CN114995470B - 一种基于无人船的有人和无人潜水器协同作业系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无人船的有人和无人潜水器协同作业系统及方法，涉及海洋工程与装备技术领域，作业系统包括：载人潜水器支持母船、无人船、载人潜水器以及AUV集群；所述载人潜水器支持母船用于向所述无人船发送控制指令，控制所述无人船工作；所述无人船用于对所述AUV集群进行实时监控，并将监控数据传输至所述母船，所述无人船还用于跟随所述AUV集群移动。本发明中的上述系统可以在较好的海况条件下，利用无人船解放载人潜水器支持母船，实现较大范围内载人潜水器和AUV的同步下潜作业。

Description

一种基于无人船的有人和无人潜水器协同作业系统及方法

技术领域

本发明涉及海洋工程与装备技术领域，特别是涉及一种基于无人船的有人和无人潜水器协同作业系统及方法。

背景技术

潜水器是深海科学研究和考察作业必不可少的运载装备，可以在恶劣的海洋环境中完成指定任务。自上世纪五十年代第一艘潜水器建成以来，人们已开发出各种类型的潜水器以满足不同的应用需求。潜水器可分为载人潜水器和无人潜水器。载人潜水器能够快速、准确地将人类运送到海底，在深海作业中可以充分发挥人类的智慧。自主水下航行器(AUV)适合于海洋的大规模扫测，由自身携带的电池供电，并通过预先编程设置水下任务。水下滑翔机(AUG)使用净浮力和姿态角调整来获得推进力，能量消耗极低，非常适合长期和大规模的海洋观测。上述各类潜水器已广泛应用于海洋科学研究、海洋工程作业、资源环境调查和军事领域。

随着海洋工程与装备技术的不断进步，各类潜水器的水下作业能力越来越强。然而，当面对大范围且对时效性要求较高的任务时，单一类型或单台潜水器是无法满足要求的，往往需要同类或不同类潜水器相互协同作业才能完成。潜水器水下协同作业时，它们利用水声通信、无线电通信和卫星通信作为信息交换方式，相互协作完成指定任务。潜水器协同作业技术有助于突破单一潜水器作业效率的限制，实现各种潜水器作业能力的差异化配置，是执行复杂水下任务的有效途径。目前，潜水器水下协同作业主要是指多AUV协同和多AUG协同，研究主要集中在编队控制、任务分配、路径规划和协同导航。以多AUV/AUG为代表的无人潜水器协同作业技术已经比较成熟，并应用于台风/飓风观测、中尺度涡流观测、热液羽流探测、海底地形探测和快速目标搜索等。

然而，AUV/AUG对水下环境的感知和自主理解能力并不能取代人类的思考和判断，难以满足无人潜水器在复杂水下环境中的高度自主性和智能化要求。因此，仅依靠无人潜水器往往无法在指挥和决策中迅速做出最优决策。在大多数任务中，AUV/AUG无法完全消除“人在回路”的状态。另一方面，载人潜水器属于大型潜水器，需要专门的载人潜水器支持母船。目前在执行载人潜水器下潜作业时，母船需要全程跟随载人潜水器，保障其水下作业安全。虽然船上也可以搭载AUV等其他类型的潜水器，但是载人潜水器和AUV采用分时段下潜作业的方法，即载人潜水器下潜时，AUV不下潜；AUV下潜时，载人潜水器不下潜。因此，载人潜水器和AUV尚未实现同时下潜协同作业。这也制约了整个航次作业效率的提高。

因此，在未来的水下作业中，需要重视有人/无人潜水器的协同作业，以克服纯无人潜水器集群的不足。与纯无人潜水器协同作业相比，有人/无人潜水器协同中人机智能与机器智能的并行交互与融合，有利于实现有人与无人潜水器的双向互补。由于全球正常使用的深海作业型载人潜水器数量非常有限，人们尚未开展载人潜水器和AUV协同作业相关研究。因此，如何利用同一艘母船，在较大范围(如几十-100海里，1海里约为1.852千米)内实现载人潜水器和AUV同步下潜作业，提高整个航次的作业效率，是载人深潜科考领域迫切需要解决的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无人船的有人和无人潜水器协同作业系统及方法，可以在较好的海况条件下，利用无人船解放母船，实现较大范围内载人潜水器和AUV的同步下潜作业。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于无人船的有人和无人潜水器协同作业系统，所述作业系统包括：

母船、无人船、载人潜水器以及AUV集群；

所述母船用于向所述无人船发送控制指令，控制所述无人船工作；

所述无人船用于对所述AUV集群进行实时监控，并将监控数据传输至所述母船，所述无人船还用于跟随所述AUV集群移动。

可选的，所述无人船包括：天基通信系统、卫星定位系统、水声通信系统、无人值守控制系统以及自动驾驶系统；

所述天基通信系统分别与所述无人值守控制系统和所述自动驾驶系统连接，所述天基通信系统通过通信卫星与所述母船建立实时通信，实现数据传输、指令下达；

所述卫星定位系统与所述水声通信系统、无人值守控制系统以及自动驾驶系统连接，所述卫星定位系统用于实时获取无人船的位置，并进行高精度授时；

所述水声通信系统与所述无人值守控制系统和自动驾驶系统连接，所述水声通信系统用于实时接收来自AUV集群的水声通信信息，实现无人船和AUV集群之间信息传输；

所述无人值守控制系统分别与所述天基通信系统、卫星定位系统、水声通信系统以及自动驾驶系统连接，所述无人值守控制系统用于将水声通信系统接收到的AUV集群信息和无人船自身信息进行处理，并将处理后的信息通过所述天基通信系统发送至母船，所述无人值守控制系统还用于将通过所述天基通信系统接收来自母船的信息进行处理，并将经过处理后的信息发送至AUV集群或无人船自动驾驶系统；

所述自动驾驶系统与所述卫星定位系统和无人值守控制系统连接，所述自动驾驶系统用户根据所述卫星定位系统获取自身位置，并结合AUV集群位置、母船指令以及水面海、浪、流信息自主规划船舶的运动状态参数，保持无人船守船处于低功耗状态。

可选的，所述水声通信信息包括：状态信息和探测信息。

可选的，所述运动状态参数包括：船舶的航向和航速。

基于本发明中的上述系统，本发明另外提供一种基于无人船的有人和无人潜水器协同作业方法，所述作业方法包括：

母船搭载载人潜水器、无人船、AUV集群航行到AUV集群作业区域A，将无人船和AUV集群布放入水；

AUV集群开始下潜，无人船通过水声通信与AUV集群建立通信链路后，无人船水声通信系统广播水声信号，AUV集群接收到所述水声信号后进行辅助导航，AUV集群每隔一定时间间隔向上发送水声通信信号；

无人船处于自动驾驶状态；

母船通过天基通信系统与无人船建立通信链路后，水面指挥人员实时监控无人船和AUV集群状态，并根据需要下发控制指令；

母船搭载载人潜水器航渡至另一个下潜点B，执行载人潜水器下潜作业；

母船将载人潜水器布放入水后，母船上的水声通信系统与载人潜水器建立通信链路，实时监控载人潜水器状态信息；水声定位系统实时跟踪载人潜水器位置；

载人潜水器水下作业任务完成后，母船回收载人潜水器；

母船搭载载人潜水器航行至AUV集群作业区域A，待AUV集群任务完成后，回收AUV集群和无人船。

可选的，所述水声信号包括：指令、位置以及时间信息。

可选的，所述水声通信信号包括：状态以及位置。

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：

本发明中的上述系统及方法利用无人船与AUV集群进行配对，实现对水下AUV作业的无人值守监控，解放母船，母船在布放无人船和AUV集群后，可以航渡到另一个下潜点进行载人潜水器下潜作业，这样在同一时间段，可以同时执行AUV集群和载人潜水器下潜作业，提高了整个航次的效率；

AUV集群首先执行水下大范围扫测，获得感兴趣目标点后，载人潜水器可以搭载科学家或技术人员下潜到海底进行观察作业，这样可以实现AUV在前广泛搜索，载人潜水器定点作业。

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为本发明实施例无人船的协同作业场景图；

图2为本发明实施例基于无人船的协同作业模式示意图；

图3为本发明实施例基于无人船协同作业模式；

图4为本发明实施例传统分布作业模式；

图5为本发明实施例传统分布式协同作业半径示意图；

图6为本发明实施例不同作业半径范围内作业用时示意图。

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。

本发明的目的是提供一种基于无人船的有人和无人潜水器协同作业系统及方法，可以在较好的海况条件下，利用无人船解放母船，实现较大范围内载人潜水器和AUV的同步下潜作业。

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。

图1为本发明实施例无人船的协同作业场景图，如图1所示，本发明提供了一种基于无人船的有人和无人潜水器协同作业系统，所述作业系统包括：

母船、无人船、载人潜水器以及AUV集群AUV；

所述母船用于向所述无人船发送控制指令，控制所述无人船工作；

所述无人船用于对所述AUV集群进行实时监控，并将监控数据传输至所述母船，所述无人船还用于跟随所述AUV集群移动。

当有人无人潜水器水下作业时，通过无人船来跟踪监控AUV集群水下作业。无人船上安装有天基通信系统、卫星定位系统、水声通信系统、无人值守控制系统、自动驾驶系统等组成，如图2所示。天基通信系统分别与无人值守控制系统、自动驾驶系统等相连，并通过卫星与母船建立实时通信，实现数据传输、指令下达等功能。

卫星定位系统与水声通信系统、无人值守控制系统、自动驾驶系统相连，实时获取无人船的位置，并进行高精度授时。水声通信系统与无人值守控制系统、自动驾驶系统相连，实时接收来自AUV的水声通信信息(状态信息、探测信息等)，并向AUV进行水声通信(控制指令等)和辅助AUV导航，即实现USV和AUV之间信息传输。

无人值守控制系统分别与天基通信系统、卫星定位系统、水声通信系统、自动驾驶系统相连，将水声通信系统接收到的AUV信息和USV自身信息处理后，通过天基通信系统发送至载人潜水器支持母船，并通过天基通信系统接收来自载人潜水器支持母船的信息处理后，发送至AUV或USV自动驾驶系统。

自动驾驶系统与卫星定位系统和无人值守控制系统相连，根据卫星定位系统获取自身位置，并结合AUV位置、载人潜水器支持母船指令、以及水面海、浪、流信息自主规划船舶的航向、航速等运动状态参数，保持USV守船处于低功耗状态。这样，载人潜水器支持母船上的监控人员可以实时监控USV和AUV的状态，并根据需要下达控制指令。由此可以解放载人潜水器支持母船，载人潜水器支持母船可以全力保障载人潜水器在另一个区域下潜作业，也可以兼顾到对AUV集群的监控和指挥，这样在有限的时间内获取更多的调查数据。

载人潜水器支持母船在另一个区域保障载人潜水器(HOV)下潜作业时，与常规方式相同。

天基通信系统是指利用卫星进行通信的系统，即卫星通信系统。在海洋上，当无人船与母船距离达到几十千米以上时，受地球曲率的影响，常规无线电通信无法建立，只能依靠天上的卫星进行通信。天基通信系统可以采用成熟的商业化产品，分别在无人船和母船上安装，即可建立通信链路，实现两者之间的信息交换。

天基通信系统的引入，让水面指挥人员可以实时监控远处AUV的状态，遇到突发故障时，可以提前做出应对方案，确保出现故障的AUV顺利回收。水面指挥人员也可以实时监控探测载荷数据，当接收到水下某目标物的探测信息时，支持母船直接前往目标区域布放载人潜水器，进行实地核查，这对水下打捞、目标搜寻具有重要意义。

本发明另外提供一种基于无人船的有人和无人潜水器协同作业方法，具体作业流程如下：

步骤1：母船搭载载人潜水器、无人船、AUV航行到AUV作业区域A，依次将AUV、无人船布放入水。

步骤2：AUV开始下潜，无人船通过水声通信与AUV建立通信链路后，无人船水声通信系统广播水声信号(包含指令、位置、时间等信息)，AUV接收到后进行辅助导航，AUV每隔一定时间间隔向无人船发送水声通信信号(包括状态、位置等信息)。

步骤3：无人船处于自动驾驶状态。

步骤4：母船通过天基通信系统与无人船建立通信链路后，水面指挥人员可以实时监控无人船和AUV状态，并根据需要下发控制指令。

步骤5：母船搭载载人潜水器航渡至另一个下潜点B，执行载人潜水器下潜作业。

步骤6：母船将载人潜水器布放入水后，母船上的水声通信系统与载人潜水器建立通信链路，实时监控载人潜水器状态信息；水声定位系统实时跟踪载人潜水器位置。

步骤7：载人潜水器水下作业任务完成后，母船回收载人潜水器。

步骤8：母船搭载载人潜水器航行至AUV作业区域，待AUV任务完成后，回收AUV和无人船。

步骤9：上述任务完成后，执行下一次下潜任务。

步骤10：根据AUV、载人潜水器水下作业时间长短、两个作业区域远近、母船航速等信息，合理安排载人潜水器下潜次数，提供航次效率。

作业效率分析：

根据蛟龙号载人潜水器和潜龙号AUV的以往作业经验，为了便于分析，对部分工作过程的耗时进行归一化处理。一般情况下，每台载人潜水器和AUV的下潜速度为40米/分钟，每台潜水器下潜前准备时间为1小时，布放时间为0.5小时，下潜时间取决于作业深度，其下潜与上浮时间大致相同，回收时间与布放时间大致相同，甲板转运与系统维护时间为1小时。无人船系统的布放回收过程与AUV耗时相近，载人潜水器水下作业时间为8小时，AUV水下作业最长40小时，支持母船航渡速度为12节。由于工作深度不同导致下潜和上浮时间不同，水面指挥员需要提前做好相应时间评估和作业任务策划，作业任务、作业区海况、作业范围等关键要素会影响现场决策者选区那种作业模式执行作业任务。

在基于无人船的协同作业模式，通常无人船系统可同时监控3台AUV组成的集群开展水下作业。实际作业中，第一步是布放无人船；然后，再依次布放AUV集群开展水下作业任务。在完成AUV布放作业后，母船携带载人潜水器前往载人潜水器作业区开展水下调查作业。载人深潜作业过程中，支持母船在载人潜水器附近实时监控作业动态。如果载人深潜作业区域距离无人船100海里(1海里约为1.852千米)，则母船航渡时间需要5小时，完成载人深潜作业后，母船航渡至AUV作业区依次回收AUV集群，最后完成无人船的回收。图3给出了基于无人船的协同作业用时。由图可以看出，完成相同的作业任务，使用无人船耗时约50小时。在依靠支持母船的传统分时作业模式下，完成1台载人潜水器和三台AUV的作业并回收后在布放下一个潜水器，作业用时如图4所示。算上支持母船的航渡时间，在相同作业地点完成相同的任务则需要165小时。可以发现，在执行大范围、长距离水下调查时，引入无人船的协同作业在作业用时上具有显著的优势，充分利用AUV集群作业间隙开展载人潜水器的水下作业，这即节约了船时又扩大了作业范围。

值得注意的是，上述作业范围也不是无限扩大的，需要根据作业半径以及具体任务做出具体分析。如果距离太远，航渡时间过长将导致母船来不及回收AUV集群。如果作业范围相对较近或者无人船跟随AUV集群向母船方向移动时，则可以减少航渡时间，利用AUV作业间隙执行2次载人潜水器下潜任务，进一步提高作业效率。图5给出了基于AUV的协同作业范围示意图。图6给出了不同作业半径范围内作业用时统计。由图可以看出，100海里的作业半径是较为理想的作业范围，超过100海里时，母船恐无法及时回收AUV集群，所以基于无人船模式的最大作业半径为100海里；当作业半径小于40海里时，在AUV作业期间可以实施两个潜次的载人深潜作业。在有效作业半径范围内，传统的分布作业模式的耗时是协同作业模式的3倍以上。因此，有人无人水下协同作业具有显著的时间优势。

本发明中的上述系统及方法具备以下有益效果：

国内外曾经利用载人潜水器搭载微小型无人遥控潜水器进行系统作业，即载人/无人装备母子式协同作业，指的是载人装备作为母体，搭载布放子无人遥控潜水器。这种作业模式的作业范围非常小，通常几十米～几百米。也有利用不同科考船，分别搭载无人遥控潜水器和载人潜水器在同一区域进行协同作业。上述技术只能实现小范围的系统作业，而且作业效率并没有显著提高。国际上尚未开展载人潜水器和AUV大范围的有人无人潜水器协同作业研究。目前在载人潜水器下潜时，母船只能专注保障载人潜水器，无法执行其他任务。虽然母船上可以同时搭载载人潜水器和AUV，但是无法实现两者同步水下下潜作业。

本发明中的上述方案利用无人船与AUV进行配对，实现对水下AUV作业的无人值守监控，解放母船。母船在布放AUV和无人船后，可以航渡到另一个下潜点进行载人潜水器下潜作业。这样在同一时间段，可以同时执行AUV和载人潜水器下潜作业，提高了整个航次的效率。

AUV首次执行水下大范围扫测，获得感兴趣目标点后，载人潜水器可以搭载科学家或技术人员下潜到海底进行观察作业。这样可以实现AUV在前广泛搜索，载人潜水器定点作业。

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方法及其核心思想；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 (6)

1.一种基于无人船的有人和无人潜水器协同作业系统，其特征在于，所述作业系统包括：

母船、无人船、载人潜水器以及AUV集群；

所述母船用于向所述无人船发送控制指令，控制所述无人船工作；

所述无人船用于对所述AUV集群进行实时监控，并将监控数据传输至所述母船，所述无人船还用于跟随所述AUV集群移动；

所述母船还用于搭载载人潜水器至另一下作业区域，以使载人潜水器执行水下作业；当所述载人潜水器水下作业完成后，所述母船回收所述载人潜水器；所述母船搭载载人潜水器至AUV作业区域；待AUV任务完成后，所述母船回收AUV和无人船；

所述母船还用于根据AUV、载人潜水器水下作业时间长短、两个作业区域远近、母船航速，安排载人潜水器下潜次数；

所述无人船与AUV进行配对，所述无人船对水下AUV进行无人值守监控，解放母船；

所述AUV首次执行水下大范围扫测，获得感兴趣目标点后，所述载人潜水器搭载科学家或技术人员下潜到海底进行观察作业；

所述无人船包括：天基通信系统、卫星定位系统、水声通信系统、无人值守控制系统以及自动驾驶系统；

所述天基通信系统分别与所述无人值守控制系统和所述自动驾驶系统连接，所述天基通信系统通过通信卫星与所述母船建立实时通信，实现数据传输、指令下达；

所述卫星定位系统与所述水声通信系统、无人值守控制系统以及自动驾驶系统连接，所述卫星定位系统用于实时获取无人船的位置，并进行高精度授时；

所述水声通信系统与所述无人值守控制系统和自动驾驶系统连接，所述水声通信系统用于实时接收来自AUV集群的水声通信信息，实现无人船和AUV集群之间信息传输；

所述无人值守控制系统分别与所述天基通信系统、卫星定位系统、水声通信系统以及自动驾驶系统连接，所述无人值守控制系统用于将水声通信系统接收到的AUV集群信息和无人船自身信息进行处理，并将处理后的信息通过所述天基通信系统发送至母船，所述无人值守控制系统还用于将通过所述天基通信系统接收来自母船的信息进行处理，并将经过处理后的信息发送至AUV集群或无人船自动驾驶系统；

所述自动驾驶系统与所述卫星定位系统和无人值守控制系统连接，所述自动驾驶系统用户根据所述卫星定位系统获取自身位置，并结合AUV集群位置、母船指令以及水面海、浪、流信息自主规划船舶的运动状态参数，保持无人船守船处于低功耗状态。

2.根据权利要求1所述的基于无人船的有人和无人潜水器协同作业系统，其特征在于，所述水声通信信息包括：状态信息和探测信息。

3.根据权利要求1所述的基于无人船的有人和无人潜水器协同作业系统，其特征在于，所述运动状态参数包括：船舶的航向和航速。

4.一种基于无人船的有人和无人潜水器协同作业方法，其特征在于，所述作业方法包括：

母船搭载载人潜水器、无人船、AUV集群航行到AUV集群作业区域A，将无人船和AUV集群布放入水；

AUV集群开始下潜，无人船通过水声通信与AUV集群建立通信链路后，无人船水声通信系统广播水声信号，AUV集群接收到所述水声信号后进行辅助导航，AUV集群每隔一定时间间隔向无人船发送水声通信信号；

无人船处于自动驾驶状态；

母船通过天基通信系统与无人船建立通信链路后，水面指挥人员实时监控无人船和AUV集群状态，并根据需要下发控制指令；

母船搭载载人潜水器航渡至另一个下潜点B，执行载人潜水器下潜作业；

母船将载人潜水器布放入水后，母船上的水声通信系统与载人潜水器建立通信链路，实时监控载人潜水器状态信息；水声定位系统实时跟踪载人潜水器位置；

载人潜水器水下作业任务完成后，母船回收载人潜水器；

母船搭载载人潜水器航行至AUV集群作业区域，待AUV集群任务完成后，回收AUV集群和无人船；

所述无人船与AUV进行配对，所述无人船对水下AUV进行无人值守监控，解放母船；

所述AUV首次执行水下大范围扫测，获得感兴趣目标点后，所述载人潜水器搭载科学家或技术人员下潜到海底进行观察作业；

所述无人船包括：天基通信系统、卫星定位系统、水声通信系统、无人值守控制系统以及自动驾驶系统；

所述天基通信系统分别与所述无人值守控制系统和所述自动驾驶系统连接，所述天基通信系统通过通信卫星与所述母船建立实时通信，实现数据传输、指令下达；

所述卫星定位系统与所述水声通信系统、无人值守控制系统以及自动驾驶系统连接，所述卫星定位系统用于实时获取无人船的位置，并进行高精度授时；

所述水声通信系统与所述无人值守控制系统和自动驾驶系统连接，所述水声通信系统用于实时接收来自AUV集群的水声通信信息，实现无人船和AUV集群之间信息传输；

所述无人值守控制系统分别与所述天基通信系统、卫星定位系统、水声通信系统以及自动驾驶系统连接，所述无人值守控制系统用于将水声通信系统接收到的AUV集群信息和无人船自身信息进行处理，并将处理后的信息通过所述天基通信系统发送至母船，所述无人值守控制系统还用于将通过所述天基通信系统接收来自母船的信息进行处理，并将经过处理后的信息发送至AUV集群或无人船自动驾驶系统；

所述自动驾驶系统与所述卫星定位系统和无人值守控制系统连接，所述自动驾驶系统用户根据所述卫星定位系统获取自身位置，并结合AUV集群位置、母船指令以及水面海、浪、流信息自主规划船舶的运动状态参数，保持无人船守船处于低功耗状态。

5.根据权利要求4所述的基于无人船的有人和无人潜水器协同作业方法，其特征在于，所述水声信号包括：指令、位置以及时间信息。

6.根据权利要求4所述的基于无人船的有人和无人潜水器协同作业方法，其特征在于，所述水声通信信号包括：状态以及位置。