專利名稱：水面船偵察系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水面船偵察系統(tǒng)，尤其涉及多個水面無人船協(xié)作的偵察系統(tǒng)，屬于船舶技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
水面無人船、無人艇是一種海上智能運動平臺，具有情報收集、監(jiān)視、偵察、武裝保護、掃雷、反潛等功能，與普通艦艇相比，具有隱蔽性好、機動靈活、無人傷亡等優(yōu)點，已被越來越廣泛地用于軍事、民用等領(lǐng)域。公開號為CN 101750614A，名稱為“無人艇自動觀測系統(tǒng)以及無人艇自動觀測方法”的專利文獻公開了實現(xiàn)無人艇的無線控制、自動路線規(guī)劃和信息搜集的技術(shù)方案。但該系統(tǒng)只有單艘無人艇觀測方案且路徑需先確定，無法適應(yīng)完全陌生環(huán)境或者突發(fā)情況，同時操控者對其無線控制受距離和環(huán)境的限制，使得該系統(tǒng)觀測范圍有限。多智能體系統(tǒng)是多個智能體組成的集合，通過各智能體間的通訊、合作、互解、協(xié)調(diào)、調(diào)度、管理及控制來表達系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及行為特性。采用多智能體系統(tǒng)解決實際應(yīng)用問題，具有很強的魯棒性和可靠性，并具有較高的問題求解效率。公開號為CN 101853006A，名稱為“多智能體協(xié)同控制系統(tǒng)”的中國發(fā)明專利文獻公開了一種多智能體協(xié)同控制的通用系統(tǒng)，封裝了多智能體的感知、通信、決策和控制等功能。但該系統(tǒng)只有較為基礎(chǔ)的通信、控制、決策等模塊，未針對水面工作環(huán)境提出構(gòu)建偵察網(wǎng)絡(luò)的具體方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種水面船偵察系統(tǒng)，通過多個無人船或無人艇之間實時通信并用相應(yīng)算法有效綜合多個船(艇)體搜集的信息，分別實現(xiàn)協(xié)同定位、協(xié)同避碰和協(xié)同信息搜集功能。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)
一種水面船偵察系統(tǒng)，由運動載體系統(tǒng)和功能設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成，運動載體系統(tǒng)由三艘以上的水面無人船組成，其中一艘為無人母船，其余為無人子船；所述無人子船功能設(shè)備包括通信模塊1、簡單信息處理模塊2、PAC控制模塊3、感知模塊4、GPS和電子羅盤模塊5、任務(wù)模塊6，所述通信模塊1、PAC控制模塊3、感知模塊4、GPS和電子羅盤模塊5、任務(wù)模塊6分別與簡單信息處理模塊2相連，所述無人母船為綜合決策及指揮船，無人母船功能設(shè)備包括通信模塊1、簡單信息處理模塊2、PAC控制模塊3、感知模塊4、GPS和電子羅盤模塊5、任務(wù)模塊6、決策模塊7，所述通信模塊1、PAC控制模塊3、感知模塊4、GPS和電子羅盤模塊5、任務(wù)模塊6、決策模塊7分別與簡單信息處理模塊2相連。本發(fā)明的目的還可以通過以下技術(shù)措施來進一步實現(xiàn)
前述水面船偵察系統(tǒng)，其中感知模塊4包括激光測距傳感器9和雷達10。一種水面船偵察系統(tǒng)的協(xié)作定位方法為各無人子船通過GPS獲得自身位置信息，通過激光測距傳感器和雷達感知獲得目標(biāo)相對于船體的角度和距離信息，通過三維電 子羅盤獲得船體的中軸線偏轉(zhuǎn)的角度信息；由簡單信息處理模塊2計算出目標(biāo)絕對位置坐 標(biāo)，并通過通信模塊I發(fā)送給無人母船，無人母船選擇距離目標(biāo)較近且便于測量的無人子 船對目標(biāo)進行定位，并將收到的所有位置信息進行處理并通過協(xié)作定位提高定位精度。
一種水面船偵察系統(tǒng)的協(xié)作避碰方法為當(dāng)某無人子船遇到障礙物后，測出其位 置信息并發(fā)送給無人母船，無人母船調(diào)動附近無人子船協(xié)助測量，獲得更多的障礙物形狀 信息，由無人母船對各無人子船信息進行綜合分析，通過模糊評判和高效優(yōu)化理論，形成總 體最優(yōu)的避碰方法。
一種水面船偵察系統(tǒng)的協(xié)作搜集信息方法為根據(jù)任務(wù)需要，無人母船為無人子 船分配測量位置，各船通過協(xié)作定位處于最佳測量位置，通過通信模塊I協(xié)調(diào)可在精確的 在同一時間以相同頻率收集多個地點的所需信息；經(jīng)自身初步處理后，各無人子船將收集 的信息發(fā)送給無人母船，無人母船對信息整合存儲后通過通信模塊I發(fā)送給各子船使其備 份數(shù)據(jù)；同時無人母船根據(jù)信息收集情況采用模糊決策和高效優(yōu)化理論分配下一輪的信息 收集任務(wù)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本水面船偵察系統(tǒng)與傳統(tǒng)方式相比可實 現(xiàn)提高定位精度，優(yōu)化避碰路線，并使信息搜集時效更強、范圍更廣、搜集過程更加靈活，可 被用于近海搜集、水文觀測、航道監(jiān)測等多個領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明各模塊結(jié)構(gòu)及信息交換關(guān)系圖；圖2為本發(fā)明模塊位置關(guān)系圖；圖3為近海搜救流程圖。
具體實施方式
以下結(jié)合本發(fā)明在近海搜集方面的實例對發(fā)明進行具體描述如圖1所示，本發(fā)明無人子船(艇)通過激光測距傳感器、攝像、紅外和雷達等感知 模塊和GPS三維電子羅盤模塊搜集本船位置、航向信息以及與障礙物的距離信息，GPS和三 維電子羅盤模塊與簡單信息處理模塊進行單方向通信，將所收集信息傳遞給簡單信息處理 模塊進行初步處理。激光測距傳感器和雷達等感知模塊、任務(wù)模塊、通信模塊以及母船(艇) 特有的決策模塊均與信息處理模塊雙向通信。任務(wù)模塊為以紅外攝像機為主的搜索系統(tǒng)， 自身帶有可判斷是否搜索到遇難人員的的芯片。各船(艇)通過通信模塊發(fā)送接收信息，并 通過信信息處理模塊對信息進行簡單處理，母船(艇)的信息處理模塊與決策模塊互相交換 信息，實現(xiàn)對復(fù)雜任務(wù)的整體協(xié)調(diào)功能。各船(艇)PAC模塊與信息處理模塊相連，受其控制。 其中PAC控制器、信息處理模塊和決策模塊均位于PAC控制器內(nèi)。
圖2所示各模塊位置和功能如下通信模塊I位于船(艇)體中前方以及PAC控制器前方，在搜救任務(wù)中負(fù)責(zé)實時收發(fā)信 息，為各船(艇)建立信息連接的基礎(chǔ)。
PAC控制模塊3位于船體中后部，由部分PAC控制器和舵角控制器及電機轉(zhuǎn)速控制 器組成，信息處理模塊根據(jù)收到的通信模塊、任務(wù)模塊、GPS和三維電子羅盤模塊以及激光測距傳感器和雷達等感知模塊的信息(母船(艇)還包括決策模塊的信息)選擇船的舵角、電機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速傳遞給PAC控制模塊控制船的航行狀態(tài)。
激光測距傳感器9和雷達10等感知模塊由位于各船主船(艇)船首及兩側(cè)片體首部的三個激光測距傳感器及雷達等感知設(shè)備組成，激光測距傳感器為可旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，可測量制定角度下與前方目標(biāo)的距離，雷達可觀測障礙物形狀和距離信息該模塊實時將測量方向上信息傳遞給信息處理模塊。
GPS和三維電子羅盤5位于船(艇)體中部、通信模塊前方，測量船體的速度、位置和航向，實時將數(shù)據(jù)傳送給PAC控制器的信息處理模塊。作為重要參考信息控制PAC控制模塊，與PAC控制模塊構(gòu)成控制航線的反饋系統(tǒng)。
任務(wù)模塊位于GPS和三維電子羅盤模塊前方的主船(艇)體部分，其紅外攝像機高度高于主船(艇)體，拍攝方向為正前方，另外用于本實例的任務(wù)模塊包含信息處理芯片，接收紅外攝像機的圖像信息，判斷是否有符合搜索條件的目標(biāo)，并將判斷結(jié)果傳遞給信息處理模塊。
信息處理模塊位于PAC控制器中，其核心為信息處理算法，具有存儲單元，連接其余各個模塊，接收其數(shù)據(jù)，處理后向相關(guān)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)船(艇)體控制和搜救功能實現(xiàn)。處理算法為其工作的核心，包含了簡單的避碰方法，和自動航行控制算法，可獨立實現(xiàn)單船(艇)自動返航，數(shù)據(jù)存儲和發(fā)送。
決策模塊位于母船PAC控制器中，是多船_)協(xié)作高級策略的產(chǎn)生中心，綜合各船 (艇)信息后作出整體路徑規(guī)劃和任務(wù)分配。該模塊的的核心是模糊決策、模糊評判和高效優(yōu)化算法，以及用于實現(xiàn)各船(艇)的協(xié)作同步、整體任務(wù)分配和實現(xiàn)程度檢測的算法。
圖3為近海搜救的流程圖1、系統(tǒng)檢測，測試各設(shè)備是否正常工作分別各船(艇)的各個模塊進行功能測試，對船 (艇)身和其他機電設(shè)備進行檢查，確保各設(shè)備工作正常。
2、根據(jù)需要確定需要搜救的范圍，將路線輸入母船(艇)存儲模塊。
3、施放各船(艇)到目標(biāo)區(qū)域，或各船(艇)自主航行至目標(biāo)區(qū)域，母船0 )根據(jù)搜救范圍完成最初各船(艇)路徑規(guī)劃，并通過通信模塊分配給子船(艇)，各船(艇)同步執(zhí)行搜救任務(wù)。
4、正常搜救無障礙時，各船(艇)并排航行，以“之”字形路線對目標(biāo)海域逐一搜救， 通過紅外攝像機和雷達等設(shè)備探測前方有無搜救目標(biāo)，各船(艇)通過GPS和三維電子羅盤模塊及PAC控制模塊保持同航向、同航速。具體步驟⑴子船(艇)任務(wù)模塊信息傳送至簡單信息處理模塊；(2)無目標(biāo)出現(xiàn)，PAC控制模塊使船(艇)體原路徑航行；(3)通信模塊發(fā)送位置航向航速信息至母船(艇)用于維持航向；5、如前方路徑遇到障礙物，啟動協(xié)作避碰方案，方法如下⑴激光測距傳感器和雷達等探測子船(艇)遇到障礙物；⑵簡單信息處理模塊通知PAC控制模塊執(zhí)行簡單避碰操作；⑶通信模塊將障礙物位置信息發(fā)送至母船(艇)；⑷母船決策模塊調(diào)用其它子船(艇)協(xié)作觀測障礙物；(5)母船(艇)決策模塊綜合信息，計算優(yōu)化避碰路徑；(6)母船(艇)通信模塊將路徑發(fā)送至子船(艇)； (7)子船(艇)改變航向航速，并繼續(xù)觀測前方障礙信息；
(8)還未完全避開障礙物重復(fù)步驟⑴-(7)；
(9)避碰過程結(jié)束。6、如紅外探測傳感器模塊搜索到搜救目標(biāo)，通過協(xié)作定位方案測量該地點方位，并通過通信模塊通知各船(艇)同時像周圍搜救船只發(fā)出救援信號。⑴子船(艇)任務(wù)模塊發(fā)現(xiàn)目標(biāo)；
⑵發(fā)現(xiàn)目標(biāo)子船(艇)簡單信息處理模塊通知激光測距傳感器和雷達等感知器器測量目標(biāo)角度、距離和形狀信息；
⑶發(fā)現(xiàn)目標(biāo)子船(艇)通信模塊將信息發(fā)送至母船(艇);
⑷母船(艇)決策模塊根據(jù)各船位置經(jīng)模糊決策調(diào)用適合的子船測量目標(biāo)位置；
(5)特定協(xié)作子船測量目標(biāo)位置簡單處理后將信息反饋給母船(艇)；
(6)母船(艇)通過協(xié)同定位算法計算目標(biāo)精確位置；
⑴母船(艇)及各船(艇)通信模塊對外發(fā)送求救信號，或通知子船(艇)實施救援的方法。7、當(dāng)完成對預(yù)設(shè)海域的遍歷或搜索到預(yù)設(shè)數(shù)目的搜救目標(biāo)時，母船(艇)通知各船(艇)啟動自動返航功能
⑴母船(艇)匯總各船信息，完成全部區(qū)域搜索或搜救人數(shù)等于預(yù)定人數(shù)；
⑵母船(艇)決策模塊根據(jù)搜救過程中搜集的信息計算最優(yōu)返航路徑；
⑶母船(艇)通信模塊通知子船返航。除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式，凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種水面船偵察系統(tǒng)，其特征在于，由運動載體系統(tǒng)和功能設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成，運動載體系統(tǒng)由三艘以上的水面無人船組成，其中一艘為無人母船，其余為無人子船；所述無人子船功能設(shè)備包括通信模塊(I)、簡單信息處理模塊(2)、PAC控制模塊(3)、感知模塊(4)、GPS和電子羅盤模塊(5)、任務(wù)模塊(6)，所述通信模塊(I)、PAC控制模塊(3)、感知模塊(4)、GPS和電子羅盤模塊(5)、任務(wù)模塊(6)分別與簡單信息處理模塊(2)相連，所述無人母船為綜合決策及指揮船，無人母船功能設(shè)備包括通信模塊(I)、簡單信息處理模塊(2)、PAC控制模塊(3)、感知模塊(4)、GPS和電子羅盤模塊(5)、任務(wù)模塊(6)、決策模塊(7)，所述通信模塊(1)、PAC控制模塊(3)、感知模塊(4)、GPS和電子羅盤模塊(5)、任務(wù)模塊(6)、決策模塊(7)分別與簡單信息處理模塊(2)相連。
2.如權(quán)利要求1所述的水面船偵察系統(tǒng)，其特征在于，所述感知模塊(4)包括激光測距傳感器(9)和雷達(10)。
3.—種如權(quán)利要求1所述的水面船偵察系統(tǒng)的協(xié)作定位方法，其特征在于，各無人子船通過GPS獲得自身位置信息，通過激光測距傳感器和雷達感知獲得目標(biāo)相對于船體的角度和距離信息，通過三維電子羅盤獲得船體的中軸線偏轉(zhuǎn)的角度信息；由簡單信息處理模塊(2)計算出目標(biāo)絕對位置坐標(biāo)，并通過通信模塊(I)發(fā)送給無人母船，無人母船選擇距離目標(biāo)較近且便于測量的無人子船對目標(biāo)進行定位，并將收到的所有位置信息進行處理并通過協(xié)作定位提高定位精度。
4.一種如權(quán)利要求1所述的水面船偵察系統(tǒng)的協(xié)作避碰方法，其特征在于，當(dāng)某無人子船遇到障礙物后，測出其位置信息并發(fā)送給無人母船，無人母船調(diào)動附近無人子船協(xié)助測量，獲得更多的障礙物形狀信息，由無人母船對各無人子船信息進行綜合分析，通過模糊評判和高效優(yōu)化理論，形成總體最優(yōu)的避碰方法。
5.一種如權(quán)利要求1所述的水面船偵察系統(tǒng)的協(xié)作偵察搜集信息方法，其特征在于，根據(jù)任務(wù)需要，無人母船為無人子船分配測量位置，各船通過協(xié)作定位處于最佳測量位置，通過通信模塊(I)協(xié)調(diào)可在精確的在同一時間以相同頻率收集多個地點的所需信息；經(jīng)自身初步處理后，各無人子船將收集的信息發(fā)送給無人母船，無人母船對信息整合存儲后通過通信模塊I發(fā)送給各子船使其備份數(shù)據(jù)；同時無人母船根據(jù)信息收集情況采用模糊決策和高效優(yōu)化理論分配下一輪的信息收集任務(wù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水面船偵察系統(tǒng)及方法，由運動載體系統(tǒng)和功能設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成，運動載體系統(tǒng)由三艘以上的水面無人船組成，其中一艘為無人母船，其余為無人子船；所述無人子船功能設(shè)備包括通信模塊、簡單信息處理模塊、PAC控制模塊、感知模塊、GPS和電子羅盤模塊、任務(wù)模塊，所述無人母船為綜合決策及指揮船，包括決策模塊。本水面船偵察系統(tǒng)與傳統(tǒng)方式相比可實現(xiàn)提高定位精度，優(yōu)化避碰路線，并使信息搜集時效更強、范圍更廣、搜集過程更加靈活，可被用于近海搜集、水文觀測、航道監(jiān)測等多個領(lǐng)域。
文檔編號G05B19/418GK103019179SQ20121046832
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者耿培騰, 楊松林, 周玉龍, 楊旺林, 俞強, 陳鵬, 俞樺, 沈蘇, 商羽 申請人:江蘇科技大學(xué)