本發(fā)明涉及一種基于多無人艇協(xié)同的水上飛機降落系統(tǒng)和方法，屬于智能協(xié)同無人艇應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域和水上飛機應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

水面無人艇(unmannedsurfacevessel，簡稱usv)，是近些年來新興的一種小型無人操作的水面平臺，主要用于執(zhí)行危險以及不適于有人船只執(zhí)行的任務(wù)。其上搭載gps、慣導(dǎo)、雷達、聲吶、超聲等傳感設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航、自主避障、自主追蹤等功能，并可以完成很多特殊任務(wù)。一旦配備先進的控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和武器系統(tǒng)后，可以執(zhí)行多種戰(zhàn)爭和非戰(zhàn)爭軍事任務(wù)，比如：偵察、搜索、探測和排雷；搜救、導(dǎo)航和水文地理勘察。最近興起的協(xié)同無人艇群的發(fā)展使得無人艇系統(tǒng)具有更強的魯棒性、通信能力、機動性、靈活性、更高的作業(yè)效率和更廣的作業(yè)范圍。

水上飛機是指能在水面上起飛、降落和停泊的飛機，簡稱水機，主要用于海上巡邏、反潛、救援和體育運動、旅游、通勤、航拍等。水上飛機的飛行高度為600米至800米，可以填補低空立體交通空白。其工作原理是：當(dāng)水上飛機停泊在水上時，寬大船體所產(chǎn)生的浮力會使飛機浮在水面上并且不會下沉。但在需要起飛時，螺旋槳發(fā)動機產(chǎn)生的拉力，就會拖著它以相當(dāng)快的速度在水面上滑跑。伴隨著速度的不斷增加，機翼上產(chǎn)生的升力慢慢克服了飛機的重力，從而把飛機從水面上逐漸托起來，成為在空中飛行的航船。而在它完成空中任務(wù)之后，自然也要重返到水面，需要在寬闊水面上滑行一段距離后才能停止。

目前，水上飛機的降落主要是依靠人為的判斷水面條件能否滿足水上飛機的降落。這會帶來兩個問題，一是人為的判別存在誤差，特別是當(dāng)水面環(huán)境較復(fù)雜時，人為判斷顯得力不從心；二是人為的判斷能否降落費時費力，工作效率較低。隨著無人系統(tǒng)的發(fā)展，特別是水面無人艇的技術(shù)的進步，一種自動化、智能化的水上飛機降落系統(tǒng)既可以保證降落的穩(wěn)定性和安全性，同時能夠減少人力物力，提升系統(tǒng)工作效率。得益于智能協(xié)同控制無人艇群的發(fā)展，使得設(shè)計一種智能化、高效可靠的水上飛機降落系統(tǒng)成為可能。這樣的一種智能降落系統(tǒng)可以使得水上飛機的降落更加安全和高效，同時可以讓水上飛機在相對狹小和復(fù)雜的環(huán)境中安全的降落，拓寬了水上飛機和水面無人艇技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于多無人艇的水上飛機降落系統(tǒng)和方法，解決水上飛機在復(fù)雜狹小水面環(huán)境下無法安全高效降落的現(xiàn)狀，增強水上飛機自主降落的能力，提高了其自主化程度。同時，也拓寬了多無人艇協(xié)同控制的應(yīng)用領(lǐng)域，推動了協(xié)同無人艇群技術(shù)的發(fā)展。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于多無人艇協(xié)同的水上飛機降落系統(tǒng)，包括無人艇定位模塊、無人艇環(huán)境感知模塊、無人艇協(xié)同控制模塊、無人艇激光模塊、通信模塊和水上飛機視覺感知模塊；所述的無人艇定位模塊、無人艇環(huán)境感知模塊、無人艇協(xié)同控制模塊、無人艇激光模塊均安裝在無人艇上，所述的通信模塊分別安裝在無人艇上和水上飛機上，所述水上飛機視覺感知模塊安裝在水上飛機上；所述的無人艇定位模塊由gps定位單元和慣導(dǎo)單元組成，用于對無人艇的定位和姿態(tài)控制；所述的環(huán)境感知模塊由攝像頭單元、激光雷達單元和聲吶單元組成，用于感知水面和水下的環(huán)境情況，確保水上飛機的降落跑道安全可靠；所述的無人艇協(xié)同控制模塊是根據(jù)各無人艇反饋的環(huán)境信息建立水面跑道的控制系統(tǒng)，運行算法指揮各無人艇運動到指定位置完成水面跑道的建立；所述的無人艇激光模塊由激光發(fā)射單元和激光接收單元組成，用于生成水上飛機的水面跑道；所述的通信模塊由天線單元組成，用于無人艇上和水上飛機的通訊；水上飛機視覺感知模塊位于水上飛機上，用于檢測水面跑道的具體位置信息。

一種基于多無人艇協(xié)同的水上飛機降落方法，使用上述的基于多無人艇協(xié)同的水上飛機降落系統(tǒng)，具體步驟如下：

s01，無人艇群接收任務(wù)指令：無人艇群接收到控制中心發(fā)送的水上飛機降落任務(wù)，確定該任務(wù)執(zhí)行環(huán)節(jié)周圍的四艘無人艇執(zhí)行該任務(wù)；

s02，無人艇群感知環(huán)境信息：指定的各無人艇利用自帶的gps定位單元運動到指定區(qū)域，通過攝像頭單元、激光雷達單元和聲吶單元組成的環(huán)境感知模塊進行環(huán)境信息的獲取，并將獲取到的該區(qū)域的環(huán)境信息通過天線單元傳至無人艇協(xié)同控制模塊，用于其判斷和決策；

s03，無人艇協(xié)同控制模塊判斷該區(qū)域能否降落：無人艇協(xié)同控制模塊根據(jù)各無人艇上傳的環(huán)境信息判斷該區(qū)域能否降落，若該區(qū)域不能降落，則無人艇群繼續(xù)搜索確定能夠降落的區(qū)域；若該地域所有區(qū)域都不能降落則返回不能降落的信息；

s04，無人艇協(xié)同控制模塊生成跑道信息：無人艇協(xié)同控制模塊根據(jù)各無人艇上傳的環(huán)境信息運行算法計算出能夠降落的跑道信息，用于水上飛機的降落；

s05，無人艇群運動到指定位置：無人艇群根據(jù)無人艇協(xié)同控制模塊生成的跑道信息，利用自帶的gps定位單元運動到指定的位置，同時利用慣導(dǎo)單元調(diào)整自身姿態(tài)，為生成水面跑道做好準(zhǔn)備；

s06，無人艇發(fā)射激光形成跑道光柱：無人艇達到指定位置后，由激光發(fā)射單元發(fā)射激光光束至另一艘無人艇的激光接收單元，至少兩艘無人艇形成一條激光束作為跑道的一側(cè)，至少四艘無人艇能夠形成水面降落跑道的兩側(cè)；

s07，無人艇發(fā)送降落指令至水上飛機：水面跑道確定后無人艇發(fā)送能夠降落的指令給水上飛機，告知水面跑道已經(jīng)建立成功，準(zhǔn)備降落；

s08，水上飛機視覺感知模塊確定跑道信息：水上飛機接收到降落的指令后啟動水上飛機視覺感知模塊，對該區(qū)域的水面激光跑道進行感知，確定水面跑道的具體位置信息，準(zhǔn)備降落；

s09，水上飛機順利自主降落，結(jié)束任務(wù)：水上飛機和水面跑道一切準(zhǔn)備就緒后，水上飛機順利安全降落，任務(wù)完成，各無人艇繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

該基于多無人艇協(xié)同的水上飛機降落系統(tǒng)設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)；系統(tǒng)整個降落過程完全自主，無需任何的人為干預(yù)。智能協(xié)同控制的無人艇群完全可以充分準(zhǔn)確的感知環(huán)境信息，保證了整個降落過程的安全順利進行。該系統(tǒng)的基于集群無人艇的設(shè)計是完全自由的，模塊化的設(shè)計，在完成任務(wù)后可以迅速接收其他任務(wù)，操作靈活，很好的體現(xiàn)了智能無人系統(tǒng)的優(yōu)勢。同時，隨著這項技術(shù)的應(yīng)用，使得協(xié)同無人艇群和水上飛機的應(yīng)用范圍擴大，也促進了無人艇技術(shù)的進一步發(fā)展，更加推動了整個無人系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用步伐。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的無人艇各模塊安裝示意圖。

圖2為本發(fā)明的無人艇群環(huán)境搜索方式示意圖。

圖3為本發(fā)明系統(tǒng)的工作方式示意圖。

圖4為本發(fā)明方法的工作流程圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。

如圖1所示，一種基于多無人艇協(xié)同的水上飛機降落系統(tǒng)，包括無人艇定位模塊、無人艇環(huán)境感知模塊、無人艇協(xié)同控制模塊、無人艇激光模塊、通信模塊和水上飛機視覺感知模塊；所述的無人艇定位模塊、無人艇環(huán)境感知模塊、無人艇協(xié)同控制模塊、無人艇激光模塊均安裝在無人艇1上，所述的通信模塊分別安裝在無人艇1上和水上飛機10上，所述水上飛機視覺感知模塊安裝在水上飛機10上；所述的無人艇定位模塊由gps定位單元2和慣導(dǎo)單元5組成，用于對無人艇的定位和姿態(tài)控制；所述的環(huán)境感知模塊由攝像頭單元4、激光雷達單元6和聲吶單元9組成，用于感知水面和水下的環(huán)境情況，確保水上飛機10的降落跑道安全可靠；所述的無人艇協(xié)同控制模塊是根據(jù)各無人艇1反饋的環(huán)境信息建立水面跑道的控制系統(tǒng)，運行算法指揮各無人艇1運動到指定位置完成水面跑道的建立；所述的無人艇激光模塊由激光發(fā)射單元7和激光接收單元8組成，用于生成水上飛機10的水面跑道；所述的通信模塊由天線單元3組成，用于無人艇1上和水上飛機10的通訊；水上飛機視覺感知模塊位于水上飛機10上，用于檢測水面跑道的具體位置信息。

如圖2所示，本實施例中無人艇群由四艘無人艇1組成用于在指定區(qū)域內(nèi)進行搜索，具體的搜索方式是利用攝像頭單元4、激光雷達單元6和聲吶單元9組成的環(huán)境感知模塊對無人艇1的前方進行水面環(huán)境的詳盡搜索、對水下環(huán)境進行立體式搜索，能夠做到對周圍環(huán)境的準(zhǔn)確信息。本實施例中四艘無人艇群組成的是直線詳盡搜索方式，當(dāng)然也可以進行曲線和環(huán)形區(qū)域搜索，可以根據(jù)具體情況調(diào)整。

如圖4所示，一種基于多無人艇協(xié)同的水上飛機降落方法，使用上述的基于多無人艇協(xié)同的水上飛機降落系統(tǒng)，具體步驟如下：

s01，無人艇群接收任務(wù)指令：無人艇群接收到控制中心發(fā)送的水上飛機10降落任務(wù)，確定該任務(wù)執(zhí)行環(huán)節(jié)周圍的四艘無人艇1執(zhí)行該任務(wù)。

s02，無人艇群感知環(huán)境信息：指定的各無人艇1利用自帶的gps定位單元2運動到指定區(qū)域，通過攝像頭單元4、激光雷達單元6和聲吶單元9組成的環(huán)境感知模塊進行環(huán)境信息的獲取，并將獲取到的該區(qū)域的環(huán)境信息通過天線單元3傳至無人艇協(xié)同控制模塊，用于其判斷和決策。

s03，無人艇協(xié)同控制模塊判斷該區(qū)域能否降落：無人艇協(xié)同控制模塊根據(jù)各無人艇1上傳的環(huán)境信息判斷該區(qū)域能否降落，若該區(qū)域不能降落，則無人艇群繼續(xù)搜索確定能夠降落的區(qū)域；若該地域所有區(qū)域都不能降落則返回不能降落的信息。

s04，無人艇協(xié)同控制模塊生成跑道信息：無人艇協(xié)同控制模塊根據(jù)各無人艇1上傳的環(huán)境信息運行算法計算出能夠降落的跑道信息，用于水上飛機的降落。

s05，無人艇群運動到指定位置：無人艇群根據(jù)無人艇協(xié)同控制模塊生成的跑道信息，利用自帶的gps定位單元2運動到指定的位置，同時利用慣導(dǎo)單元5調(diào)整自身姿態(tài)，為生成水面跑道做好準(zhǔn)備。

s06，無人艇1發(fā)射激光形成跑道光柱：無人艇1達到指定位置后，由激光發(fā)射單元7發(fā)射激光光束至另一艘無人艇1的激光接收單元8，至少兩艘無人艇1形成一條激光束作為跑道的一側(cè)，至少四艘無人艇1能夠形成水面降落跑道的兩側(cè)；如圖3所示。

s07，無人艇1發(fā)送降落指令至水上飛機10：水面跑道確定后無人艇1發(fā)送能夠降落的指令給水上飛機10，告知水面跑道已經(jīng)建立成功，準(zhǔn)備降落。

s08，水上飛機視覺感知模塊確定跑道信息：水上飛機10接收到降落的指令后啟動水上飛機視覺感知模塊，對該區(qū)域的水面激光跑道進行感知，確定水面跑道的具體位置信息，準(zhǔn)備降落。

s09，水上飛機10順利自主降落，結(jié)束任務(wù)：水上飛機10和水面跑道一切準(zhǔn)備就緒后，水上飛機10順利安全降落，任務(wù)完成，各無人艇繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)。