CN115857490B - 水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人平台自主控制技术领域，公开了一种水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统及方法，系统包括指挥所控制系统、艇载控制系统和综合通信系统，一种水面无人艇异地多基站模块化有人/无人协同控制方法包括准备阶段、离泊阶段、布放阶段、自主航行阶段、回收阶段和靠泊阶段。具有操控简单、实用高效的多样化的布放/回收方式，便于配合远海任务快速灵活部署；具有定向定速、定点位控、路径跟踪、编队航行等多模式的自主航行方式，便于根据任务要求准确展开；具备冗余可靠的多方式通信手段，满足远海任务的冗余通信保障要求；具备异地多基站的协同控制能力，满足远海任务不同阶段的指挥控制关系转换与交接要求。

Description

水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统及方法

技术领域

本发明属于无人平台自主控制技术领域，尤其涉及一种水面无人艇模块化有人/无人异地多基站协同控制系统及方法。

背景技术

无人水面艇(USV,unmanned surface vehicle)是一种无人驾驶、能够自主航行的一种小型水面智能任务平台，具有体积小、成本低、雷达反射面积小、高速、智能自主等特点，同其他无人系统一样(例如无人机、无人车、无人水下航行器等)，在执行危险任务或者在环境恶劣区域执行任务时，相比有人系统具有很大的优势。在民用领域，可用于水文地理勘测、海洋地质环境勘探、海洋水文观测、海洋气象研究、搜寻救助、中继通信等领域，已成为国内外智能化海洋装备的研究热点，并且USV是整合低空无人机和水下机器人的关键节点，具有广泛的应用前景。在军用领域，USV能够实现机动部署、灵活作战，并可通过搭载不同的任务模块完成情报收集、监视侦察、目标打击、毁伤评估等多种作战任务，近年来已在军事训练、战场警戒、猎雷、反潜、反导、电子战支援、后勤保障等方面中得到成功应用，特别是在不适宜派遣军舰或危险的区域能独立自主完成任务，极大地拓展了海上作战范围。

USV执行任务的过程一般包括一下环节：①离/靠泊；②布放回收；③自主航行。其中，第一个阶段离/靠泊过程一般采用距离较近(＜200米)的手持遥控器或人工驾驶进行；第二个阶段布放回收时考虑到前往任务海域的距离较远，航行过程中存在航道目标密集、特别是港口附近，虽然水面无人艇具备避碰避障功能，但是为了航行安全一般首先通过伴随有人引导舰船航行的方式，首先由有人舰船引导水面无人艇到达安全水域，此时水面无人艇的控制一般由部署在有人舰船上的指挥控制基站采用无线图传电台的编队控制方式实施；第三个阶段为智能自主航行过程，根据航行任务规划，依据静态环境地图和雷达、光电、声呐等传感器获得的动态目标信息，动态规划形成路径，经过运动控制解算，协调无人平台上的推进器、舵机等驱动机构，使无人平台按照要求完成航行机动，实施正确动作并完成相应的功能。

可以看出，复杂海洋环境下USV能按计划、可靠的完成任务的前提是具有一个多样化控制方式、能异地多基站协同控制的有人/无人协同控制系统，满足复杂海洋环境下各类任务的快速灵活部署要求；于此同时，适应复杂海况任务需求USV一般成本不低，在研制生产时各类USV一般具有明确的任务指向性和生产数量较少的特点，因此设计的有人/无人协同控制系统必须具有模块化体系结构，以便适应不同艇型、动力系统、推进系统、任务载荷。

通过上述分析，当前USV航行控制系统存在的问题及缺陷为：

(1)控制方式手段较少，难以满足复杂海况下USV多样化布放/回收方式需求。例如，USV海上离/靠有人舰船时具有对近距离手持遥控的需求；USV海上试验试航或突发情况下具有对人工驾驶的需求；USV执行特殊任务，在部署航渡过程中需要得到航行安全保证时，具有对伴随有人引导舰船航行的程序控制方式需求。

(2)协同控制能力有限，难以满足复杂海况下USV异地多基站协同指挥控制能力需求。USV海上执行任务一般首先由部署在母船或保障船上的控制终端完成任务海域的布放/回收，然后将控制权交接到不同地点的岸基控制基站或备份控制基站执行任务控制，因此应具备异地多基站的协同控制能力，满足训练任务不同阶段的指挥控制关系转换与交接要求。

(3)模块化结构待提升，难以满足不同类型USV的高效开发研制和快速集成生产需求。如前所述，面向不同任务需求的USV在艇体平台、设备选型、算法设计等方面差异较大，需要抽象设备接口层、标准化数据结构，封装不同设备接口类型协议，统一各个设备数据访问流程，提高系统体系结构的模块化水平，增强系统的可扩展性、可靠性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种水面无人艇模块化有人/无人异地多基站协同控制系统及方法。

本发明是这样实现的，一种水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统，包括：

指挥所控制系统，包括远程遥控基站和近距手持遥控器，同时布设于岸上指挥所或USV的母船/保障船上，在状态机的控制下实现不同任务阶段的有人/无人异地多基站协同控制；具有任务规划管理、路径规划管理、编队协同管理、航行安全管理、通信资源管理、系统仿真运行管理、数据分析与显示、系统参数设置功能；

艇载无人控制系统，采用多线程模块化软件架构、抽象透明的设备接口，包括运行艇载自主航行控制子系统的中央处理机和备用处理机；

综合信息传输系统，用于实现指挥所控制系统和艇载无人控制系统间的信息交换，包括短距离无线图传、超视距卫星通信、手持遥控2.4G无线通信和北斗短报文保底应急通信。

进一步，所述艇载无人控制系统包括由卫星导航、姿态传感器定位系统和温度传感器、震动传感器、风向传感器、风速传感器、油量传感器、电量传感器、发动机传感器、喷泵传感器组成的内部感知子系统；由自身搭载的雷达、光电、声呐传感器组成的外部感知系统；包含D/A、CAN、DO、串口、网口的抽象接口模块，将采集设备接入艇载中央计算机。

进一步，所述艇载无人控制系统还包括负责航行安全控制的PLC看门狗；由A/D采集板卡、串口板采集模块接入艇载中央计算机；外部感知主要利用自身搭载的雷达、光电、声呐传感器，完成对周围环境的信息获取、目标检测与分析识别，一般由网卡、串口板接口模块接入艇载中央计算机。

进一步，所述艇载无人控制系统采用模块化，具有人工驾驶、手持遥控、基站遥控、自主航行、仿真运行5种控制模式，具备定向定速、定点位控、路径跟踪、航迹跟踪、伴随航行、避碰避障、自动返航、编队协同自主航行能力；采用标准化数据结构，包括航行状态数据结构、航行控制结构、目标数据结构、设备控制数据结构、设备状态数据结构，当系统处于仿真运行模式时，标准化的数据来自USV仿真模型；具有兼容网口、串口、Can总线不同类型的抽象设备接口，组件化集成了设备监控系统。

进一步，所述水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统采用多线程模式，在时统模块统一触发机制的管理下，利用CPU采样周期为统一的时钟信号来源，触发管理多设备多任务线程的同步，实现了一种水面无人艇异地多基站有人/无人协同控制方法，包括系统控制主流程、航行安全线程以及各设备线程。

进一步，主线程设计了不同控制终端可靠转换的状态机，规定了优先级顺序：手持遥控终端＞基站遥控终端＞自主航行模式＞空闲等待模式，定义了状态切换条件，实现了USV控制数据的来源切换，并根据控制数据以100ms周期间隔生成USV控制指令，实现USV舵角、油门、前进后退、启动熄火、航行灯、状态灯、控制权以及其他设备的控制；

主线程运行后，启动航行安全线程，以150ms周期不断获取USV的当前位置和调用航行安全控制算法，判断是否出界，如果出界则强制USV进入空闲等待状态；主线程运行后，启动各设备线程，依据设备数据及状态更新的要求，设置各设备线程的运行周期。

进一步，手持遥控终端设备实现目视范围内的水面无人艇离/靠泊过程操控，包括2.4G天线、控制权、电源、航行灯控制按钮、发送机点火按钮、舵角控制按钮、自定义功能键、油门控制杆、前进倒车按钮、发送机熄火按钮；2.4G天线安装载手持遥控终端设备的顶端两侧，控制权、电源、航行灯控制按钮、发送机点火按钮、舵角控制按钮、自定义功能键、油门控制杆、前进倒车按钮、发送机熄火按钮依此排列安装在手持遥控终端设备的表面；

基站遥控终端为三屏幕便携设备，包括任务规划与控制界面、航路规划与态势界面和状态监控与显示界面。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统的水面无人艇异地多基站有人/无人协同控制方法，所述水面无人艇异地多基站有人/无人协同控制方法包括以下步骤：

步骤一，准备阶段：艇载中央控制系统开机，艇载控制系统进行设备自检并进入空闲等待状态，等待指挥所控制终端设备下达控制指令；

步骤二，离泊阶段：获取控制权并点火启动，控制无人艇航行离开码头；到达预设的无人艇待机点释放控制权，无人艇进入空闲等待状态；

步骤三，布放阶段：遥控基站获得控制权后进行自主航行规划，启动自主航行任务，若出现无线通信信号RSSI丢失，自动进入空闲等待状态；

步骤四，自主航行阶段：自主航行任务启动后，艇载中央计算机调用目标导引算法、跟踪控制、避障避碰算法，生成控制指令，完成航行任务列表；

步骤五，回收阶段：无人艇自动进入空闲状态；遥控基站完成无人艇返航回收方案规划，将任务列表下载到无人艇载中央计算机，启动自主返航任务；

步骤六，靠泊阶段：到达自主返航终点后无人艇进入空闲状态，获得控制权，控制无人艇油门、舵机安全靠泊，按下发动机熄火按键完成靠泊。

进一步，所述准备阶段、离泊阶段和布放阶段具体包括：

①艇载中央控制系统开机，艇载控制系统进行设备自检并进入空闲等待状态，等待手持遥控器、遥控基站等指挥所控制终端设备下达控制指令；

由码头上的工作人员采用手持遥控设备实现200～400m目视范围内的水面无人艇离泊过程操控；

②手持遥控开机后首先按下控制权按键获取控制权；按下发动机启动按键完成无人艇动力系统的点火启动；测试油门摇杆和航向摇杆输出指令的正确性，并控制无人艇航行离开码头；

③到达预设的无人艇待机点，弹起控制权按键释放控制权，无人艇进入空闲等待状态；

④在手持遥控器控制过程中如果出现无线通信信号RSSI丢失，自动进入空闲等待状态；

⑤遥控基站按下控制权按键获得控制权；

⑥遥控基站为无人艇的自主航行进行规划，形成包含航行参数、路径信息、航速信息和载荷控制策略信息的任务列表，并通过无线图传或卫星通信将任务列表下载到无人艇载中央计算机，启动自主航行任务；

⑦在基站控制过程中如果出现无线通信信号RSSI丢失，自动进入空闲等待状态；

所述自主航行阶段、回收阶段和靠泊阶段具体包括：

自主航行任务启动后，艇载中央计算机调用目标导引算法、跟踪控制、避障避碰算法，生成航速、艏向的控制指令，完成航行任务列表；

⑧遥控基站远程人工干预暂停自主航行任务，无人艇控制权再次回到基站遥控，执行发动机点火熄火、加减油门和控制舵机方向的人工遥控命令，辅助观察无线图传回传的视频、数据信息，完成无人艇的人工遥控驾驶；

⑨执行完任务列表后，无人艇自动进入空闲状态；遥控基站重复第⑥步，完成无人艇返航回收方案规划，通过无线图传或卫星通信将任务列表下载到无人艇载中央计算机，启动自主返航任务；

到达距离码头200～400m附近的自主返航终点后，无人艇进入空闲状态，手持遥控器重复第②步，按下控制权按键获得控制权，控制无人艇油门、舵机安全靠泊，按下发动机熄火按键完成靠泊。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的水面无人艇异地多基站有人/无人协同控制方法。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

有人/无人协同控制能力有限，难以满足复杂海况下USV异地多基站协同指挥控制能力需求。USV执行任务期间，一般经历靠/离泊、布放/回收、自主航行等阶段，其中靠/离泊过程效果最好、最安全的方式是岸边码头上(或母船甲板)的操控人员利用手持遥控终端完成，其他阶段一般采用控制基站完成自主航行任务的规划、执行；同时，USV海上试验试航或突发情况下具有对人工驾驶的需求；USV执行特殊任务，在部署航渡过程中需要得到航行安全保证时，具有对伴随有人引导舰船航行的程序控制方式需求。

本系统提供了一种水面无人艇异地多基站有人/无人协同控制方法，设计了不同控制终端可靠转换的状态机，规定了优先级顺序：手持遥控终端＞基站遥控终端＞自主航行模式＞空闲等待模式，定义了状态切换条件，满足了不同任务阶段(靠/离泊、布放/回收、自主航行)水面无人艇人工驾驶、近程手持遥控、远程基站遥控(一个或异地多个)或自主航行时的指挥控制关系转换与交接要求。

软件模块化结构需要进一步提高，难以满足不同类型USV的高效开发研制和快速集成生产需求。自2016年以来，针对小型快速机动目标模拟、警戒巡逻、物资运输、海洋勘测等不同任务需求USV的研制经验，不同任务需求的USV在艇体平台、设备选型、算法设计等方面差异较大，导致研发的时间成本、维修保障成本、使用培训成本较大。

本系统采用模块化、多线程技术，研制开发了一种模块化多线程水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统，通过抽象设备接口层、标准化数据结构，封装不同设备接口类型协议，提高系统体系结构的模块化水平和设备接口兼容性；通过设计开发时统模块，统一了各线程的时钟来源、触发机制和各个设备数据访问流程，增强系统的可扩展性、可靠性。

本发明设计了一种水面无人艇异地多基站模块化有人/无人协同控制系统，不仅实现了定向定速、定点位控、路径跟踪、编队航行等自主航行功能，还具有人工驾驶、手持遥控、基站遥控和自主航行等多种控制方式，具备异地多基站有人/无人协同控制能力，满足不同任务阶段的无人艇指挥控制关系转换与交接要求；

采用多线程模块化软件架构，通过抽象设备接口层、标准化数据结构，封装不同设备接口类型协议，提高系统体系结构的模块化水平和设备接口兼容性；通过设计开发时统模块，统一了各线程的时钟来源、触发机制和各个设备数据访问流程，增强系统的可扩展性、可靠性。

具有操控简单、实用高效的多样化的布放/回收方式，便于配合远海任务快速灵活部署；具有定向定速、定点位控、路径跟踪、编队航行等多模式的自主航行方式，便于根据任务要求准确展开；具备冗余可靠的多方式通信手段，满足远海任务的冗余通信保障要求。

本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

一是能大幅提高复杂海况下无人艇远海作业任务能力，具有操控简单、实用高效的多样化的布放/回收方式，便于配合远海任务快速灵活部署；具有定向定速、定点位控、路径跟踪、编队航行等多模式的自主航行方式，便于根据任务要求准确展开；具备冗余可靠的多方式通信手段，满足远海任务的冗余通信保障要求；具备异地多基站的协同控制能力，满足远海任务不同阶段的指挥控制关系转换与交接要求。

二是能大幅提高软件的模块化水平，提高USV的开发研制效率和快速集成生能力。通过抽象设备接口层、标准化数据结构，封装不同设备接口类型协议，提高系统体系结构的模块化水平和设备接口兼容性，通过设计开发时统模块，统一了各线程的时钟来源、触发机制和各个设备数据访问流程，串口设备、网口设备、Can总线设备等可快速集成，可以大幅降低研发的时间成本、维修保障成本和使用培训成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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水面无人艇异地多基站模块化有人/无人协同控制方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的水面无人艇异地多基站模块化有人/无人协同控制系统框图；

图3是本发明实施例提供的艇载无人控制系统采用模块化设计示意图；

图4是本发明实施例提供的系统采用多线程模式示意图；

图5是本发明实施例提供的手持遥控终端设备实现目视范围水面无人艇离/靠泊过程操控示意图；

图6是本发明实施例提供的基站遥控终端为三屏幕便携设备示意图；

图7是本发明实施例提供的任务规划与控制界面示意图；

图8是本发明实施例提供的航路规划与态势界面示意图；

图9是本发明实施例提供的状态监控与显示界面示意图；

图10是本发明实施例提供的状态机运行在系统的主线程示意图；

图11是本发明实施例提供的无人艇编队冗余可靠通信网络的组织方式示意图。

图中：1、2.4G天线；2、控制权；3、电源；4、航行灯控制按钮；5、发送机点火按钮；6、舵角控制按钮；7、自定义功能键；8、油门控制杆；9、前进倒车按钮；10、发送机熄火按钮；11、任务规划与控制界面；12、航路规划与态势界面；13、状态监控与显示界面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的水面无人艇异地多基站有人/无人协同控制方法包括以下步骤：

S101，准备阶段：艇载中央控制系统开机，艇载控制系统进行设备自检并进入空闲等待状态，等待指挥所控制终端设备下达控制指令；

S102，离泊阶段：获取控制权并点火启动，控制无人艇航行离开码头；到达预设的无人艇待机点释放控制权，无人艇进入空闲等待状态；

S103，布放阶段：遥控基站获得控制权后进行自主航行规划，启动自主航行任务，若出现无线通信信号RSSI丢失，自动进入空闲等待状态；

S104，自主航行阶段：自主航行任务启动后，艇载中央计算机调用目标导引算法、跟踪控制、避障避碰算法，生成控制指令，完成航行任务列表；

S105，回收阶段：无人艇自动进入空闲状态；遥控基站完成无人艇返航回收方案规划，将任务列表下载到无人艇载中央计算机，启动自主返航任务；

S106，靠泊阶段：到达自主返航终点后无人艇进入空闲状态，获得控制权，控制无人艇油门、舵机安全靠泊，按下发动机熄火按键完成靠泊。

作为优选实施例，本发明实施例提供的水面无人艇异地多基站有人/无人协同控制方法，具体包括以下步骤：

(1)准备阶段

①艇载中央控制系统开机，艇载控制系统进行设备自检并进入空闲等待状态，等待手持遥控器、遥控基站等指挥所控制终端设备下达控制指令。

(2)离泊阶段

水面无人艇离泊阶段环境复杂，障碍物众多，为了确保离泊安全一般由码头上的工作人员采用手持遥控设备实现目视范围内(200米～400米)的水面无人艇离泊过程操控；②手持遥控开机后首先按下控制权按键获取控制权；按下发动机启动按键完成无人艇动力系统的点火启动；测试油门摇杆和航向摇杆输出指令的正确性，并控制无人艇航行离开码头；③到达预设的无人艇待机点，弹起控制权按键释放控制权，无人艇进入空闲等待状态；④在手持遥控器控制过程中如果出现无线通信信号RSSI丢失，自动进入空闲等待状态。

(3)布放阶段

⑤遥控基站按下控制权按键获得控制权；⑥遥控基站为无人艇的自主航行进行规划，形成包含航行参数、路径信息、航速信息、载荷控制策略等信息的任务列表，并通过无线图传或卫星通信将任务列表下载到无人艇载中央计算机，启动自主航行任务；⑦在基站控制过程中如果出现无线通信信号RSSI丢失，自动进入空闲等待状态。

(4)自主航行阶段

自主航行任务启动后，艇载中央计算机调用目标导引算法、跟踪控制、避障避碰算法，生成航速、艏向等控制指令，完成航行任务列表；⑧遥控基站可以远程人工干预暂停自主航行任务，无人艇控制权再次回到基站遥控，执行发动机点火熄火、加减油门、控制舵机方向等人工遥控命令，辅助观察无线图传回传的视频、数据信息，完成无人艇的人工遥控驾驶。

(5)回收阶段

⑨执行完任务列表后，无人艇自动进入空闲状态；遥控基站重复第⑥步，完成无人艇返航回收方案规划，通过无线图传或卫星通信将任务列表下载到无人艇载中央计算机，启动自主返航任务。

(6)靠泊阶段

到达距离码头200米～400米附近的自主返航终点后，无人艇进入空闲状态，手持遥控器重复第②步，按下控制权按键获得控制权，控制无人艇油门、舵机安全靠泊，按下发动机熄火按键完成靠泊。

如图2所示，本发明实施例提供的水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统包括指挥所控制系统、综合通信系统和艇载控制系统三部分。

1.指挥所控制系统

主要功能是根据水面无人艇的任务使命，完成任务规划管理、路径规划管理、编队协同管理、航行安全管理、通信资源管理以及位置、姿态、速度、系统内部设备状态的监控以及雷达、光电或声呐等外部传感探测信息显控等功能。硬件设备包括远程控制基站、近距手持遥控终端等辅助设备。指挥控制系统可布设1套，也可异地同时布设几套，在状态机的控制下实现不同任务阶段的有人/无人协同控制。

2.艇载控制系统

主要功能是根据指挥控制系统的任务规划，依据雷达、光电、导航等传感器感知的环境信息，智能决策、自动进行运动控制解算，获得期望的航向、航速等航行任务，形成舵角、油门等控制指令，驱动无人平台上动力推进器、舵机机构，完成自主航行机动。并根据设备数据采集的要求，周期性采集、记录和传输无人艇航行状态和各设备工作状态。

主要包括：艇载自主航行控制子系统、艇载航控执行机构、艇载环境感知系统子系统、艇载数据库组成。

(1)艇载自主航控子系统，受具体任务驱动并综合考虑无人艇当前所处环境和自身状态，艇载中央计算机调用智能决策算法、目标导引算法、跟踪控制算法，生成航速、艏向等控制指令，并经过D/A板卡、I/O板卡、CAN总线等接口设备将控制指令转换为控制信号，实现对航控执行机构(油门执行机构、舵机执行机构、前进后退执行机构)的控制。

(2)艇载状态机子系统，本发明提出的一种水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统，具有人工驾驶、手持遥控、基站遥控、自主航行等4种控制方式，优先级依次降低；控制地点分别位于艇载人工驾驶室、指挥所(可在多地布设多个)外部、指挥所(可在多地布设多个)内部、艇载中央计算机；艇载状态机子系统按照规定的状态转移图，实现靠/离泊、布放/回收、自主航行等不同任务阶段水面无人艇有人/无人异地多基站间的指挥关系转换与控制权限交接。

(3)艇载环境感知子系统，包括内部感知和外部感知两部分。其中，内部感知主要完成对无人艇的位置、姿态、速度和系统内部状态的监控，主要由卫星导航、姿态传感器等定位系统和判断自身设备状态是否正常的检测系统，例如温度传感器、震动传感器、风向传感器、风速传感器、油量传感器、电量传感器、发动机传感器等，一般由A/D采集板卡、串口板等采集模块接入艇载中央计算机；外部感知主要利用自身搭载的雷达、光电、声呐等传感器，完成对周围环境的信息获取、目标检测与分析识别，一般由网卡、串口板等接口模块接入艇载中央计算机。

(4)艇载航控执行机构，包括油门执行机构、舵机执行机构、前进后退执行机构，完成油门的加减控制、舵机的左右转动控制、无人艇的前进后退控制。

(5)艇载数据库，将采集的数据标准规范为环境数据结构、能源数据结构、航行状态数据结构、设备状态数据结构、目标(障碍物)数据结构、地理信息数据结构，并实时记录，为无人艇的任务复盘和设备状态监控与维护升级提供支持。

3.综合通信系统

主要功能是实现指挥控制系统和艇载控制系统间的信息交换。为了确保任务成功率，无人平台通信方式一般包括以下四种：

(1)短距离无线图传：提供不大于20公里、时延不大于50ms、带宽不小于10M的无线图传功能，确保感知系统的实时性、雷达光电高清视频传输的稳定性；

(2)超视距卫星通信：提供大于20公里、时延不大于550ms、带宽不小于2M的超视距卫星通信功能，确保系统具有超视距通信能力；

(3)编队组织网通信：提供5公里范围内时延不大于50ms、带宽不小于1M的编队内部通信自组网功能，满足无人艇编队的内部通信保障要求；

(4)保底应急通信：提供北斗短报文应急通信手段，确保系统控制数据的最低通信保障。

本发明实施例提供的近距手持遥控器示意图如图5所示，远程三屏遥控基站示意图如图6所示，状态机运行在系统的主线程示意图如图10所示。

为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

本发明实施例提供的产品已经在3.5米“海浔”、7.5米“海鱇”、13.8“海瑶”等无人艇上得到应用。

主干网络主要完成各个无人艇与母舰(岸基)指挥控制系统之间的通信，网络拓扑结构为星形网络。主干网络的通信信道包括两个：卫星通信和无线图传。考虑到卫星通信带宽2M，时延为530ms，而无线图传带宽5M，时延为50ms，因此两种网络无法聚合，只能冗余热备使用，即两个信道同时工作，但是一次只能使用一个链路，这个链路管理通过母舰(岸基)的通信资源管理模块实现信道切换，通信组织如图11所示。

如图2所示，系统硬件组成包括指挥所控制系统、艇载无人控制系统、综合信息传输系统三部分。其中，指挥所控制系统包括远程遥控基站和近距手持遥控器，可同时布设于岸上指挥所或USV的母船/保障船上，在状态机的控制下实现不同任务阶段的有人/无人异地多基站协同控制；具有任务规划管理、路径规划管理、编队协同管理、航行安全管理、通信资源管理、系统仿真运行管理、数据分析与显示、系统参数设置等功能。

艇载无人控制系统采用多线程模块化软件架构、抽象透明的设备接口等技术，可扩展性强、可靠性高；主要包括运行艇载自主航行控制子系统的中央处理机和备用处理机；由卫星导航、姿态传感器等定位系统和温度传感器、震动传感器、风向传感器、风速传感器、油量传感器、电量传感器、发动机传感器、喷泵传感器等组成的内部感知子系统；由自身搭载的雷达、光电、声呐等传感器组成的外部感知系统；包含D/A、CAN、DO、串口、网口等的抽象接口模块，将采集设备接入艇载中央计算机；还包括负责航行安全控制的PLC看门狗。

一般由A/D采集板卡、串口板等采集模块接入艇载中央计算机；外部感知主要利用自身搭载的雷达、光电、声呐等传感器，完成对周围环境的信息获取、目标检测与分析识别，一般由网卡、串口板等接口模块接入艇载中央计算机。

综合信息传输系统，用于实现指挥所控制系统和艇载无人控制系统间的信息交换，包括短距离无线图传、超视距卫星通信、手持遥控2.4G无线通信和北斗短报文保底应急通信。

如图3所示，艇载无人控制系统采用模块化设计，具有人工驾驶、手持遥控、基站遥控、自主航行、仿真运行等5种控制模式，具备定向定速、定点位控、路径跟踪、航迹跟踪、伴随航行、避碰避障、自动返航、编队协同等自主航行能力；采用标准化数据结构，包括航行状态数据结构、航行控制结构、目标(障碍物)数据结构、设备控制数据结构、设备状态数据结构，当系统处于仿真运行模式时，标准化的数据来自USV仿真模型；具有兼容网口、串口、Can总线等不同类型的抽象设备接口，组件化集成了设备监控系统，包括内部感知子系统(位姿感知模块、动力推进模块、电力管理模块)和外部感知子系统(气象感知模块、目标探测模块)，以及任务载荷监控子系统等。

如图4所示，系统采用多线程模式，在时统模块统一触发机制的管理下，利用CPU采样周期为统一的时钟信号来源，触发管理多设备多任务线程的同步，实现了一种水面无人艇异地多基站有人/无人协同控制方法，包括系统控制主流程、航行安全线程以及各设备线程。其中主线程设计了不同控制终端可靠转换的状态机，规定了优先级顺序：手持遥控终端＞基站遥控终端＞自主航行模式＞空闲等待模式，定义了状态切换条件，实现了USV控制数据的来源切换，并根据控制数据以100ms周期间隔生成USV控制指令，实现USV舵角、油门、前进后退、启动熄火、航行灯、状态灯、控制权以及其他设备的控制；主线程运行后，启动航行安全线程，以150ms周期不断获取USV的当前位置和调用航行安全控制算法，判断是否出界，如果出界则强制USV进入空闲等待状态；主线程运行后，启动各设备线程，依据设备数据及状态更新的要求，设置各设备线程的运行周期。

如图5所示，手持遥控终端设备实现目视范围内(200米～400米)的水面无人艇离/靠泊过程操控，包括2.4G天线1安装载手持遥控终端设备的顶端两侧、控制权2、电源3、航行灯控制按钮4、发送机点火按钮5、舵角控制按钮6、自定义功能键7、油门控制杆8、前进倒车按钮9、发送机熄火按钮10依此排列安装在手持遥控终端设备的表面。

如图6所示，基站遥控终端为三屏幕便携设备，包括任务规划与控制界面11、航路规划与态势界面12、状态监控与显示界面13。

如图7所示，任务规划与控制界面。

如图8所示，航路规划与态势界面。

如图9所示，状态监控与显示界面。

如图10所示，状态机运行在系统的主线程，实现空闲等待状态、手持式遥控状态、母船基站遥控状态、岸基基站遥控状态和自主控制状态的切换，规定了优先级顺序：手持遥控状态＞母船基站遥控状态＞岸基基站遥控状态＞自主航行状态＞空闲等待状态，定义了相互状态切换的条件。

如图11所示，无人艇编队冗余可靠通信网络的组织方式如图11所示，各个基站与各无人艇间的通信组织采用卫星通信和无线图传双冗余模式，USV编队内部采用无线数传实现相互态势数据的共享。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统，其特征在于，包括：

指挥所控制系统，包括远程遥控基站和近距手持遥控器，同时布设于岸上指挥所或USV的母船/保障船上，在状态机的控制下实现不同任务阶段的有人/无人异地多基站协同控制；具有任务规划管理、路径规划管理、编队协同管理、航行安全管理、通信资源管理、系统仿真运行管理、数据分析与显示、系统参数设置功能；

艇载无人控制系统，采用多线程模块化软件架构、抽象透明的设备接口，包括运行艇载自主航行控制子系统的中央处理机和备用处理机；

综合信息传输系统，用于实现指挥所控制系统和艇载无人控制系统间的信息交换，包括短距离无线图传、超视距卫星通信、手持遥控2.4G无线通信和北斗短报文保底应急通信；

所述艇载无人控制系统包括由卫星导航、姿态传感器定位系统和温度传感器、震动传感器、风向传感器、风速传感器、油量传感器、电量传感器、发动机传感器、喷泵传感器组成的内部感知子系统；由自身搭载的雷达、光电、声呐传感器组成的外部感知系统；包含D/A、CAN、DO、串口、网口的抽象接口模块，将采集设备接入艇载中央计算机；

所述水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统还包括准备阶段、离泊阶段和布放阶段，具体包括：

①艇载中央控制系统开机，艇载控制系统进行设备自检并进入空闲等待状态，等待手持遥控器、遥控基站等指挥所控制终端设备下达控制指令；

由码头上的工作人员采用手持遥控设备实现200~400m目视范围内的水面无人艇离泊过程操控；

②手持遥控开机后首先按下控制权按键获取控制权；按下发动机启动按键完成无人艇动力系统的点火启动；测试油门摇杆和航向摇杆输出指令的正确性，并控制无人艇航行离开码头；

③到达预设的无人艇待机点，弹起控制权按键释放控制权，无人艇进入空闲等待状态；

④在手持遥控器控制过程中如果出现无线通信信号RSSI丢失，自动进入空闲等待状态；

⑤遥控基站按下控制权按键获得控制权；

⑥遥控基站为无人艇的自主航行进行规划，形成包含航行参数、路径信息、航速信息和载荷控制策略信息的任务列表，并通过无线图传或卫星通信将任务列表下载到无人艇载中央计算机，启动自主航行任务；

⑦在基站控制过程中如果出现无线通信信号RSSI丢失，自动进入空闲等待状态；

所述自主航行阶段、回收阶段和靠泊阶段具体包括：

自主航行任务启动后，艇载中央计算机调用目标导引算法、跟踪控制、避障避碰算法，生成航速、艏向的控制指令，完成航行任务列表；

⑧遥控基站远程人工干预暂停自主航行任务，无人艇控制权再次回到基站遥控，执行发动机点火熄火、加减油门和控制舵机方向的人工遥控命令，辅助观察无线图传回传的视频、数据信息，完成无人艇的人工遥控驾驶；

⑨执行完任务列表后，无人艇自动进入空闲状态；遥控基站重复第⑥步，完成无人艇返航回收方案规划，通过无线图传或卫星通信将任务列表下载到无人艇载中央计算机，启动自主返航任务；

到达距离码头200~400m附近的自主返航终点后，无人艇进入空闲状态，手持遥控器重复第②步，按下控制权按键获得控制权，控制无人艇油门、舵机安全靠泊，按下发动机熄火按键完成靠泊。

2.如权利要求1所述的水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统，其特征在于，所述艇载无人控制系统还包括负责航行安全控制的PLC看门狗；由A/D采集板卡、串口板采集模块接入艇载中央计算机；外部感知主要利用自身搭载的雷达、光电、声呐传感器，完成对周围环境的信息获取、目标检测与分析识别，一般由网卡、串口板接口模块接入艇载中央计算机。

3.如权利要求1所述的水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统，其特征在于，所述艇载无人控制系统采用模块化，具有人工驾驶、手持遥控、基站遥控、自主航行、仿真运行5种控制模式，具备定向定速、定点位控、路径跟踪、航迹跟踪、伴随航行、避碰避障、自动返航、编队协同自主航行能力；采用标准化数据结构，包括航行状态数据结构、航行控制结构、目标数据结构、设备控制数据结构、设备状态数据结构，当系统处于仿真运行模式时，标准化的数据来自USV仿真模型；具有兼容网口、串口、Can总线不同类型的抽象设备接口，组件化集成了设备监控系统。

4.如权利要求1所述的水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统，其特征在于，所述水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统采用多线程模式，在时统模块统一触发机制的管理下，利用CPU采样周期为统一的时钟信号来源，触发管理多设备多任务线程的同步，实现了一种水面无人艇异地多基站有人/无人协同控制方法，包括系统控制主流程、航行安全线程以及各设备线程。

5.如权利要求4所述的水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统，其特征在于，主线程设计了不同控制终端可靠转换的状态机，规定了优先级顺序：手持遥控终端＞基站遥控终端＞自主航行模式＞空闲等待模式，定义了状态切换条件，实现了USV控制数据的来源切换，并根据控制数据以100ms周期间隔生成USV控制指令，实现USV舵角、油门、前进后退、启动熄火、航行灯、状态灯、控制权以及其他设备的控制；

主线程运行后，启动航行安全线程，以150ms周期不断获取USV的当前位置和调用航行安全控制算法，判断是否出界，如果出界则强制USV进入空闲等待状态；主线程运行后，启动各设备线程，依据设备数据及状态更新的要求，设置各设备线程的运行周期。

6.如权利要求4所述的水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统，其特征在于，手持遥控终端设备实现目视范围内的水面无人艇离/靠泊过程操控，包括2.4G天线、控制权、电源、航行灯控制按钮、发送机点火按钮、舵角控制按钮、自定义功能键、油门控制杆、前进倒车按钮、发送机熄火按钮；2.4G天线安装载手持遥控终端设备的顶端两侧，控制权、电源、航行灯控制按钮、发送机点火按钮、舵角控制按钮、自定义功能键、油门控制杆、前进倒车按钮、发送机熄火按钮依此排列安装在手持遥控终端设备的表面；

基站遥控终端为三屏幕便携设备，包括任务规划与控制界面、航路规划与态势界面和状态监控与显示界面。

7.一种应用如权利要求1~6任意一项所述水面无人艇模块化异地多基站协同控制系统的水面无人艇异地多基站有人/无人协同控制方法，其特征在于，所述水面无人艇异地多基站有人/无人协同控制方法包括以下步骤：

步骤一，准备阶段：艇载中央控制系统开机，艇载控制系统进行设备自检并进入空闲等待状态，等待指挥所控制终端设备下达控制指令；

步骤二，离泊阶段：手持遥控终端获取控制权并点火启动，控制无人艇航行离开码头；到达预设的无人艇待机点释放控制权，无人艇进入空闲等待状态；

步骤三，布放阶段：遥控基站获得控制权后进行自主航行规划，启动自主航行任务，若出现无线通信信号RSSI丢失，自动进入空闲等待状态；

步骤四，自主航行阶段：自主航行任务启动后，艇载中央计算机调用目标导引算法、跟踪控制、避障避碰算法，生成控制指令，完成航行任务列表；

步骤五，回收阶段：无人艇自动进入空闲状态；遥控基站完成无人艇返航回收方案规划，将任务列表下载到无人艇载中央计算机，启动自主返航任务；

步骤六，靠泊阶段：到达自主返航终点后无人艇进入空闲状态，获得控制权，控制无人艇油门、舵机安全靠泊，按下发动机熄火按键完成靠泊。

8.如权利要求7所述水面无人艇异地多基站有人/无人协同控制方法，其特征在于，所述准备阶段、离泊阶段和布放阶段具体包括：

①艇载中央控制系统开机，艇载控制系统进行设备自检并进入空闲等待状态，等待手持遥控器、遥控基站等指挥所控制终端设备下达控制指令；

由码头上的工作人员采用手持遥控设备实现200~400m目视范围内的水面无人艇离泊过程操控；

②手持遥控开机后首先按下控制权按键获取控制权；按下发动机启动按键完成无人艇动力系统的点火启动；测试油门摇杆和航向摇杆输出指令的正确性，并控制无人艇航行离开码头；

③到达预设的无人艇待机点，弹起控制权按键释放控制权，无人艇进入空闲等待状态；

④在手持遥控器控制过程中如果出现无线通信信号RSSI丢失，自动进入空闲等待状态；

⑤遥控基站按下控制权按键获得控制权；

⑥遥控基站为无人艇的自主航行进行规划，形成包含航行参数、路径信息、航速信息和载荷控制策略信息的任务列表，并通过无线图传或卫星通信将任务列表下载到无人艇载中央计算机，启动自主航行任务；

⑦在基站控制过程中如果出现无线通信信号RSSI丢失，自动进入空闲等待状态；

所述自主航行阶段、回收阶段和靠泊阶段具体包括：

自主航行任务启动后，艇载中央计算机调用目标导引算法、跟踪控制、避障避碰算法，生成航速、艏向的控制指令，完成航行任务列表；

⑧遥控基站远程人工干预暂停自主航行任务，无人艇控制权再次回到基站遥控，执行发动机点火熄火、加减油门和控制舵机方向的人工遥控命令，辅助观察无线图传回传的视频、数据信息，完成无人艇的人工遥控驾驶；

⑨执行完任务列表后，无人艇自动进入空闲状态；遥控基站重复第⑥步，完成无人艇返航回收方案规划，通过无线图传或卫星通信将任务列表下载到无人艇载中央计算机，启动自主返航任务；

到达距离码头200~400m附近的自主返航终点后，无人艇进入空闲状态，手持遥控器重复第②步，按下控制权按键获得控制权，控制无人艇油门、舵机安全靠泊，按下发动机熄火按键完成靠泊。

9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求7所述的水面无人艇异地多基站有人/无人协同控制方法。

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