CN116489045A - 一种小型无人船组网观测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种小型无人船组网观测系统，涉及海洋信息测量技术领域，该系统包括：管理中心、母船/岸站、以及无人船集群；无人船集群由2个及以上的无人船组成，且无人船与无人船之间互相通信；无人船与母船/岸基之间互相通信；管理中心与母船/岸基之间互相通信；管理中心，用于完成指令下发工作、作业任务分配工作、作业区域设定工作以及数据融合工作；母船/岸站，用于完成作业任务调度工作、通信控制工作、作业路径规划工作、以及无人船之间的作业任务协调工作；无人船集群，用于完成自主航行工作、协同作业工作、指令执行工作、数据采集工作及数据上报工作。本发明能够达到无人船执行繁重作业任务、适应复杂水域的目的。
Description
技术领域
本发明涉及海洋信息测量技术领域，特别是涉及一种小型无人船组网观测系统。
背景技术
由于小型无人船吃水浅，对工作环境要求较低，故将无人船应用于海洋环境观测中，可有效弥补传统监测手段的局限性。但是，单体无人船抗高海况能力比较差，工作效率也比较低，在风浪较大的水域条件下无法保证其航行稳定性以及数据有效性，在复杂水域、大面积水域、作业任务繁多的情况下，其执行作业任务的效率也会大打折扣，尚不能满足多种作业任务需求。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种小型无人船组网观测系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种小型无人船组网观测系统，包括：管理中心、母船/岸站、以及无人船集群；无人船集群由2个及以上的无人船组成，且无人船与无人船之间互相通信；无人船与母船/岸基之间互相通信；管理中心与母船/岸基之间互相通信；
管理中心，用于完成指令下发工作、作业任务分配工作、作业区域设定工作以及数据融合工作；
母船/岸站，用于完成作业任务调度工作、通信控制工作、作业路径规划工作、以及无人船之间的作业任务协调工作；
无人船集群，用于完成自主航行工作、协同作业工作、指令执行工作、数据采集工作及数据上报工作。
可选的，所述小型无人船组网观测系统的通信策略为采用TCP协议进行指令远程交互通信，采用UDP协议进行数据远程交互通信。
可选的，所述管理中心至少包括服务器、作业管理中心以及图数传系统；
所述服务器分别与所述作业管理中心以及所述图数传系统连接；
所述作业管理中心用于布置当前阶段作业区域以及作业任务，并根据当前阶段作业区域以及作业任务，确定无人船工作模式；
所述服务器用于将作业任务、无人船工作模式和作业区域通过所述图数传系统下发至母船/岸基。
可选的，所述无人船工作模式包括伴随测量模式和自主测量模式；所述伴随测量模式为母船和无人船协同在作业区域工作的模式，所述自主测量模式为母船未在作业区域工作，无人船在作业区域工作的模式。
可选的，所述母船/岸基，用于：
对获取的作业任务进行划分，得到多个子任务，并将子任务分给无人船集群中各个无人船；
根据获取的无人船工作模式，控制无人船集群中各个无人船的工作方式；
根据获取的作业区域，规划无人船集群中各个无人船的航行路线，并将航行路线下发至各个无人船；
将各个无人船上报的测量数据进行预处理，并将预处理后的测量数据上报至管理中心。
可选的，无人船，用于：
接收其他无人船的位置信息、速度信息以及任务执行状态信息；
发送自身的位置信息、速度信息以及任务执行状态信息。
可选的，所述母船/岸基，还用于：
当部分无人船已完成子任务，部分无人船未完成子任务时，协调调度完成子任务的无人船辅助未完成子任务的无人船工作。
可选的，所述管理中心还包括与服务器连接的控制中心；
所述控制中心用于当部分无人船已完成子任务，部分无人船未完成子任务时，输出调度指令；所述调度指令为协调调度完成子任务的无人船辅助未完成子任务的无人船工作的指令；
所述服务器用于将调度指令通过所述图数传系统下发至母船/岸基；
所述母船/岸基用于根据调度指令，协调调度完成子任务的无人船辅助未完成子任务的无人船工作。
可选的，所述管理中心还包括与服务器连接的遥控装置；
所述遥控装置，与无人船直接通信，用于当无人船靠岸时，对无人船进行导航控制。
可选的，所述母船/岸基，还用于：
当无人船故障时，对无人船输送重启指令或者自检指令。
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：
本发明提供了一种小型无人船组网观测系统。本发明以导航控制、集群无人船通信、作业路径规划、数据采集及数据融合等作为主要研究内容，着重研究小型无人船组网观测关键技术，研发集群式的多无人船协同的工作模式。该工作模式可很好地实现无人船执行繁重作业任务、适应复杂水域的技术效果。
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为本发明实施例提供的小型无人船组网观测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的管理中心与母船/岸站之间的通信种类及通信类型示意图；
图3为本发明实施例提供的母船/岸站与无人船集群之间的通信种类和通信类型示意图；
图4为本发明实施例提供的自主测量模式下的链路结构示意图；
图5为本发明实施例提供的自主测量模式下的测试方法示意图；
图6为本发明实施例提供的伴随测量模式下的链路结构示意图；
图7为本发明实施例提供的伴随测量模式下的测试方法示意图；
图8为本发明实施例提供的以地波雷达方向图校准为测量作业任务进行举例的流程图；
图9为本发明实施例提供的管理中心—母船/岸站—无人船集群的运行流程图。
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。
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。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供的小型无人船组网观测系统是通过层级化的无人船组网架构设计的，整个架构由各部分之间的指令交互、数据共享、通信互通完成。
该系统包括管理中心、母船/岸站、无人船集群3部分。其中，无人船集群由2个及以上的无人船组成，且无人船与无人船之间互相通信；无人船与母船/岸基之间互相通信；管理中心与母船/岸基之间互相通信。
管理中心作为小型无人船组网观测系统的大脑，用于完成指令下发工作、作业任务分配工作、作业区域设定工作、数据融合工作等；母船/岸基作为小型无人船组网观测系统的指挥官，用于完成作业任务调度工作、通信控制工作、作业路径规划工作、以及无人船之间的作业任务协调工作等；无人船集群是集群作业的执行者，用于完成自主航行工作、协同作业工作、指令执行工作、数据采集工作及数据上报工作等。
其中，管理中心与母船/岸站之间的通信种类主要有作业任务下发、任务数据上报、以及指令应答等；母船/岸站与无人船集群之间的通信种类主要有作业调度、作业任务下发、故障定位及排除、测量数据处理等；无人船之间的通信主要有数据共享、指令交互、时空同步以及指令应答等。由于无人船多，通信一般比较繁杂，本系统采用的通信策略设计为：采用TCP协议进行指令远程交互通信，采用UDP协议进行数据远程交互通信。
在本发明实施例中，管理中心与母船/岸站之间的通信种类及通信类型如图2所示。管理中心主要有服务器、以及与服务器分别连接的控制中心、作业管理中心、遥控装置、图数传系统。其中，服务器主要用于将控制中心、作业管理中心、遥控装置以及图数传系统中的数据进行集成及分发。
控制中心主要用于无人船集群的指控、调度等工作，具体为：
所述控制中心用于当部分无人船已完成子任务，部分无人船未完成子任务时，输出调度指令；所述调度指令为协调调度完成子任务的无人船辅助未完成子任务的无人船工作的指令；所述服务器用于将调度指令通过所述图数传系统下发至母船/岸基；所述母船/岸基用于根据调度指令，协调调度完成子任务的无人船辅助未完成子任务的无人船工作。
作业管理中心主要用于布置当前阶段作业区域以及作业任务，并根据当前阶段作业区域以及作业任务，确定无人船工作模式，该作业管理中心还用于作业区域以及作业任务的下发、修改、取消等。
所述无人船工作模式包括伴随测量模式和自主测量模式；所述伴随测量模式为母船和无人船协同在作业区域工作的模式，所述自主测量模式为母船未在作业区域工作，无人船在作业区域工作的模式。
图数传系统是管理中心与母船/岸站之间的通信工具，即作业任务下发、数据上报、指令应答等都是通过图数传系统实现的，即服务器用于将作业任务、无人船工作模式和作业区域通过所述图数传系统下发至母船/岸基。
所述遥控装置，与无人船直接通信，用于当无人船靠岸时，对无人船进行导航控制，例如：由于自动导航的精度不够，容易发生碰撞事故，故在无人船靠岸时，距离岸边5m之内就需要用遥控装置进行人工导航，无人船不能依赖自动导航。
在本发明实施例中，上述涉及到的无人船工作模式包括伴随测量模式和自主测量模式。由于母船吃水相对较深，不适合暗礁浅滩区域作业，故当作业区域遍布暗礁或是浅滩区域时一般采用自主测量；如果作业区域水深满足母船吃水条件，并且作业任务量比较大，则一般采用伴随测量。
在本发明实施例中，母船/岸站与无人船集群之间的通信种类和通信类型如图3所示。根据执行作业任务的水域情况及作业任务的具体需求，操控台（操控台安装有一套专用的集成软件系统，用于指令下发、数据回收等）有时搭建在母船上，有时直接搭建在岸站。母船/岸站通过操控台直接操控无人船集群，是作业现场的指挥者。母船/岸站与无人船集群之间的通信种类主要有作业任务调度、作业任务下发、故障定位及排除、测量数据处理等。
母船/岸站与无人船之间一直保持心跳，如果心跳信号消失超过一定时间（1min）则判定通信故障。可通过远程发送重启指令进行故障排除，其中，重启只是其中的一种手段，根据具体情况还可以发送自检指令等。无人船主控箱里有一块板子，该板子安装一套专用的软件系统，该软件系统用于数据处理、通信等。
测量数据是搭载在无人船上的测量设备获取的数据，这些数据发送到母船/岸站时，有的是以二进制格式发送的，需要按照预定的格式进行解析，获取有效数据。
母船/岸站从服务器获取到作业任务和无人船工作模式后，先进行作业任务预处理，即将作业任务合理划分成子任务，然后分发给无人船集群的各个无人船。在作业任务执行过程中，如果有无人船率先完成预设作业任务（即无人船完成了自己分配到的子任务），则母船/岸站还需要进行作业任务调度，统筹分配，提高整个无人船集群的工作效率。在数据方面，母船/岸站负责获取无人船集群中各个无人船上报的数据，并进行数据预处理、数据拼接、数据融合（这个数据处理得根据具体的应用来说，比如搭载了多波束测量仪，那么需要将每个无人船测量的扫描图像数据进行同步、融合、拼接等操作后，形成一幅完整的地形扫描图像）等，并实时上报给管理中心。
故母船/岸站，用于：
对获取的作业任务进行划分，得到多个子任务，并将子任务分给无人船集群中各个无人船；
根据获取的无人船工作模式，控制无人船集群中各个无人船的工作方式；
根据获取的作业区域，规划无人船集群中各个无人船的航行路线，并将航行路线下发至各个无人船；
将各个无人船上报的测量数据进行预处理，并将预处理后的测量数据上报至管理中心；
当部分无人船已完成子任务，部分无人船未完成子任务时，协调调度完成子任务的无人船辅助未完成子任务的无人船工作；
当无人船故障时，对无人船输送重启指令或者自检指令。
无人船，用于：
接收其他无人船的位置信息、速度信息以及任务执行状态信息；
发送自身的位置信息、速度信息以及任务执行状态信息。
无人船的机动性和通信能力特点，决定了无人船集群组网可形成紧耦合的网络，这种网络模式能使组网能效得到更好的发挥。一般无人船组网测量模式是根据不同应用场景和应用目的分为两种模式：自主测量模式和伴随测量，管理中心需要根据海洋要素观测、目标搜索跟踪、环境监督、区域巡逻等方面的应用判断具体选择哪种组网模式。
现以地波雷达方向图校准为作业任务进行举例。
自主测量模式是母船/岸基作为操控台，不参与测量作业任务。所有的测量作业任务均由无人船集群完成。这种模式的组网链路为多对多去中心化结构，主要用于各无人船之间实现航控数据(该航控数据包括位置、速度、状态等信息)的共享，其中，无人船之间采用UDP协议进行通信的，链路结构示意图如图4所示。
母船/岸站位于作业区域之外，负责作业任务下达及无人船集群调度。3条无人船组成无人船集群，辅助天线分别固定于3条无人船上，被测天线作发射，且固定不动（塔架搭建在P点），3条无人船分别以半径（无人船与P点之间的直线距离）为R1、R2、R3的设定固定路线做正圆弧运动，运动过程中接收被测天线发射的相对场强，从而获得该平面内的地波雷达方向图特征。其中，该测试方法示意图如图5所示。
被测天线是指正在进行校准的地波雷达天线，安装于地波雷达设备上。辅助天线安装于无人船/母船上，将要对被测的地波雷达天线进行校准。
塔架就是被测的地波雷达塔架，上面的天线是被测的地波雷达天线。
在测量过程中，由于每个无人船扫测的水域条件不一样，有的无人船扫测速度快一些有的慢一些，这就需要无人船共享彼此的位置、速度、以及作业任务进度等数据，并将这些数据实时上报给母船/岸基，由母船/岸基根据作业任务完成情况进行调度，速度快的无人船在完成子任务后可被调去支援速度慢的无人船，或者对于复杂水域，障碍物比较多的情况下，需要多无人船从不同角度协同完成某一区域的扫描。
自主测量模式主要用于浅水水域、危险水域以及其他一些敏感水域。这些水域的特点水深较浅、作业空间受限或有一定危险性，不适合大船或有人船现场作业。开展测量作业时，母船/岸基预先规划好无人船测线，母船/岸基在附近安全水域/岸上远程监控，母船/岸站上安装的软件系统能够实时与无人船保持通信，每个无人船的航行路线实时展示在软件系统的界面上，用户可通过界面上显示的每个无人船的路径信息进行远程监控，无人船按照预设测线自主开展测量，采集的数据实时上传到母船的数据采集拼接软件中。
上述路线规划是在母船/岸站的电脑上进行的，该电脑上安装了一套专用的软件系统，具有路径规划的功能。路径规划后，点击确定，规划的路径信息直接下发到无人船上。
伴随测量模式是母船不仅作为操控台，同时也参与测量作业任务。测量作业任务由母船带领无人船一起完成。这种模式的组网链路为一对多有中心结构，各无人船的航控数据(位置、速度、状态等信息)实时上报给母船，再由母船根据作业任务执行情况分配调度作业任务，链路结构示意图如图6所示。
以地波雷达方向图校准为测量作业任务进行举例。母船和2条无人船组成集群，辅助天线分别固定于3条船上，被测天线作发射，且固定不动（塔架搭建在P点），3条船分别以半径（母船/无人船与P点之间的直线距离）为R1、R2、R3设定固定路线做正圆弧运动，运动过程中接收被测天线发射的相对场强，从而获得该平面内的方向图特征。其中，测试方法示意图如图7所示。
假设母船负责扫测R2航线，两条无人船分别负责扫测R1航线和R3航线。在作业任务执行过程中，母船一边完成扫测作业任务，一边负责实时监控两条无人船的运行情况和作业任务完成情况，实时调度（比如：集群中有的无人船已完成分配的作业任务，有的无人船的作业任务完成度很低，则母船可将未完成的作业任务再次分解，重新下发给这两个无人船，让已完成作业任务的无人船帮忙另一个无人船完成作业任务），以最大的效率完成作业任务。同时，母船还负责实时获取两条无人船的实测数据，并完成数据拼接与数据融合，监测数据质量，对不符合要求的数据及时剔除并安排作业任务重新补充测扫。
伴随测量主要用于航路、定线制、锚地等开阔水域测量。这些区域特点是水域开阔、测量面积大、障碍物比较少，能够多艘船艇并行开展作业。伴随测量一般是一艘母船携带1艘或多艘无人船同时开展作业，无人船采集辅助数据实时上传到母船的数据采集拼接软件并实时拼接，设定正确的动吃水、静吃水以及声速等参数，数据基本可以比较平滑的拼接，显示拼接后的海洋环境。
其中，图8为上述以地波雷达方向图校准为测量作业任务进行举例的流程图。
如图9所示，上述系统的具体实施过程为：
S1：作业管理中心根据本次作业的区域条件、工作量等确定本次作业任务是伴随测量还是自主测量，并对作业任务进行规划、布置（比如集群中有的无人船续航时间长、航速快，则其子作业任务相对就分配路线长的，有的集群无人船航速慢、或者续航时间短，则分配的子作业任务的作业任务量相对小一点），服务器接收到规划后的作业任务数据后通过图数传系统下发到母船/岸站。
S2：母船/岸站接收到作业任务后，先进行作业任务预处理，将作业任务合理划分成子任务，然后分发给无人船集群的各个无人船。
S3：各个无人船收到作业任务后，到达作业任务起始位置，开始测量，并将测量数据、测量进度实时上报给母船/岸站。
S4：母船/岸站获取到各个无人船上报的数据后，进行数据处理（融合拼接、同步等），上报给服务器。
S5：服务器进行数据集成应用。
S6：母船/岸站获取到各个无人船的作业进度，判断哪些无人船已完成作业任务，哪些无人船作业任务完成进度尚不足2/3（该值可通过配置文件进行更改），并将该情况上报给控制中心。控制中心重新划分剩余作业，并下发到母船/岸站，调度已完成作业任务的无人船协助未完成作业任务的无人船，继续完成作业任务；
S7：所有无人船均完成作业任务，结束。
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 (10)
1.一种小型无人船组网观测系统，其特征在于，包括：管理中心、母船/岸站、以及无人船集群；无人船集群由2个及以上的无人船组成，且无人船与无人船之间互相通信；无人船与母船/岸基之间互相通信；管理中心与母船/岸基之间互相通信；
管理中心，用于完成指令下发工作、作业任务分配工作、作业区域设定工作以及数据融合工作；
母船/岸站，用于完成作业任务调度工作、通信控制工作、作业路径规划工作、以及无人船之间的作业任务协调工作；
无人船集群，用于完成自主航行工作、协同作业工作、指令执行工作、数据采集工作及数据上报工作。
2.根据权利要求1所述的一种小型无人船组网观测系统，其特征在于，所述小型无人船组网观测系统的通信策略为采用TCP协议进行指令远程交互通信，采用UDP协议进行数据远程交互通信。
3.根据权利要求1所述的一种小型无人船组网观测系统，其特征在于，所述管理中心至少包括服务器、作业管理中心以及图数传系统；
所述服务器分别与所述作业管理中心以及所述图数传系统连接；
所述作业管理中心用于布置当前阶段作业区域以及作业任务，并根据当前阶段作业区域以及作业任务，确定无人船工作模式；
所述服务器用于将作业任务、无人船工作模式和作业区域通过所述图数传系统下发至母船/岸基。
4.根据权利要求3所述的一种小型无人船组网观测系统，其特征在于，所述无人船工作模式包括伴随测量模式和自主测量模式；所述伴随测量模式为母船和无人船协同在作业区域工作的模式，所述自主测量模式为母船未在作业区域工作，无人船在作业区域工作的模式。
5.根据权利要求3所述的一种小型无人船组网观测系统，其特征在于，所述母船/岸基，用于：
对获取的作业任务进行划分，得到多个子任务，并将子任务分给无人船集群中各个无人船；
根据获取的无人船工作模式，控制无人船集群中各个无人船的工作方式；
根据获取的作业区域，规划无人船集群中各个无人船的航行路线，并将航行路线下发至各个无人船；
将各个无人船上报的测量数据进行预处理，并将预处理后的测量数据上报至管理中心。
6.根据权利要求5所述的一种小型无人船组网观测系统，其特征在于，无人船，用于：
接收其他无人船的位置信息、速度信息以及任务执行状态信息；
发送自身的位置信息、速度信息以及任务执行状态信息。
7.根据权利要求5所述的一种小型无人船组网观测系统，其特征在于，所述母船/岸基，还用于：
当部分无人船已完成子任务，部分无人船未完成子任务时，协调调度完成子任务的无人船辅助未完成子任务的无人船工作。
8.根据权利要求5所述的一种小型无人船组网观测系统，其特征在于，所述管理中心还包括与服务器连接的控制中心；
所述控制中心用于当部分无人船已完成子任务，部分无人船未完成子任务时，输出调度指令；所述调度指令为协调调度完成子任务的无人船辅助未完成子任务的无人船工作的指令；
所述服务器用于将调度指令通过所述图数传系统下发至母船/岸基；
所述母船/岸基用于根据调度指令，协调调度完成子任务的无人船辅助未完成子任务的无人船工作。
9.根据权利要求3所述的一种小型无人船组网观测系统，其特征在于，所述管理中心还包括与服务器连接的遥控装置；
所述遥控装置，与无人船直接通信，用于当无人船靠岸时，对无人船进行导航控制。
10.根据权利要求5所述的一种小型无人船组网观测系统，其特征在于，所述母船/岸基，还用于：
当无人船故障时，对无人船输送重启指令或者自检指令。
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- 2023-03-22 CN CN202310283845.5A patent/CN116489045A/zh active Pending
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