本发明涉及一种基于多无人艇协同的巡逻系统及方法，属于无人艇协同应用技术领域和无人艇智能巡逻领域。
背景技术：
无人水面艇是一个拥有自主运行能力的小型水面任务平台，它可以执行的任务种类非常多，除了对环境和目标进行检测这些基础功能之外，还可以针对具体的任务类型，采用不同的模块设备来完成任务目标。目前由于其在军事领域的杰出表现和前景，世界各国都对军用无人水面艇的研发表现出很强烈的兴趣。同时因为无人水面艇在科研与民用应用中有着覆盖范围大、成本低的特点，所以无人艇在这些领域也有着广泛的应用前景。
在海洋巡逻上，与使用无人艇来完成巡逻相比，使用普通舰艇更加耗费人力物力，而且由于人对于海洋的不适应以及人自身的不可靠性，普通载人舰艇的巡逻将更可能出现不能及时发现危险的情况，因此综合来看，水面无人艇的智能化巡逻是一件利远大于弊的事。
对于海洋上的巡逻任务来说，其巡逻区域一般较大；如果仅派单艘无人艇的话，会出现完成一次巡逻需要的时间过长，不能及时对特定的巡逻区域完成覆盖的情况，并且当该无人艇发生故障时，巡逻任务将会出现无法继续的情况。因此设计一个基于多无人艇协同的巡逻系统及方法是具有很大的价值的。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于多无人艇协同的巡逻系统及方法，解决了单艘艇的运动能力有限，对区域的覆盖范围较小的问题，另外在单艘艇发生故障时，该多艇巡逻系统能够让无故障的无人艇不断调整其位置和姿态，保证巡逻覆盖的有效性。本发明可以有效地提高巡逻的高效性以及巡逻系统的稳健性。
为达到上述要求，本发明的构思是：
依据需要进行巡逻的区域大小，选取多艘具有通信，路径规划，避障功能的无人水面艇共同完成巡逻任务；首先依据派遣无人艇的数量计算各个无人艇的巡逻起始位置，之后指定各个无人艇航行到起始位置并开始巡逻；在巡逻过程中，所有无人艇通过上传自己的运行状态信息并获取接下来的运行指令，之后控制中心依据各个无人艇的运行健康情况，看是否继续让对应的无人艇继续执行巡逻任务，并调节剩下的无故障的无人艇的所要达到的目标位置，从而对巡逻区域的覆盖达到较好的控制。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种基于多无人艇协同的巡逻系统，包括一个在陆地上的协同控制中心，以及在艇上的单艇gps/imu模块、单艇环境感知模块、单艇导航避障模块、单艇控制模块、单艇运行情况监测模块和无线传输模块；其特征在于：所述的协同控制中心通过无线信号连接艇上各设备，并依据巡逻任务的特性、巡逻区域的大小、无人艇的个数以及各个无人艇的运动情况来给参与巡逻任务的无人艇发送指令；所述单艇gps/imu模块能够实时给出艇的位置和姿态信息；所述单艇环境感知模块能够实时给出海岛、大陆的静态障碍物信息及船只、舰艇等动态障碍物信息；所述导航避障模块依据环境感知模块所获得的障碍物信息及协同控制中心所发出的运动目标点计算出接下来的运动速度大小及方向；所述单艇控制模块能够依据导航避障模块所给出的运动目标指令，控制无人艇完成巡逻任务；所述单艇运行情况监测模块对无人艇的故障情况进行监测，并通过无线传输模块将监测数据发送给协同控制中心；所述无线传输模块将无人艇的位置姿态，健康状况信息及环境信息发送给协同控制中心进行处理。
一种基于多无人艇协同的巡逻方法，采用上述系统进行操作，具体步骤如下：
s01，巡逻准备：依据巡逻区域及参与巡逻任务的无人艇的数量，给各个无人艇各分配一个初始的巡逻位置，并派遣各个无人艇到达初始位置。
s02，传输单艇信息到协同控制中心：各个无人艇将自己的位置，姿态，健康状态及自身环境感知模块所感知到的环境信息上传到协同控制中心。
s03，协同控制中心进行巡逻任务规划：协同控制中心判断各个无人艇是否存在故障，如果有存在故障的无人艇，则准备发送退出维修指令给故障无人艇并派遣新的无人艇加入到巡逻任务中；对于无故障无人艇，控制中心依据所有继续巡逻的无人艇的位置情况，给它们分配下一个时间周期内所要达到的子目标点。
s04，发布下一个时间周期内各个无人艇的巡逻任务给相应实艇：将每个无故障无人艇下一个时间周期内所要到达的次目标点和故障无人艇的退出维修指令，依次通过无线传输装置发送给相应实艇。
s05，所有无人艇完成自己的巡逻任务，之后跳转到s02继续执行：所有继续执行巡逻任务的无人艇利用包含有gps/imu模块、环境感知模块、导航避障模块和控制模块的无人控制系统到达从协同控制中心得到的巡逻目标点。
与现有技术相比，本发明的实质性特点和显著技术进步是：
该基于多无人艇协同的巡逻系统设计可靠合理。多艇巡逻相比单艘艇来说，对区域的覆盖范围更大。多艇巡逻系统在部分无人艇发生故障时，能够让无故障的无人艇继续完成路径覆盖任务，并让无故障的无人艇继续调整其位置和姿态，保证巡逻覆盖的有效性。该系统有效地提高巡逻的高效性以及巡逻系统的稳健性。
附图说明
图1是本发明的基于多无人艇协同的巡逻系统示意图。
图2是本发明的基于多无人艇协同的巡逻方法示意图。
图3是所有无人艇均无故障的情况下协同控制中心分配的目标点示意图。
图4是当一艘无人艇发生故障时下协同控制中心分配的目标点示意图。
具体实施方式
以下结合附图和优选实施例对本发明进行进一步的说明。
本发明的一个优选实施例如下：
如图1所示，本基于多无人艇协同的巡逻系统，包括一个在陆地上的协同控制中心1，以及在无人艇上的单艇gps/imu模块5、单艇环境感知模块4、单艇导航避障模块6、单艇控制模块7、单艇运行情况监测模块3和无线传输模块2；所述的协同控制中心1通过无线信号连接艇上各设备，并依据巡逻任务的特性、巡逻区域的大小、无人艇的个数以及各个无人艇的运动情况来给参与巡逻任务的无人艇发送指令；所述单艇gps/imu模块5能够实时给出艇的位置和姿态信息；所述单艇环境感知模块4能够实时给出海岛、大陆的静态障碍物信息及船只、舰艇等动态障碍物信息；所述导航避障模块6依据环境感知模块4所获得的障碍物信息及协同控制中心1所发出的运动目标点计算出接下来的运动速度大小及方向；所述单艇控制模块7能够依据导航避障模块6所给出的运动目标指令控制无人艇完成巡逻任务；所述单艇运行情况监测模块3对无人艇的故障情况进行监测，并通过无线传输模块将监测数据发送给协同控制中心1；所述无线传输模块2将无人艇的位置姿态，健康状况信息及环境信息发送给协同控制中心1进行处理。
实施例二：
如图2所示，本基于多无人艇协同的巡逻方法，使用上述的基于多无人艇协同的巡逻系统。具体操作步骤如下：
s01，巡逻准备：依据巡逻区域及参与巡逻任务的无人艇的数量，给所有无人艇依次分配一个初始的巡逻位置，并派遣各个无人艇到达初始位置。
s02，传输单艇信息到协同控制中心1：各个无人艇将gps/imu模块5的位置和姿态，运行情况监测模块3得到的监测状态及自身环境感知模块4所感知到的环境信息利用无线传输模块2上传到协同控制中心1。
s03，协同控制中心1进行巡逻任务规划：协同控制中心1判断各个无人艇是否存在故障，如果有存在故障的无人艇，则准备发送退出维修指令给故障无人艇，并派遣新的无人艇加入巡逻任务中；对于无故障无人艇，控制中心1依据所有继续巡逻的无人艇的位置情况，给它们分配下一个时间周期内所要达到的子目标点。
s04，发布下一个时间周期内各个无人艇的巡逻任务给相应实艇：协同控制中心将每个无故障无人艇下一个时间周期内所要到达的次目标点和故障无人艇的退出维修指令，依次通过无线传输装置2发送给相应实艇。次目标点的计算需要考虑到所有进行巡逻任务的无人艇的运行情况和无人艇在巡逻区域的位置分别情况。比如在图3中，此时各个艇都正常运行且各艇在巡逻区域的位置基本保持对称，协同控制中心发送给各艇的目标位置相对于当前位置的距离基本相同。而当其中2号无人艇发生故障时，如图4所示，此时控制中心认定该故障艇将退出巡逻任务，为了让剩下的三艘艇保持对巡逻区域覆盖的均匀，协同控制中心1通过让4号无人艇加快巡逻，让1号艇也加速巡逻并且比4号艇的速度更快，从而让剩余的无人艇在新的无人艇加入巡逻之前对巡逻区域进行更好的控制。
s05，所有无人艇完成自己的巡逻任务，之后跳转到s02继续执行：所有继续执行巡逻任务的无人艇利用包含有gps/imu模块5、环境感知模块4、导航避障模块6以及控制模块7的无人控制系统执行导航控制算法，最终到达从协同控制中心1得到的巡逻目标点。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落在本发明的保护范围。