智能浮标、海上巡航的无人机集群化控制管理系统和方法

1.本发明涉及海上无人机巡航技术领域，具体涉及一种智能浮标、海上巡航的无人机集群化控制管理系统和方法。


背景技术：

2.浮标，是指浮于水面的一种航标，是被用于无法布置固定航标之处，来标示航道范围、指示浅滩、碍航物或表示专门用途的水面助航标志。在20世纪20年代，人们开始研究多功能智能浮标，如可收集海洋水文水质气象资料的海洋浮标。
3.随着新时代的发展，航运业日益繁荣，相伴随的是海上交通事故的频繁发生，但是限于海上复杂多变的环境，实施救援时岸上机构可能距离救援地点遥远，导致救援行动往往时间紧迫并且困难重重。因此如果可以对救援地点附近的浮标进行创新，就可以在收到求救信号后立刻展开救援。
4.而目前智能浮标主要存在以下问题：1、功能较为单一：目前主要用于水质检测和水文气象观测；2、作用范围有限：由于其在海洋上的位置相对固定，固其作用范围仅局限于其周边海域。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种智能浮标、海上巡航的无人机集群化控制管理系统和方法，解决现有技术中浮标功能较为单一和作用范围有限的技术问题。
6.为达到上述技术目的，第一方面，本发明的技术方案提供一种智能浮标，包括：
7.机械对接平台；
8.通信装置，设置于所述机械对接平台上，通过所述通信装置与其它智能浮标组网通信；
9.多个航行保障基站，与所述机械对接平台连接，所述航行保障基站包括：舱体、无人机降落平台、太阳能电池板、无线充电装置，所述舱体内部设置有容置腔，所述容置腔用于存放无人机；
10.所述无人机降落平台设置于所述舱体的顶部，所述无人机降落平台用于引导无人机降落，当无人机降落完成，所述无人机降落平台打开，无人机进入所述容置腔；
11.所述太阳能电池板倾斜设置于所述舱体表面，所述太阳能电池板用于提供电源；
12.所述无线充电装置设置于所述容置腔内，与所述太阳能电池板连接，所述无线充电装置用于为无人机进行无线充电。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明提供的智能浮标通过无人机集群化控制管理，拓展智能浮标功能和作用范围。智能浮标可结合无人机应用于海上搜救、海上执法、航标巡检或航道测绘。针对无人机在海上有线充电不便利、需要人工干预的问题，系统内设有一种基于磁耦合谐振式无线充电的无人机海上航保基站，其运用一方面大大提
高了无人机的续航能力和环境适应能力；另一方面作为系统组网的基点，提高了信息传播效率和可靠性。
14.根据本发明提供的一些实施例，所述机械对接平台为三角状，所述机械对接平台的三个角分别连接有一个所述航行保障基站。
15.根据本发明提供的一些实施例，所述航行保障基站底部设置有锚锭卡扣和多个锚链卡扣，通过所述锚链卡扣与锚链配合将所述航行保障基站与水下物体连接，通过所述锚锭卡扣与水下锚锭连接。
16.根据本发明提供的一些实施例，所述航行保障基站上表面还设置有避雨罩，所述避雨罩用于避雨、防风或防浪。
17.根据本发明提供的一些实施例，所述航行保障基站还包括压载水舱，设置于所述航行保障基站底部，所述压载水舱用于调整所述智能浮标的重心位置、浮态和稳定性。
18.根据本发明提供的一些实施例，所述太阳能电池板与所述舱体之间通过转动轴连接，根据太阳辐射角度转动所述转动轴以调整所述太阳能电池板的倾斜角度。
19.根据本发明提供的一些实施例，所述无线充电装置包括第一铁氧体和发射线圈，所述发射线圈嵌入设置于所述第一铁氧体的凹槽内。
20.根据本发明提供的一些实施例，所述无人机包括摄像云平台、水质检测模块、定位模块和通信模块，所述摄像云平台用于在巡航过程对水面目标物进行拍摄并进行图像识别处理，所述水质检测模块用于在巡航过程对水质信息进行检测，所述定位模块用于在巡航过程获取所述无人机位置，所述通信模块与所述摄像云平台、水质检测模块和定位模块通信连接，所述通信模块用于将所述水面目标物信息、水质信息和无人机位置信息发送到所述智能浮标的所述通信装置。
21.第二方面，本发明的技术方案提供一种海上巡航的无人机集群化控制管理系统，包括：控制终端和多个如第一方面中任意一项所述的智能浮标，所述智能浮标和所述控制终端通信连接；
22.无人机，存放于智能浮标的容置腔，与所述控制终端通信连接，所述无人机用于对水面进行巡逻和对应急情况进行处理。
23.第三方面，本发明的技术方案提供一种海上巡航的无人机集群化控制管理方法，包括以下步骤：
24.在预定海域部署如第二方面所述的海上巡航的无人机集群化控制管理系统，无人机包括巡航无人机和应急无人机；
25.使用所述巡航无人机在所述预定海域的预设巡航路线进行巡逻，通过所述巡航无人机对目标物进行图像识别处理，判断所述目标物是否为可疑目标物；
26.若所述目标物为可疑目标物，通过控制终端发出搜救指令，以使所述应急无人机前往所述可疑目标物位置进行救援。
27.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
28.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得
明显和容易理解，其中摘要附图要与说明书附图的其中一幅完全一致：
29.图1为本发明一个实施例提供的智能浮标的结构图；
30.图2为本发明另一个实施例提供的智能浮标的航行保障基站结构图；
31.图3为本发明另一个实施例提供的智能浮标的无线充电装置结构图；
32.图4为本发明另一个实施例提供的海上巡航的无人机集群化控制管理方法的流程图；
33.图5为本发明另一个实施例提供的海上巡航的无人机集群化控制管理方法的系统启动流程及算法原理图。
34.附图标记说明：机械对接平台110、通信装置120、航行保障基站130、舱体131、无人机降落平台132、太阳能电池板133、锚锭卡扣134、锚链卡扣135、避雨罩210、压载水舱220、第一铁氧体310、发射线圈320、第二铁氧体330、接收线圈340。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
36.需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
37.本发明提供了一种智能浮标，通过无人机集群化控制管理，拓展智能浮标功能和作用范围，智能浮标可结合无人机应用于海上搜救、海上执法、航标巡检或航道测绘。
38.下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
39.参照图1，图1为本发明一个实施例提供的智能浮标的结构图。
40.在一实施例中，智能浮标包括：机械对接平台110；通信装置120，设置于机械对接平台110上，通过通信装置120与其它智能浮标组网通信；多个航行保障基站130，与机械对接平台110连接，航行保障基站130包括：舱体131、无人机降落平台132、太阳能电池板133、无线充电装置，舱体131内部设置有容置腔，容置腔用于存放无人机；无人机降落平台132设置于舱体131的顶部，无人机降落平台132用于引导无人机降落，当无人机降落完成，无人机降落平台132打开，无人机进入容置腔；太阳能电池板133倾斜设置于舱体131表面，太阳能电池板133用于提供电源；无线充电装置设置于容置腔内，与太阳能电池板133连接，无线充电装置用于为无人机进行无线充电。
41.本实施例提供的智能浮标通过无人机集群化控制管理，拓展智能浮标功能和作用范围。智能浮标可结合无人机应用于海上搜救、海上执法、航标巡检或航道测绘。针对无人机在海上有线充电不便利、需要人工干预的问题，系统内设有一种基于磁耦合谐振式无线充电的无人机海上航保基站，其运用一方面大大提高了无人机的续航能力和环境适应能力；另一方面作为系统组网的基点，提高了信息传播效率和可靠性。
42.在一实施例中，智能浮标包括：机械对接平台110；通信装置120，设置于机械对接平台110上，通过通信装置120与其它智能浮标组网通信；多个航行保障基站130，与机械对
接平台110连接，航行保障基站130包括：舱体131、无人机降落平台132、太阳能电池板133、无线充电装置，舱体131内部设置有容置腔，容置腔用于存放无人机；无人机降落平台132设置于舱体131的顶部，无人机降落平台用于引导无人机降落，当无人机降落完成，无人机降落平台132打开，无人机进入容置腔；太阳能电池板133倾斜设置于舱体131表面，太阳能电池板133用于提供电源；无线充电装置设置于容置腔内，与太阳能电池板133连接，无线充电装置用于为无人机进行无线充电。机械对接平台110为三角状，机械对接平台110的三个角分别连接有一个航行保障基站130。当然机械对接平台110也不仅限于为三角状，可以是在一个智能浮标设置有两个航行保障基站130，一个载有巡航无人机，另一个载有应急无人机；还可以是一个智能浮标设置有四个航行保障基站130，而智能浮标可以为四边形状，当然也可以是一个智能浮标设置有更多的航行保障基站130，本实施例对其不构成限制。
43.参照图2，图2为本发明另一个实施例提供的智能浮标的航行保障基站130结构图。
44.在一实施例中，智能浮标包括：机械对接平台110；通信装置120，设置于机械对接平台110上，通过通信装置120与其它智能浮标组网通信；多个航行保障基站130，与机械对接平台110连接，航行保障基站130包括：舱体131、无人机降落平台132、太阳能电池板133、无线充电装置，舱体131内部设置有容置腔，容置腔用于存放无人机；无人机降落平台132设置于舱体131的顶部，无人机降落平台用于引导无人机降落，当无人机降落完成，无人机降落平台132打开，无人机进入容置腔；太阳能电池板133倾斜设置于舱体131表面，太阳能电池板133用于提供电源；无线充电装置设置于容置腔内，与太阳能电池板133连接，无线充电装置用于为无人机进行无线充电。
45.航行保障基站130底部设置有锚锭卡扣134和多个锚链卡扣135，通过锚链卡扣135与锚链配合将航行保障基站130与水下物体连接，通过锚锭卡扣134与水下锚锭连接。锚链卡扣135的数量可以是两个、三个、四个或者五个，也可以是其它数量，本实施例对其不构成限制。
46.在一实施例中，智能浮标包括：机械对接平台110；通信装置120，设置于机械对接平台110上，通过通信装置120与其它智能浮标组网通信；多个航行保障基站130，与机械对接平台110连接，航行保障基站130包括：舱体131、无人机降落平台132、太阳能电池板133、无线充电装置，舱体131内部设置有容置腔，容置腔用于存放无人机；无人机降落平台132设置于舱体131的顶部，无人机降落平台用于引导无人机降落，当无人机降落完成，无人机降落平台132打开，无人机进入容置腔；太阳能电池板133倾斜设置于舱体131表面，太阳能电池板133用于提供电源；无线充电装置设置于容置腔内，与太阳能电池板133连接，无线充电装置用于为无人机进行无线充电。航行保障基站130上表面还设置有避雨罩210，避雨罩210用于避雨、防风或防浪。避雨罩210可以是设置在无人机降落平台132两侧，避雨罩210可以是圆弧状的，能够有效规避风浪，具有很好的实用价值。
47.在一实施例中，智能浮标包括：机械对接平台110；通信装置120，设置于机械对接平台110上，通过通信装置120与其它智能浮标组网通信；多个航行保障基站130，与机械对接平台110连接，航行保障基站130包括：舱体131、无人机降落平台132、太阳能电池板133、无线充电装置，舱体131内部设置有容置腔，容置腔用于存放无人机；无人机降落平台132设置于舱体131的顶部，无人机降落平台用于引导无人机降落，当无人机降落完成，无人机降落平台132打开，无人机进入容置腔；太阳能电池板133倾斜设置于舱体131表面，太阳能电
池板133用于提供电源；无线充电装置设置于容置腔内，与太阳能电池板133连接，无线充电装置用于为无人机进行无线充电。
48.航行保障基站130底部设置有锚锭卡扣134和多个锚链卡扣135，通过锚链卡扣135与锚链配合将航行保障基站130与水下物体连接，通过锚锭卡扣134与水下锚锭连接。航行保障基站130还包括压载水舱220，设置于航行保障基站130底部，压载水舱220用于调整智能浮标的重心位置、浮态和稳定性。通过压载水舱220的进水量调整调整航行保障基站130的重量和重心位置，以使智能浮标能够更稳定地浮在水面上。
49.在一实施例中，智能浮标包括：机械对接平台110；通信装置120，设置于机械对接平台110上，通过通信装置120与其它智能浮标组网通信；多个航行保障基站130，与机械对接平台110连接，航行保障基站130包括：舱体131、无人机降落平台132、太阳能电池板133、无线充电装置，舱体131内部设置有容置腔，容置腔用于存放无人机；无人机降落平台132设置于舱体131的顶部，无人机降落平台用于引导无人机降落，当无人机降落完成，无人机降落平台132打开，无人机进入容置腔；太阳能电池板133倾斜设置于舱体131表面，太阳能电池板133用于提供电源；无线充电装置设置于容置腔内，与太阳能电池板133连接，无线充电装置用于为无人机进行无线充电。太阳能电池板133与舱体131之间通过转动轴连接，根据太阳辐射角度转动转动轴以调整太阳能电池板133的倾斜角度。
50.参照图3，图3为本发明另一个实施例提供的智能浮标的无线充电装置结构图。
51.在一实施例中，智能浮标包括：机械对接平台110；通信装置120，设置于机械对接平台110上，通过通信装置120与其它智能浮标组网通信；多个航行保障基站130，与机械对接平台110连接，航行保障基站130包括：舱体131、无人机降落平台132、太阳能电池板133、无线充电装置，舱体131内部设置有容置腔，容置腔用于存放无人机；无人机降落平台132设置于舱体131的顶部，无人机降落平台用于引导无人机降落，当无人机降落完成，无人机降落平台132打开，无人机进入容置腔；太阳能电池板133倾斜设置于舱体131表面，太阳能电池板133用于提供电源；无线充电装置设置于容置腔内，与太阳能电池板133连接，无线充电装置用于为无人机进行无线充电。
52.无线充电装置包括第一铁氧体310和发射线圈320，发射线圈320嵌入设置于第一铁氧体310的凹槽内；在无人机的起落架设置有无线充电接受装置，无线充电接受装置包括第二铁氧体330和接收线圈340，接收线圈340缠绕设置于第二铁氧体330。本实施例为无人机设计了无线充电系统，利用一种耦合装置，设计能保持输出电压恒定的系统电路。通过对耦合装置的有限元分析可知，耦合装置能有效将磁场约束在发射装置平面上方一定高度以内，避免无线充电过程中交变磁场对无人机的漏磁干扰。针对无人机有线充电不便利、需要人工干预的问题，采用磁耦合谐振式无线充电技术，在浮标内部嵌入一种无人机无线充电耦合装置，其发射装置具有双极性磁场特性，接收装置采用在小型铁氧体条上绕制线圈的方式，接收装置装设在起落架底端。
53.在一实施例中，智能浮标包括：机械对接平台110；通信装置120，设置于机械对接平台110上，通过通信装置120与其它智能浮标组网通信；多个航行保障基站130，与机械对接平台110连接，航行保障基站130包括：舱体131、无人机降落平台132、太阳能电池板133、无线充电装置，舱体131内部设置有容置腔，容置腔用于存放无人机；无人机降落平台132设置于舱体131的顶部，无人机降落平台用于引导无人机降落，当无人机降落完成，无人机降
落平台132打开，无人机进入容置腔；太阳能电池板133倾斜设置于舱体131表面，太阳能电池板133用于提供电源；无线充电装置设置于容置腔内，与太阳能电池板133连接，无线充电装置用于为无人机进行无线充电。
54.无人机包括摄像云平台、水质检测模块、定位模块和通信模块，摄像云平台用于在巡航过程对水面目标物进行拍摄并进行图像识别处理，水质检测模块用于在巡航过程对水质信息进行检测，定位模块用于在巡航过程获取无人机位置，通信模块与摄像云平台、水质检测模块和定位模块通信连接，通信模块用于将水面目标物信息、水质信息和无人机位置信息发送到智能浮标的通信装置120。
55.本发明还提供了一种海上巡航的无人机集群化控制管理系统，包括：控制终端和多个如上述的智能浮标，智能浮标和控制终端通信连接；无人机，存放于智能浮标的容置腔，与控制终端通信连接，无人机用于对水面进行巡逻和对应急情况进行处理。
56.参照图4，图4为本发明另一个实施例提供的海上巡航的无人机集群化控制管理方法的流程图。海上巡航的无人机集群化控制管理方法包括但是不仅限于步骤s110至步骤s130。
57.步骤s110，在预定海域部署海上巡航的无人机集群化控制管理系统，无人机包括巡航无人机和应急无人机；
58.步骤s120，使用巡航无人机在预定海域的预设巡航路线进行巡逻，通过巡航无人机对目标物进行图像识别处理，判断目标物是否为可疑目标物；
59.步骤s130，若目标物为可疑目标物，通过控制终端发出搜救指令，以使应急无人机前往可疑目标物位置进行救援。
60.在一实施例中，海上巡航的无人机集群化控制管理方法包括步骤：在预定海域部署海上巡航的无人机集群化控制管理系统，无人机包括巡航无人机和应急无人机；使用巡航无人机在预定海域的预设巡航路线进行巡逻，通过巡航无人机对目标物进行图像识别处理，判断目标物是否为可疑目标物；若目标物为可疑目标物，通过控制终端发出搜救指令，以使应急无人机前往可疑目标物位置进行救援。
61.基于无人机集群控制管理系统的海上搜救方法包括：
62.一、系统通信模块
63.智能浮标通过各类传感器对浮标周围的环境进行实时监测，并通过探测系统对该海域的水文气象等进行实时分析和信息采集，这些信息将作为浮标本身信息传送给无人机，浮标还需要对无人机在浮标平台上的降落、充电进行控制。无人机则通过搭载通信模块与浮标进行相互之间的数据交换，将采集到的信息传送给浮标。控制终端则会对各个浮标和无人机群进行控制、通信，实时监测浮标和无人机群的状态，同时与其gps进行通信，实现系统的远距离控制管理以及信息的双向传输。
64.二、浮标的海事搜救决策模型
65.智能浮标系统设有海事搜救决策模型，可以根据所收集到的海上事故现场施救方案来进行决策分析和验证，从而得出最佳救援方案。工作人员可以结合决策模型的解算结果和自我判断来决定实施何种救援方案。模型具体设计如下：
66.(1)查询以往的海上事故场景和相应救援方案的记录，并提取相关数据导入库中，建立认知数据库；
67.(2)对认知数据库中的数据进行预处理(去除冗余数据)，并通过pca算法进行主成分分析，实现数据清洗、降维及相关性分析后形成决策数据库；
68.(3)根据决策数据库中的信息，通过算法训练并优化得出海事搜救的最佳决策模型；
69.(4)利用仿真软件，模拟海上遇难事故，以验证决策模型的准确性；
70.(5)若模型准确率符合要求则投入实际应用，否则重新训练优化模型。
71.借助海事搜救决策模型，可以实现对救援区域栅格化处理时的风险分析以及救援决策分析及检验，而工作人员可以根据决策模型的解算结果和自我判断来决定实施何种救援方案，从而实现新型浮标救援时的智能化和自主化。
72.参照图5，图5为本发明另一个实施例提供的海上巡航的无人机集群化控制管理方法的系统启动流程及算法原理图。
73.智能浮标的使用方法包括步骤：
74.一、不同应用场景的产品核心构成部分是相同的，只是在部署位置和浮标数量上有些许不同，所以本部分以海事搜救为代表进行展开介绍。具体实施方法如下：
75.(1)根据需求，在一定海域范围部署网络通信系统，控制终端将根据海域水文气象及地理信息进行全局与局部路径规划，并自动分析生成无人机群的最优巡航路线和浮标的部署地点；
76.(2)根据部署地点投放浮标，并将智能浮标与系统终端建立通信连接。浮标所携带的巡航无人机会根据所规定的路径，开始巡航；
77.(3)巡航无人机采集救援现场信息并进行分析，通过图像识别和随机森林算法对搜救区域进行分级和危险系数评估。
78.(4)当发生海上事故时，巡航无人机通过图像识别系统、gps定位系统、及海事搜救决策模型将危险系数、位置信息通过通信系统反馈到浮标移动端和无人机群控制终端；
79.(5)浮标内的海事搜救决策模型将根据采集信息进行最优救援决策方案计算；
80.(6)智能浮标接受到巡航无人机所回传的信息后，立即派出应急无人机携带救生衣等救援物资第一时间前往救援现场；
81.(7)控制中心的人员则根据巡航无人机所回传的信息，可参考海事搜救决策模型得出的方案自行决定进一步的救援方案，并可根据巡航无人机的监控画面实时调整方案。
82.本发明还提供了一种海上巡航的无人机集群化控制管理系统，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如上述的海上巡航的无人机集群化控制管理方法。
83.处理器和存储器可以通过总线或者其他方式连接。
84.存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
85.需要说明的是，本实施例中的海上巡航的无人机集群化控制管理系统，可以包括
有业务处理模块、边缘端数据库、服务端版本信息寄存器、数据同步模块，处理器执行计算机程序时实现如上述应用在海上巡航的无人机集群化控制管理系统的海上巡航的无人机集群化控制管理方法。
86.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
87.此外，本发明的一个实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个处理器或控制器执行，例如，被上述终端实施例中的一个处理器执行，可使得上述处理器执行上述实施例中的海上巡航的无人机集群化控制管理方法。
88.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
89.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。
90.以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。