无人水面艇与无人飞行器联合的子母式机器人协作系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种无人水面艇与无人飞行器联合的子母式机器人协作系统。
【背景技术】
[0002]在20世纪40年代中期，Walter Wiener和Shannon在研究世界上第一种人工生命一一龟行机器人时，就发现这些简单的机器人在相互作用中能反映出“复杂的的群体行为”。自从80年代末期建立世界上首个基于多智能体的多机器人系统(cellular roboticsystem, CEB0T)以来，多机器人系统在理论和应用研究上都取得了显著的进展。
[0003]随着机器人技术的发展和应用领域的不断拓展，对机器人系统环境适应能力的要求越来越高，考虑到环境的复杂性使得由简单的单纯一类机器人构成的多机器人系统可能无法完成任务，子母式机器人受到了重视。因为子机器人和母机器人可以有多种搭配方式，使得子母机器人系统在空间、时间、信息、功能和资源上具备了极大的分布特性，进而在任务适用性、经济性、最优性、鲁棒性、可拓展性方面表现出极大地优越性。因此，不论是在军事，还是工业生产、交通控制等领域，子母机器人都具有良好的应用前景。
[0004]随着我国海洋经济的快速发展，海上交通安全及船舶污染风险日趋增大，传统单一水面机器人受限于较低的视角，在港口、船坞等建筑物密集区域，不能安全行驶；而在多暗礁区域，受限于本身运行方式，更是难以穿越。为了应对这些问题，急需引入在海上适用的无人飞行器远程测量与控制技术，以增强现场监管能力。但是，现有技术主要存在以下问题:现有技术一般只采用无人飞行器进行远程探测，其主要问题在于续航能力不足、飞行半径受限，如果直接从岸基起飞，不能满足远距离、长时间的探测任务。
【发明内容】
[0005]为此，本发明提出一种无人水面艇与无人飞行器联合的子母式机器人协作系统，可充分地消除由于现有技术的限制和缺陷导致的一个或多个问题。
[0006]本发明另外的优点、目的和特性，一部分将在下面的说明书中得到阐明，而另一部分对于本领域的普通技术人员通过对下面的说明的考察将是明显的或从本发明的实施中学到。通过在文字的说明书和权利要求书及附图中特别地指出的结构可实现和获得本发明目的和优点。
[0007]本发明提供了无人水面艇与无人飞行器联合的子母式机器人协作系统，包括无人水面艇、无人飞行器和地面站，所述无人水面艇、无人飞行器和地面站之间通过无线数传电台建立通信链路进行信息交互，其特征在于:
[0008]所述无人水面艇优选的作为母机器人，其用于运载所述无人飞行器到达释放地点，释放飞行器，其中，所述无人水面艇包括艇载监控系统；
[0009]所述无人飞行器优选的作为子机器人，其用于与所述无人水面艇协作，对指定区域进行检测，其中，所述无人飞行器包括机载监控系统。
[0010]所述地面站用于控制并协调所述无人水面艇和无人飞行器的工作，所述地面站接收所述无人水面艇和无人飞行器的信息并将所述信息实时地显示以供操作者使用，并将操作者的指令发送给所述无人水面艇和无人飞行器以实现远程遥控；其中:
[0011]所述地面站包括无人水面艇地面监控系统和无人飞行器地面监控系统，所述艇载监控系统和所述无人水面艇地面监视系统组成无人水面艇的监控系统，所述无人飞行器地面监控系统和所述机载监控系统组成无人飞行器的监控系统；其中:
[0012]所述地面站向所述无人水面艇和无人飞行器发送控制命令，所述无人水面艇和无人飞行器解析所述地面站发送的控制命令，并根据所述控制命令进行现场作业，在现场作业的过程中，所述艇载监控系统将监控到的信息发送给所述无人水面艇地面监控系统，所述机载监控系统将监控到的信息发送给所述无人飞行器地面监控系统，所述无人水面艇地面监控系统和无人飞行器地面监控系统进行信息交互，通过信息交互并实现所述无人水面艇和无人飞行器的协作。
[0013]优选的，所述无人水面艇地面监控系统和无人飞行器地面监控系统交互的信息包括所述无人水面艇和无人飞行器的位置、速率和外部环境信息，通过信息交互，所述无人水面艇和无人飞行器获得彼此的位置、速率和外部环境信息。
[0014]优选的，所述无人水面艇的监控系统由艇载监控系统和无人水面艇地面监控系统组成，其中:
[0015]所述无人水面艇地面监控系统包括:
[0016]地面站电子海图终端，其用于设置航迹路径并实时显示无人水面艇的实际航迹路径；
[0017]第一地面站视频监控系统，其用于实时显示无人水面艇的视频；
[0018]地面站雷达显控系统，其用于显示无人水面艇周围的环境；
[0019]第一地面站综合监控系统，其用于将无人水面艇地面监控系统的信息发送给艇载监控系统，还用于从所述艇载监控系统接收无人水面艇的信息并将接收到的信息发送给地面站的相应的系统进行显示；
[0020]所述艇载监控系统包括:
[0021]自主航行控制系统，其用于接收所述地面站电子海图终端设定的航迹路径信息，并控制无人水面艇按照设定的航迹路线航行；
[0022]艇载电子海图终端，其用于实时采集所述无人水面艇的航迹路线，并将采集到的航迹路线发送给所述自主航行控制系统，以便所述自主航行控制系统对航迹进行调整；
[0023]艇载雷达显控系统，其用于采集无人水面艇周围的环境并将采集的信息发送给地面站雷达显控系统进行显示；
[0024]第一信息综合处理系统，其用于和所述第一地面站综合监控系统进行信息交互，具体的，将艇载监控系统采集的信息发送给第一地面站综合监控系统，以及从所述第一地面站综合监控系统接收航迹路径信息和地面站操作人员的指令。
[0025]优选的，所述无人飞行器的监控系统由无人飞行器地面监控系统和机载监控系统组成，其中:
[0026]所述无人飞行器地面监控系统包括:
[0027]第二地面站综合监控系统，其用于从机载监控系统接收无人飞行器的信息并将接收到的信息发送给地面站视频监控系统进行显示；
[0028]第二地面站视频监控系统，其用于实时显示无人飞行器的视频和周围环境信息；
[0029]所述机载监控系统包括:
[0030]第二信息综合处理系统，其用于和所述第二地面站综合监控系统进行信息交互，具体的，将机载监控系统采集的信息发送给所述第二地面站综合监控系统，以及从所述第二地面站综合监控系统接收航迹路径信息和地面站操作人员的指令；
[0031]视频信息处理系统，其用于对采集的无人飞行器及其周围环境的视频信息进行处理，并通过无线数传模块发送给所述无人飞行器地面站监控系统的地面站视频监控系统进行显示;
[0032]自主航行控制系统，其用于接收所述无人飞行器地面站监控系统设定的航迹路径信息，并控制无人飞行器按照设定的航迹路线飞行。
[0033]优选的，所述艇载监控系统包括GPS 501、AIS 502、罗经503、姿态仪504、风速风向仪505、摄像头506中的至少一个。
[0034]优选的，所述机载监控系统包括GPS接收机616、测距传感器602、数字摄像头604、姿态传感器613、环境测量单兀615中的至少一个。
[0035]本发明还提供了一种由前述的任意一个无人水面艇与无人飞行器联合的子母式机器人协作系统执行的方法，所述方法包括以下步骤:
[0036]步骤1，操作人员规划无人水面艇、无人飞行器的航迹与任务，将各项指标通过地面站传达到无人水面艇和无人飞行器；
[0037]步骤2，无人水面艇运载无人飞行器，按照规划好的航迹，前往任务地点；
[0038]步骤3，在到达指定地点之后，无人水面艇将控制稳定平台，解锁电磁铁，释放无人飞行器，两者按照子母式机器人模式进行工作；
[0039]步骤4，所述无人飞行器和无人水面艇按照规划采集环境信息，对任务地点进行环境监测，将实时数据和视频图像传送至地面站供操作人员观察；
[0040]步骤5，回收无人飞行器；
[0041]步骤6，无人水面艇锁死电磁铁，固定无人机。
[0042]步骤7，回收无人水面艇，无人水面艇运载无人机，按照规划航线进行返航。
[0043]优选的，所述无人水面艇作为母机器人，所述无人飞行器作为子机器人。
[0044]优选的，所述步骤5具体包括:
[0045]所述无人飞行器首先按照无人水面艇的GPS位置进行粗略定位，找到无人水面艇，开启视觉定位，搜索稳定平台上的固定地标，计算地标中心点及飞行器的旋转角度，调整自身位置与姿态，实现在稳定平台上的精确降落。
[0046]优选的，按照PID控制策略控制无人飞行器的精确降落，其中，按照下式计算对无人飞行器进行控制的输出控制量:
[0047]Compared_X = Midd