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

背景技術(shù)：

水面無(wú)人艇(unmannedsurfacevessel，簡(jiǎn)稱usv)，是近些年來(lái)新興的一種小型無(wú)人操作的水面平臺(tái)，主要用于執(zhí)行危險(xiǎn)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(dá)、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(jìn)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(zhēng)和非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事任務(wù)，比如：偵察、搜索、探測(cè)和排雷；搜救、導(dǎo)航和水文地理勘察。最近興起的協(xié)同無(wú)人艇群的發(fā)展使得無(wú)人艇系統(tǒng)具有更強(qiáng)的魯棒性、通信能力、機(jī)動(dòng)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(jī)是指能在水面上起飛、降落和停泊的飛機(jī)，簡(jiǎn)稱水機(jī)，主要用于海上巡邏、反潛、救援和體育運(yùn)動(dòng)、旅游、通勤、航拍等。水上飛機(jī)的飛行高度為600米至800米，可以填補(bǔ)低空立體交通空白。其工作原理是：當(dāng)水上飛機(jī)停泊在水上時(shí)，寬大船體所產(chǎn)生的浮力會(huì)使飛機(jī)浮在水面上并且不會(huì)下沉。但在需要起飛時(shí)，螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的拉力，就會(huì)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(jī)翼上產(chǎn)生的升力慢慢克服了飛機(jī)的重力，從而把飛機(jī)從水面上逐漸托起來(lái)，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(jī)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(jī)的降落。這會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)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(shí)，人為判斷顯得力不從心；二是人為的判斷能否降落費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作效率較低。隨著無(wú)人系統(tǒng)的發(fā)展，特別是水面無(wú)人艇的技術(shù)的進(jìn)步，一種自動(dòng)化、智能化的水上飛機(jī)降落系統(tǒng)既可以保證降落的穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)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(wú)人艇群的發(fā)展，使得設(shè)計(jì)一種智能化、高效可靠的水上飛機(jī)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(jī)的降落更加安全和高效，同時(shí)可以讓水上飛機(jī)在相對(duì)狹小和復(fù)雜的環(huán)境中安全的降落，拓寬了水上飛機(jī)和水面無(wú)人艇技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于多無(wú)人艇協(xié)同的水上飛機(jī)降落系統(tǒng)，包括無(wú)人艇定位模塊、無(wú)人艇環(huán)境感知模塊、無(wú)人艇協(xié)同控制模塊、無(wú)人艇激光模塊、通信模塊和水上飛機(jī)視覺感知模塊；所述的無(wú)人艇定位模塊、無(wú)人艇環(huán)境感知模塊、無(wú)人艇協(xié)同控制模塊、無(wú)人艇激光模塊均安裝在無(wú)人艇上，所述的通信模塊分別安裝在無(wú)人艇上和水上飛機(jī)上，所述水上飛機(jī)視覺感知模塊安裝在水上飛機(jī)上；所述的無(wú)人艇定位模塊由gps定位單元和慣導(dǎo)單元組成，用于對(duì)無(wú)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(dá)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(jī)的降落跑道安全可靠；所述的無(wú)人艇協(xié)同控制模塊是根據(jù)各無(wú)人艇反饋的環(huán)境信息建立水面跑道的控制系統(tǒng)，運(yùn)行算法指揮各無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)到指定位置完成水面跑道的建立；所述的無(wú)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(jī)的水面跑道；所述的通信模塊由天線單元組成，用于無(wú)人艇上和水上飛機(jī)的通訊；水上飛機(jī)視覺感知模塊位于水上飛機(jī)上，用于檢測(cè)水面跑道的具體位置信息。

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

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

s02，無(wú)人艇群感知環(huán)境信息：指定的各無(wú)人艇利用自帶的gps定位單元運(yùn)動(dòng)到指定區(qū)域，通過(guò)攝像頭單元、激光雷達(dá)單元和聲吶單元組成的環(huán)境感知模塊進(jìn)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(guò)天線單元傳至無(wú)人艇協(xié)同控制模塊，用于其判斷和決策；

s03，無(wú)人艇協(xié)同控制模塊判斷該區(qū)域能否降落：無(wú)人艇協(xié)同控制模塊根據(jù)各無(wú)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(wú)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(wú)人艇協(xié)同控制模塊生成跑道信息：無(wú)人艇協(xié)同控制模塊根據(jù)各無(wú)人艇上傳的環(huán)境信息運(yùn)行算法計(jì)算出能夠降落的跑道信息，用于水上飛機(jī)的降落；

s05，無(wú)人艇群運(yùn)動(dòng)到指定位置：無(wú)人艇群根據(jù)無(wú)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(yùn)動(dòng)到指定的位置，同時(shí)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(wú)人艇發(fā)射激光形成跑道光柱：無(wú)人艇達(dá)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(wú)人艇的激光接收單元，至少兩艘無(wú)人艇形成一條激光束作為跑道的一側(cè)，至少四艘無(wú)人艇能夠形成水面降落跑道的兩側(cè)；

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

s08，水上飛機(jī)視覺感知模塊確定跑道信息：水上飛機(jī)接收到降落的指令后啟動(dòng)水上飛機(jī)視覺感知模塊，對(duì)該區(qū)域的水面激光跑道進(jìn)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(jī)順利自主降落，結(jié)束任務(wù)：水上飛機(jī)和水面跑道一切準(zhǔn)備就緒后，水上飛機(jī)順利安全降落，任務(wù)完成，各無(wú)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(wú)人艇協(xié)同的水上飛機(jī)降落系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)整個(gè)降落過(guò)程完全自主，無(wú)需任何的人為干預(yù)。智能協(xié)同控制的無(wú)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(gè)降落過(guò)程的安全順利進(jìn)行。該系統(tǒng)的基于集群無(wú)人艇的設(shè)計(jì)是完全自由的，模塊化的設(shè)計(jì)，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(wú)人系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，隨著這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，使得協(xié)同無(wú)人艇群和水上飛機(jī)的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，也促進(jìn)了無(wú)人艇技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，更加推動(dòng)了整個(gè)無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用步伐。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的無(wú)人艇各模塊安裝示意圖。

圖2為本發(fā)明的無(wú)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(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)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(hào)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(wú)人艇協(xié)同的水上飛機(jī)降落系統(tǒng)，包括無(wú)人艇定位模塊、無(wú)人艇環(huán)境感知模塊、無(wú)人艇協(xié)同控制模塊、無(wú)人艇激光模塊、通信模塊和水上飛機(jī)視覺感知模塊；所述的無(wú)人艇定位模塊、無(wú)人艇環(huán)境感知模塊、無(wú)人艇協(xié)同控制模塊、無(wú)人艇激光模塊均安裝在無(wú)人艇1上，所述的通信模塊分別安裝在無(wú)人艇1上和水上飛機(jī)10上，所述水上飛機(jī)視覺感知模塊安裝在水上飛機(jī)10上；所述的無(wú)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(duì)無(wú)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(dá)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(jī)10的降落跑道安全可靠；所述的無(wú)人艇協(xié)同控制模塊是根據(jù)各無(wú)人艇1反饋的環(huán)境信息建立水面跑道的控制系統(tǒng)，運(yùn)行算法指揮各無(wú)人艇1運(yùn)動(dòng)到指定位置完成水面跑道的建立；所述的無(wú)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(jī)10的水面跑道；所述的通信模塊由天線單元3組成，用于無(wú)人艇1上和水上飛機(jī)10的通訊；水上飛機(jī)視覺感知模塊位于水上飛機(jī)10上，用于檢測(cè)水面跑道的具體位置信息。

如圖2所示，本實(shí)施例中無(wú)人艇群由四艘無(wú)人艇1組成用于在指定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行搜索，具體的搜索方式是利用攝像頭單元4、激光雷達(dá)單元6和聲吶單元9組成的環(huán)境感知模塊對(duì)無(wú)人艇1的前方進(jìn)行水面環(huán)境的詳盡搜索、對(duì)水下環(huán)境進(jìn)行立體式搜索，能夠做到對(duì)周圍環(huán)境的準(zhǔn)確信息。本實(shí)施例中四艘無(wú)人艇群組成的是直線詳盡搜索方式，當(dāng)然也可以進(jìn)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(wú)人艇協(xié)同的水上飛機(jī)降落方法，使用上述的基于多無(wú)人艇協(xié)同的水上飛機(jī)降落系統(tǒng)，具體步驟如下：

s01，無(wú)人艇群接收任務(wù)指令：無(wú)人艇群接收到控制中心發(fā)送的水上飛機(jī)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(wú)人艇1執(zhí)行該任務(wù)。

s02，無(wú)人艇群感知環(huán)境信息：指定的各無(wú)人艇1利用自帶的gps定位單元2運(yùn)動(dòng)到指定區(qū)域，通過(guò)攝像頭單元4、激光雷達(dá)單元6和聲吶單元9組成的環(huán)境感知模塊進(jìn)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(guò)天線單元3傳至無(wú)人艇協(xié)同控制模塊，用于其判斷和決策。

s03，無(wú)人艇協(xié)同控制模塊判斷該區(qū)域能否降落：無(wú)人艇協(xié)同控制模塊根據(jù)各無(wú)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(wú)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(wú)人艇協(xié)同控制模塊生成跑道信息：無(wú)人艇協(xié)同控制模塊根據(jù)各無(wú)人艇1上傳的環(huán)境信息運(yùn)行算法計(jì)算出能夠降落的跑道信息，用于水上飛機(jī)的降落。

s05，無(wú)人艇群運(yùn)動(dòng)到指定位置：無(wú)人艇群根據(jù)無(wú)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(yùn)動(dòng)到指定的位置，同時(shí)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(wú)人艇1發(fā)射激光形成跑道光柱：無(wú)人艇1達(dá)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(wú)人艇1的激光接收單元8，至少兩艘無(wú)人艇1形成一條激光束作為跑道的一側(cè)，至少四艘無(wú)人艇1能夠形成水面降落跑道的兩側(cè)；如圖3所示。

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

s08，水上飛機(jī)視覺感知模塊確定跑道信息：水上飛機(jī)10接收到降落的指令后啟動(dòng)水上飛機(jī)視覺感知模塊，對(duì)該區(qū)域的水面激光跑道進(jìn)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(jī)10順利自主降落，結(jié)束任務(wù)：水上飛機(jī)10和水面跑道一切準(zhǔn)備就緒后，水上飛機(jī)10順利安全降落，任務(wù)完成，各無(wú)人艇繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)。