步占据重要地位。无人机同域协同技术较为成熟，无人艇和无人潜航器协同技术研究处于起步阶段，但总体上看目前无人装备的协同作业技术研究不够深入，未能真正在协同任务层面开展工作。

跨域无人装备间面临着水上水下跨介质通信难度大，水中通信传输距离近、传输带宽小、误码率高等问题，同时水上水下无人装备机动性能、运行环境等差异大、水下无人装备还面临水中卫星导航拒止，定位精度差的难题，因此现有的海洋无人装备通常针对指定任务在同一空间区域进行作业，跨域无人装备间往往缺少协同，异构无人装备协同作业技术尚处于探索阶段。这样分散的执行任务不能充分共享并利用各无人装备的探测信息，也不能联合使用水上水下无人装备发挥各自的优势，影响了未来海洋无人装备作用效能的进一步提升。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，现有海洋无人装备仅在同一空间区域进行作业，跨域装备缺少协同的问题，提出了一种水上水下跨域无人装备协同作业方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种水上水下跨域无人装备协同作业方法，步骤如下：

(1)构建水上水下跨域无人装备协同作业系统的通信网络，以一艘无人艇为通信主节点，联通水下、水上通信子网络，并统一由水上水下跨域无人装备协同作业系统的指控站进行监控管理；

所述水上水下跨域无人装备协同作业系统包括无人艇、无人潜航器、无人机、指控站；无人艇、无人潜航器、无人机均为无人装备，无人艇、无人机为水上无人装备，无人潜航器为水下无人装备；

(2)水上水下跨域无人装备协同作业系统的无人装备通过通信网络实现信息共享，通信网络内的无人装备通过对应的组网通信方法将状态信息、导航信息、速度信息、探测信息与其它无人装备进行共享；

(3)各无人潜航器通过信息共享获取其它无人装备的位置信息，并结合自身位置信息对其它无人装备位置信息进行处理，对自身定位信息进行修正，增强水下导航性能；

(4)根据预定任务需求、各无人装备作业半径、机动能力、通信能力，通过协同控制算法实时在线调整无人装备的速度及运动方向，规划最优系统协同作业路线，水上水下跨域无人装备开始协同作业，完成预定任务。

所述无人艇、无人机通过通信电台实现组网通信，无人潜航器通过水声通信设备实现组网通信，并通过指控站进行监控管理；无人艇、无人潜航器、无人机分别采用对应控制模型及控制平台进行控制，进行任务规划及协同作业。

所述通信网络中，除主节点外，水面无人装备节点、水下无人装备节点优先级相同。

所述水上水下无人装备均通过一个指控站与各无人装备的对应控制平台配合进行实时监控管理。

所述无人艇、无人潜航器、无人机采用同种协同控制策略，通过指控站对应控制平台运行，进行任务规划及协同作业。

所述步骤(3)中，增强水下导航性能的具体步骤为：

(3-1)利用通信主节点无人艇的位置信息对水下潜航器的位置信息进行修正；

(3-2)以单个无人潜航器进行超短基线水下定位，通过水声通信设备实现组网通信，以单个无人潜航器作为移动信标，各无人潜航器通过询问应答方式接收其他无人潜航器广播信号，获取各无人潜航器至其他移动信标距离，并通过各无人潜航器自身位置传感器测量信息解算自身位置信息；

(3-3)通过各水下无人潜航器自身各导航设备，通过对应水下导航滤波算法、水下导航融合模型，再次进行导航定位修正，增强水下导航性能。

所述各无人装备于通信网络内，可进行实时快速接入或脱离，当某无人装备对应控制平台故障或失联时，可重新进行其他无人装备的任务规划。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种水上水下跨域无人装备协同作业方法，通过联通水下无人潜航器子网络与水上无人艇、无人机子网络，实现了水下声学通信与水上无线电通信两种手段的互通，使得跨域无人装备形成一个协同网络，解决了跨介质通信组网的难题；除主节点外，水面无人装备节点、水下无人装备节点处于同等地位，能够接受某个装备节点的离队或快速接入，可实现无人系统规模的扩充；同时无人装备网络可实现由同一个指控站进行监控管理，提高了水上水下跨域无人装备协同作业的管理效率；

(2)本发明采用将水上水下无人装备形成系统网络的方法，网络内可以实现信息共享，无人潜航器水下卫星导航定位受限导致定位精度低，组网后无人潜航器之间可以共享位置信息，同时利用水声通信设备可以得到无人艇位置信息，基于此两种方式修正水下装备自身定位，并经过导航信息融合得到更加精确地导航信息，解决水下导航精度差的问题，提高无人潜航器作业能力；

(3)本发明综合考虑不同介质中无人装备的机动能力、通信距离与通信速率的差异、探测距离等，实现了可结合任务需求确定水上水下各无人装备最优的作业路线；能够通过实时在线调整各无人装备运行方向、速度等参数，保证无人系统的协调性，实现了水上水下跨域无人装备的协同作业，能够弱化跨域异构无人平台性能差异带来的影响，使无人装备最大程度的发挥自身优势，实现探测测量信息共享，提高了无人装备作业效率与作用效能。

附图说明

图1为发明提供的水上水下跨域无人装备协同作业系统组成图；

图2为发明提供的水上水下跨域无人装备协同作业方法实施流程图；

图3为发明提供的水上水下跨域无人装备通信网络组成图；

图4为发明提供的本发明水上水下跨域无人装备协同作业路线图示意图；

具体实施方式

一种水上水下跨域无人装备协同作业方法，能够实现多无人艇、无人机、无人潜航器等跨域异构无人装备系统的协同作业。使得跨域无人系统可以按照给定的任务要求，在与地面指控中心实时交互的条件下协同执行任务。

协同作业方法的具体步骤如下：

(1)构建水上水下跨域无人装备协同作业系统的通信网络，以一艘无人艇为通信主节点，联通水下、水上通信子网络，并统一由水上水下跨域无人装备协同作业系统的指控站进行监控管理；

所述水上水下跨域无人装备协同作业系统包括无人艇、无人潜航器、无人机、指控站；

水上水下跨域无人装备协同作业系统包括无人艇、无人潜航器、无人机、指控站；无人艇、无人潜航器、无人机均为无人装备，无人艇、无人机为水上无人装备，无人潜航器为水下无人装备；

其中，无人艇、无人机通过通信电台实现组网通信，无人潜航器通过水声通信设备实现组网通信，并通过指控站进行监控管理；无人艇、无人潜航器、无人机分别采用指控站中的对应控制平台运行控制模型；

通信网络中，除主节点外，水面无人装备节点、水下无人装备节点优先级相同；水上水下无人装备均通过一个指控站进行实时监控管理；

无人艇、无人潜航器、无人机均采用同种协同控制策略，通过指控站的对应控制平台运行；

(2)水上水下跨域无人装备协同作业系统的无人装备通过通信网络实现信息共享，通信网络内的无人装备通过对应的组网通信方法将状态信息、导航信息、速度信息、探测信息与其它无人装备进行共享；

(3)各无人潜航器通过信息共享获取其它无人装备的位置信息，并结合自身位置信息对其它无人装备位置信息进行处理，对自身定位信息进行修正，增强水下导航性能；

(4)根据预定任务需求、各无人装备作业半径、机动能力、通信能力，根据协同控制算法实时在线调整无人装备的速度及运动方向，规划最优系统协同作业路线，水上水下跨域无人装备开始协同作业，完成预定任务。

优选的，水上水下跨域无人装备协同作业方法的具体内容包括：

1.水下导航增强相关：

水下导航增强依靠以下方法实现：(1)通过水上水下通信网络，利用主节点无人艇卫星导航信息对水下潜航器位置进行一次修正，使高导航精度平台向低导航精度平台传递；(2)单个无人潜航器可以实现超短基线水下定位，通过水下移动平台的组网实现信息共享，此时可以将单个无人潜航器看作移动的信标，将超短基线定位转换成类似“移动长基线定位”(在多UUV协同导航系统中，当某个UUV需要定位时，其他UUV作为移动信标，待定位的UUV或通过询问应答方式，或通过接收其他UUV广播信号的方式获取其他UUV的导航信息同时进行自身到对应UUV的距离或方位测量，然后结合自身本体传感器的相应量测信息，通过三角形的几何关系解算出自身的位置信息。)实现第二次导航定位修正；(3)提出水下导航滤波算法，建立水下导航融合模型，利用水下无人潜航器自身携带的惯导、DVL、高度计、深度计等导航设备组合，进行第三次导航定位修正，实现水下导航性能增强。

2.协同控制和协同作业相关：这个创新主要体现在“跨域”和“协同”两个词上(以往的协同都是在同一种平台上实现的，本发明是在跨域异构平台间实现的；协同作业是各平台间能够考虑其他平台的探测信息、位置信息等的实时变化来改变自身状态，实现一种团队式作业，来达到最大的作业效能。)

三种跨域无人装备的工作介质、机动性能、通信能力等存在差异，为了实现跨域无人装备的协同控制和协同航路规划，设计了分类网络结构，每个类型的平台组成一个子群，多个子群形成一个完整的协同任务网络；

采用基于动能的速度更新策略改进传统的粒子群算法进行单平台航路规划，以时间协同一致方式进行协同航路规划。每个节点都有航路规划能力，在协同航路规划中，主节点根据任务需求和网络中的信息共享内容进行自身航路规划，并将自身规划路径发送至其他节点，其他节点再次根据其他无人平台节点共享的信息、协同编队构型及自身特性进行规划，进而完成全局的航路规划，同时在作业过程中可以实时进行航路调整。本方法中主节点仅将自身路径规划下发，不进行全局计算，其他节点能够独立计算自身路径，有效克服了集中式航路规划的缺点。

其中，三种无人装备均通过不同的运动控制系统及平台实现控制，而所有无人装备均通过同种协同控制系统进行协同作业。

3.本协同作业方法还具备对跨域无人装备进行在线动态规划的能力。

由于整个系统组成了一个通信网络，可以实现无人平台的快速接入组网和脱离网络，当某个无人平台故障或失联时不影响整个网络。并能够重新进行任务和航路等的规划。

水上水下跨域无人装备协同作业方法可以实现系统的动态任务规划，基于系统通信网络，成员在通信过程中会不断检测网络节点的规模是否发生变化且哪些节点发生了变化。若发生了变化，则表明有成员加入或者离开队伍，然后由离入队判断系统判断该成员是否能够稳定的加入通信或者彻底离开网络，如果是，则根据新的编队对任务规划、航路规划等做出相应调整。

采取基于诚信机制的可解约合同网任务分配方法，设计招投标机制、实现节点的离入队管理。

无人装备失效或临时取消引起的“解约任务”成为动态任务后需要重新进行调度，为使任务安排具有一致性且考虑无人装备执行的稳定性，求解策略为原方案与现方案变动最小、重新规划任务的成本最小。根据多跨域无人平台技术与合同网特点，设计基于诚信的招投标机制时，将决策敏捷的无人装备映射为招标方，成员无人装备映射为投标方，采用密封式报价和公开招标的形式展开。

其中，主节点设置为招标方，其他节点设置为投标方。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

在本实施例中，如图1所示，该水上水下跨域无人装备协同作业系统实施例由3艘无人艇USV-1-3、3艘无人潜航器UUV-4-6、1架无人机UAV-7、一个指控站8组成，系统可以利用卫星实现导航、通信等功能。其中无人艇1-3采用同一种平台运行控制模型、无人潜航器4-6采用同一种平台运行控制模型，无人机7采用一种平台运行控制模型。三种控制模型由于无人平台性能差异与运行介质差异而不同；无人系统无人装备1-7由指控站8统一监控管理，采用一种协同控制策略完成三种模型的协调匹配。

如图2所示，为一种水上水下跨域无人装备协同作业的方法具体实施流程图，针对图1实施例系统的主要步骤如下：

步骤一：构建由三艘无人艇1-3、三艘无人潜航器4-6、一架无人机7和一个指控站8组成的水上水下跨域无人装备之间的跨介质通信网络；

通信网络具体实施措施如图3所示，水上三艘无人艇1-3和一架无人机7形成一个水上无线电通信子网络，水下三艘无人潜航器4-6形成一个水下水声通信子网络。如图1所示，其中一艘无人艇1同时无线电通信设备和水声通信设备，以其作为通信主节点，联通水下水声通信子网络与水上无线电通信子网络，本通信网络可以实现某个无人平台的离队与快速接入功能，并由同一个指控站8统一监控管理。

所述水上无线电通信子网络由无人平台搭载的组网电台实现，组网电台的性能参数需要根据任务要求的区域范围大小确定，本实施例中选用的组网电台通信距离大于20km，通信速率大于2Mbps@20km；组网电台天线安装高度由通信距离等限制因素确定；子系统以无人机载组网电台为高空通信中继，实现水上远距离无线电通信组网。

所述水下水声通信子网络由无人平台搭载的水声通信设备实现，本实施例中选用的水声通信设备通信距离大于1.5km，通信速率大于20kbps@1.5km，同时水声通信设备具备定位功能。

所述指控站8可以通过组网电台实现对无人系统的监控管理，当距离超过通信距离时可以采用卫星通信实现远距离监控管理。

步骤二：上述水上水下跨域无人装备通信网络内实现信息共享，所述信息共享指通信网络内的各无人装备可以通过组网通信手段实现自身状态信息、导航信息、速度信息、探测信息等的实时交互。

本实施例中水上水下跨域无人装备若要实现协同作业，需要将各个无人装备的速度信息、位置信息、方向信息、平台状态信息等进行共享，各无人装备接收并利用相关信息调整自身状态；此外，水上水下跨域无人装备协同执行任务时其探测信息需要进行共享，所有无人平台利用已有探测信息可以大大提高工作效率。

步骤三：

由于水下无人潜航器处于卫星导航拒止环境，导航定位精度严重下降，影响到水下无人潜航器的协同作业性能。通过上述信息共享，水下水声通信子网络中任意一个无人潜航器可以得到水下水声通信子网络中其他无人潜航器和水上无线电通信子网络中各无人装备的位置信息。此时可以形成水下导航增强子网络和水面-水下导航增强子网络。

本实施例中如图1所示，所述水下导航增强子网络包括三艘无人潜航器4-6；所述水面-水下导航增强子网络包括三艘无人潜航器4-6及一艘无人艇1。

水下导航增强子网络中无人潜航器可以综合利用网络中其他各装备的位置信息，对自身位置信息进行修正；水面-水下导航增强子网络利用水声通信设备的定位功能得到主节点无人艇1的位置信息，进而利用卫星导航信息提高自身导航能力，完成对自身定位的修正，实现水下导航增强功能得到更精确的定位。

步骤四：

通过上述信息共享与水下导航增强，针对水上水下跨域异构无人装备的机动能力与通信能力的差异，同时考虑无人装备作业半径，根据协同控制算法实时在线调整无人装备的速度和运动方向等参数，规划出最优的系统协同作业路线，实现水上水下跨域无人装备的协同作业功能。

本实施例中无人机在空中运行，其机动性最好，运行速度最快，速度为65km/h；无人艇潜航器在水中运行，其机动性最差，运行速度最慢，速度为4kn；无人艇在水面运行，其机动性和运行速度均位于无人机和无人潜航器之间，速度为12kn。

本实施例中，水声通信距离为1.5km，组网电台通信距离为20km，无人装备探测半径大于500m。

本实施例综合考虑以上因素，为了保证组网通信同时兼顾探测作业能力，规划出最优的作业路径，所有路线尺寸由上述限制条件共同确定。本实施例规划出的各无人装备的最优探测路径如图4所示。其中无人潜航器运行轨迹为粗直虚线箭头表示，沿一个方向直线运行；无人艇运行轨迹为实线箭头表示，沿着图示进行“S”型轨迹运行；无人机运行轨迹为细虚线箭头表示，沿着图示轨迹盘旋前进。

如图4所示，规划后的作业路径保证无人艇与无人潜航器在前进方向速度保持一致，齐头并进的方式可以确保无人艇与无人潜航器的水声通信联通。

如图4所示，无人艇运行“S”型轨迹，横向距离为2km，纵向距离为2km，无人艇轨迹中线间距3km；无人潜航器轨迹间距1km；无人机运行轨迹横向为9km左右，盘旋前进每条横向轨迹间距为2km左右。所有距离可以根据具体情况完成在线调整。

水上水下跨域无人装备按照规划出的最优轨迹协同作业，对任务区域进行探测或测量作业直至完成预定任务。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种水上水下跨域无人装备协同作业方法，其特征在于步骤如下：

(1)构建水上水下跨域无人装备协同作业系统的通信网络，以一艘无人艇为通信主节点，联通水下、水上通信子网络，并统一由水上水下跨域无人装备协同作业系统的指控站进行监控管理；

所述水上水下跨域无人装备协同作业系统包括无人艇、无人潜航器、无人机、指控站；无人艇、无人潜航器、无人机均为无人装备，无人艇、无人机为水上无人装备，无人潜航器为水下无人装备；

(2)水上水下跨域无人装备协同作业系统的无人装备通过通信网络实现信息共享，通信网络内的无人装备通过对应的组网通信方法将状态信息、导航信息、速度信息、探测信息与其它无人装备进行共享；

(3)各无人潜航器通过信息共享获取其它无人装备的位置信息，并结合自身位置信息对其它无人装备位置信息进行处理，对自身定位信息进行修正，增强水下导航性能；

(4)根据预定任务需求、各无人装备作业半径、机动能力、通信能力，通过协同控制算法实时在线调整无人装备的速度及运动方向，规划最优系统协同作业路线，水上水下跨域无人装备开始协同作业，完成预定任务；

所述无人艇、无人机通过通信电台实现组网通信，无人潜航器通过水声通信设备实现组网通信，并通过指控站进行监控管理；无人艇、无人潜航器、无人机分别采用对应控制模型及控制平台进行控制，进行任务规划及协同作业；

所述通信网络中，除主节点外，水面无人装备节点、水下无人装备节点优先级相同；

水上水下无人装备均通过一个指控站与各无人装备的对应控制平台配合进行实时监控管理；

所述无人艇、无人潜航器、无人机采用同种协同控制策略，通过指控站对应控制平台运行，进行任务规划及协同作业；

所述步骤(3)中，增强水下导航性能的具体步骤为：

(3-1)利用通信主节点无人艇的位置信息对水下潜航器的位置信息进行修正；

(3-2)以单个无人潜航器进行超短基线水下定位，通过水声通信设备实现组网通信，以单个无人潜航器作为移动信标，各无人潜航器通过询问应答方式接收其他无人潜航器广播信号，获取各无人潜航器至其他移动信标距离，并通过各无人潜航器自身位置传感器测量信息解算自身位置信息；

(3-3)通过各水下无人潜航器自身各导航设备，通过对应水下导航滤波算法、水下导航融合模型，再次进行导航定位修正，增强水下导航性能；

所述各无人装备于通信网络内，可进行实时快速接入或脱离，当某无人装备对应控制平台故障或失联时，可重新进行其他无人装备的任务规划；

所述增强水下导航具体为：

(1)通过水上水下通信网络，利用主节点无人艇卫星导航信息对水下潜航器位置进行一次修正，使高导航精度平台向低导航精度平台传递；(2)单个无人潜航器实现超短基线水下定位，通过水下移动平台的组网实现信息共享，此时将单个无人潜航器看作移动的信标，将超短基线定位转换后实现第二次导航定位修正；(3)提出水下导航滤波算法，建立水下导航融合模型，利用水下无人潜航器自身携带的惯导、DVL、高度计、深度计导航设备组合，进行第三次导航定位修正，实现水下导航性能增强；

其中，无人艇同时作为无线电通信设备和水声通信设备，作为通信主节点，联通水下水声通信子网络与水上无线电通信子网络，所述水上无线电通信子网络由无人平台搭载的组网电台实现，组网电台的性能参数需要根据任务要求的区域范围大小确定，组网电台通信距离大于20km，通信速率大于2Mbps；组网电台天线安装高度由通信距离限制因素确定；子系统以无人机载组网电台为高空通信中继，实现水上远距离无线电通信组网；

所述水下水声通信子网络由无人平台搭载的水声通信设备实现，本实施例中选用的水声通信设备通信距离大于1.5km，通信速率大于20kbps，同时水声通信设备具备定位功能。

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