专利名称：水面船侦察系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种水面船侦察系统，尤其涉及多个水面无人船协作的侦察系统，属于船舶技术领域。
背景技术：
水面无人船、无人艇是一种海上智能运动平台，具有情报收集、监视、侦察、武装保护、扫雷、反潜等功能，与普通舰艇相比，具有隐蔽性好、机动灵活、无人伤亡等优点，已被越来越广泛地用于军事、民用等领域。公开号为CN 101750614A，名称为“无人艇自动观测系统以及无人艇自动观测方法”的专利文献公开了实现无人艇的无线控制、自动路线规划和信息搜集的技术方案。但该系统只有单艘无人艇观测方案且路径需先确定，无法适应完全陌生环境或者突发情况，同时操控者对其无线控制受距离和环境的限制，使得该系统观测范围有限。多智能体系统是多个智能体组成的集合，通过各智能体间的通讯、合作、互解、协调、调度、管理及控制来表达系统的结构、功能及行为特性。采用多智能体系统解决实际应用问题，具有很强的鲁棒性和可靠性，并具有较高的问题求解效率。公开号为CN 101853006A，名称为“多智能体协同控制系统”的中国发明专利文献公开了一种多智能体协同控制的通用系统，封装了多智能体的感知、通信、决策和控制等功能。但该系统只有较为基础的通信、控制、决策等模块，未针对水面工作环境提出构建侦察网络的具体方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水面船侦察系统，通过多个无人船或无人艇之间实时通信并用相应算法有效综合多个船(艇)体搜集的信息，分别实现协同定位、协同避碰和协同信息搜集功能。本发明通过以下技术方案予以实现
一种水面船侦察系统，由运动载体系统和功能设备系统构成，运动载体系统由三艘以上的水面无人船组成，其中一艘为无人母船，其余为无人子船；所述无人子船功能设备包括通信模块1、简单信息处理模块2、PAC控制模块3、感知模块4、GPS和电子罗盘模块5、任务模块6，所述通信模块1、PAC控制模块3、感知模块4、GPS和电子罗盘模块5、任务模块6分别与简单信息处理模块2相连，所述无人母船为综合决策及指挥船，无人母船功能设备包括通信模块1、简单信息处理模块2、PAC控制模块3、感知模块4、GPS和电子罗盘模块5、任务模块6、决策模块7，所述通信模块1、PAC控制模块3、感知模块4、GPS和电子罗盘模块5、任务模块6、决策模块7分别与简单信息处理模块2相连。本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现
前述水面船侦察系统，其中感知模块4包括激光测距传感器9和雷达10。一种水面船侦察系统的协作定位方法为各无人子船通过GPS获得自身位置信息，通过激光测距传感器和雷达感知获得目标相对于船体的角度和距离信息，通过三维电 子罗盘获得船体的中轴线偏转的角度信息；由简单信息处理模块2计算出目标绝对位置坐 标，并通过通信模块I发送给无人母船，无人母船选择距离目标较近且便于测量的无人子 船对目标进行定位，并将收到的所有位置信息进行处理并通过协作定位提高定位精度。
一种水面船侦察系统的协作避碰方法为当某无人子船遇到障碍物后，测出其位 置信息并发送给无人母船，无人母船调动附近无人子船协助测量，获得更多的障碍物形状 信息，由无人母船对各无人子船信息进行综合分析，通过模糊评判和高效优化理论，形成总 体最优的避碰方法。
一种水面船侦察系统的协作搜集信息方法为根据任务需要，无人母船为无人子 船分配测量位置，各船通过协作定位处于最佳测量位置，通过通信模块I协调可在精确的 在同一时间以相同频率收集多个地点的所需信息；经自身初步处理后，各无人子船将收集 的信息发送给无人母船，无人母船对信息整合存储后通过通信模块I发送给各子船使其备 份数据；同时无人母船根据信息收集情况采用模糊决策和高效优化理论分配下一轮的信息 收集任务。
与现有技术相比，本发明的有益效果是本水面船侦察系统与传统方式相比可实 现提高定位精度，优化避碰路线，并使信息搜集时效更强、范围更广、搜集过程更加灵活，可 被用于近海搜集、水文观测、航道监测等多个领域。
图1为本发明各模块结构及信息交换关系图；图2为本发明模块位置关系图；图3为近海搜救流程图。
具体实施方式
以下结合本发明在近海搜集方面的实例对发明进行具体描述如图1所示，本发明无人子船(艇)通过激光测距传感器、摄像、红外和雷达等感知 模块和GPS三维电子罗盘模块搜集本船位置、航向信息以及与障碍物的距离信息，GPS和三 维电子罗盘模块与简单信息处理模块进行单方向通信，将所收集信息传递给简单信息处理 模块进行初步处理。激光测距传感器和雷达等感知模块、任务模块、通信模块以及母船(艇) 特有的决策模块均与信息处理模块双向通信。任务模块为以红外摄像机为主的搜索系统， 自身带有可判断是否搜索到遇难人员的的芯片。各船(艇)通过通信模块发送接收信息，并 通过信信息处理模块对信息进行简单处理，母船(艇)的信息处理模块与决策模块互相交换 信息，实现对复杂任务的整体协调功能。各船(艇)PAC模块与信息处理模块相连，受其控制。 其中PAC控制器、信息处理模块和决策模块均位于PAC控制器内。
图2所示各模块位置和功能如下通信模块I位于船(艇)体中前方以及PAC控制器前方，在搜救任务中负责实时收发信 息，为各船(艇)建立信息连接的基础。
PAC控制模块3位于船体中后部，由部分PAC控制器和舵角控制器及电机转速控制 器组成，信息处理模块根据收到的通信模块、任务模块、GPS和三维电子罗盘模块以及激光测距传感器和雷达等感知模块的信息(母船(艇)还包括决策模块的信息)选择船的舵角、电机转向和转速传递给PAC控制模块控制船的航行状态。
激光测距传感器9和雷达10等感知模块由位于各船主船(艇)船首及两侧片体首部的三个激光测距传感器及雷达等感知设备组成，激光测距传感器为可旋转式结构，可测量制定角度下与前方目标的距离，雷达可观测障碍物形状和距离信息该模块实时将测量方向上信息传递给信息处理模块。
GPS和三维电子罗盘5位于船(艇)体中部、通信模块前方，测量船体的速度、位置和航向，实时将数据传送给PAC控制器的信息处理模块。作为重要参考信息控制PAC控制模块，与PAC控制模块构成控制航线的反馈系统。
任务模块位于GPS和三维电子罗盘模块前方的主船(艇)体部分，其红外摄像机高度高于主船(艇)体，拍摄方向为正前方，另外用于本实例的任务模块包含信息处理芯片，接收红外摄像机的图像信息，判断是否有符合搜索条件的目标，并将判断结果传递给信息处理模块。
信息处理模块位于PAC控制器中，其核心为信息处理算法，具有存储单元，连接其余各个模块，接收其数据，处理后向相关模块发送数据，实现船(艇)体控制和搜救功能实现。处理算法为其工作的核心，包含了简单的避碰方法，和自动航行控制算法，可独立实现单船(艇)自动返航，数据存储和发送。
决策模块位于母船PAC控制器中，是多船_)协作高级策略的产生中心，综合各船 (艇)信息后作出整体路径规划和任务分配。该模块的的核心是模糊决策、模糊评判和高效优化算法，以及用于实现各船(艇)的协作同步、整体任务分配和实现程度检测的算法。
图3为近海搜救的流程图1、系统检测，测试各设备是否正常工作分别各船(艇)的各个模块进行功能测试，对船 (艇)身和其他机电设备进行检查，确保各设备工作正常。
2、根据需要确定需要搜救的范围，将路线输入母船(艇)存储模块。
3、施放各船(艇)到目标区域，或各船(艇)自主航行至目标区域，母船0 )根据搜救范围完成最初各船(艇)路径规划，并通过通信模块分配给子船(艇)，各船(艇)同步执行搜救任务。
4、正常搜救无障碍时，各船(艇)并排航行，以“之”字形路线对目标海域逐一搜救， 通过红外摄像机和雷达等设备探测前方有无搜救目标，各船(艇)通过GPS和三维电子罗盘模块及PAC控制模块保持同航向、同航速。具体步骤⑴子船(艇)任务模块信息传送至简单信息处理模块；(2)无目标出现，PAC控制模块使船(艇)体原路径航行；(3)通信模块发送位置航向航速信息至母船(艇)用于维持航向；5、如前方路径遇到障碍物，启动协作避碰方案，方法如下⑴激光测距传感器和雷达等探测子船(艇)遇到障碍物；⑵简单信息处理模块通知PAC控制模块执行简单避碰操作；⑶通信模块将障碍物位置信息发送至母船(艇)；⑷母船决策模块调用其它子船(艇)协作观测障碍物；(5)母船(艇)决策模块综合信息，计算优化避碰路径；(6)母船(艇)通信模块将路径发送至子船(艇)； (7)子船(艇)改变航向航速，并继续观测前方障碍信息；
(8)还未完全避开障碍物重复步骤⑴-(7)；
(9)避碰过程结束。6、如红外探测传感器模块搜索到搜救目标，通过协作定位方案测量该地点方位，并通过通信模块通知各船(艇)同时像周围搜救船只发出救援信号。⑴子船(艇)任务模块发现目标；
⑵发现目标子船(艇)简单信息处理模块通知激光测距传感器和雷达等感知器器测量目标角度、距离和形状信息；
⑶发现目标子船(艇)通信模块将信息发送至母船(艇);
⑷母船(艇)决策模块根据各船位置经模糊决策调用适合的子船测量目标位置；
(5)特定协作子船测量目标位置简单处理后将信息反馈给母船(艇)；
(6)母船(艇)通过协同定位算法计算目标精确位置；
⑴母船(艇)及各船(艇)通信模块对外发送求救信号，或通知子船(艇)实施救援的方法。7、当完成对预设海域的遍历或搜索到预设数目的搜救目标时，母船(艇)通知各船(艇)启动自动返航功能
⑴母船(艇)汇总各船信息，完成全部区域搜索或搜救人数等于预定人数；
⑵母船(艇)决策模块根据搜救过程中搜集的信息计算最优返航路径；
⑶母船(艇)通信模块通知子船返航。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
权利要求
1.一种水面船侦察系统，其特征在于，由运动载体系统和功能设备系统构成，运动载体系统由三艘以上的水面无人船组成，其中一艘为无人母船，其余为无人子船；所述无人子船功能设备包括通信模块(I)、简单信息处理模块(2)、PAC控制模块(3)、感知模块(4)、GPS和电子罗盘模块(5)、任务模块(6)，所述通信模块(I)、PAC控制模块(3)、感知模块(4)、GPS和电子罗盘模块(5)、任务模块(6)分别与简单信息处理模块(2)相连，所述无人母船为综合决策及指挥船，无人母船功能设备包括通信模块(I)、简单信息处理模块(2)、PAC控制模块(3)、感知模块(4)、GPS和电子罗盘模块(5)、任务模块(6)、决策模块(7)，所述通信模块(1)、PAC控制模块(3)、感知模块(4)、GPS和电子罗盘模块(5)、任务模块(6)、决策模块(7)分别与简单信息处理模块(2)相连。
2.如权利要求1所述的水面船侦察系统，其特征在于，所述感知模块(4)包括激光测距传感器(9)和雷达(10)。
3.—种如权利要求1所述的水面船侦察系统的协作定位方法，其特征在于，各无人子船通过GPS获得自身位置信息，通过激光测距传感器和雷达感知获得目标相对于船体的角度和距离信息，通过三维电子罗盘获得船体的中轴线偏转的角度信息；由简单信息处理模块(2)计算出目标绝对位置坐标，并通过通信模块(I)发送给无人母船，无人母船选择距离目标较近且便于测量的无人子船对目标进行定位，并将收到的所有位置信息进行处理并通过协作定位提高定位精度。
4.一种如权利要求1所述的水面船侦察系统的协作避碰方法，其特征在于，当某无人子船遇到障碍物后，测出其位置信息并发送给无人母船，无人母船调动附近无人子船协助测量，获得更多的障碍物形状信息，由无人母船对各无人子船信息进行综合分析，通过模糊评判和高效优化理论，形成总体最优的避碰方法。
5.一种如权利要求1所述的水面船侦察系统的协作侦察搜集信息方法，其特征在于，根据任务需要，无人母船为无人子船分配测量位置，各船通过协作定位处于最佳测量位置，通过通信模块(I)协调可在精确的在同一时间以相同频率收集多个地点的所需信息；经自身初步处理后，各无人子船将收集的信息发送给无人母船，无人母船对信息整合存储后通过通信模块I发送给各子船使其备份数据；同时无人母船根据信息收集情况采用模糊决策和高效优化理论分配下一轮的信息收集任务。
全文摘要
本发明公开了一种水面船侦察系统及方法，由运动载体系统和功能设备系统构成，运动载体系统由三艘以上的水面无人船组成，其中一艘为无人母船，其余为无人子船；所述无人子船功能设备包括通信模块、简单信息处理模块、PAC控制模块、感知模块、GPS和电子罗盘模块、任务模块，所述无人母船为综合决策及指挥船，包括决策模块。本水面船侦察系统与传统方式相比可实现提高定位精度，优化避碰路线，并使信息搜集时效更强、范围更广、搜集过程更加灵活，可被用于近海搜集、水文观测、航道监测等多个领域。
文档编号G05B19/418GK103019179SQ20121046832
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月20日 优先权日2012年11月20日
发明者耿培腾, 杨松林, 周玉龙, 杨旺林, 俞强, 陈鹏, 俞桦, 沈苏, 商羽 申请人:江苏科技大学