本发明涉及水上救援装备控制，具体为一种消防救援用水下机器人布放系统。
背景技术：
1、随着海洋救援、水下探测与作业需求的日益增长，水下机器人已成为执行深海搜救、目标打捞等任务的关键装备。其作业效能高度依赖于从母船至水下目标点的安全、精准布放过程。这一过程通常通过船载起重机、a型架、l型架或专用布放绞车等装置完成。
2、现有的布放系统普遍采用基于操作员经验的手动操控与仪表监视模式，操作员需紧盯各类仪表数据，凭借个人经验手动调节设备运行参数，先将水下机器人平稳吊离甲板，再缓慢越过船舷后逐步下放至水中，其依赖操作员的实时反应与经验判断，缺乏对环境变化的自适应能力，在消防救援等紧急任务场景中，海洋环境具有强动态性与不确定性，船舶易受风浪影响产生持续姿态扰动，这种扰动会直接传递至吊索，导致被吊放的水下机器人产生剧烈且复杂的摆动，不仅造成布放路径偏离预设轨迹、作业效率降低。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种消防救援用水下机器人布放系统，解决现有的消防救援用水下机器人布放系统，易导致被吊放的水下机器人产生剧烈且复杂的摆动，不仅造成布放路径偏离预设轨迹、作业效率降低的问题。
2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种消防救援用水下机器人布放系统，包括：
3、数据采集模块，用于获取水下机器人布放过程中的运行数据，并进行时间同步与预处理，形成预处理数据，所述运行数据包括船舶运动数据、海洋环境数据、布放装置状态数据以及水下环境感知数据；
4、构建融合模块，用于基于预处理数据，构建线性变参数预测模型描述吊放系统动力学，并融合所述船舶运动数据与水下环境感知数据生成动态约束；
5、滚动优化模块，用于在每个控制周期内，基于所述线性变参数预测模型与所述动态约束，构建并求解有限时域控制问题，解算得到对绞车与吊臂的控制指令；
6、控制执行模块，用于根据所述控制指令，驱动所述绞车与吊臂进行相应动作，使水下机器人沿预定空间路径的布放；
7、安全监控模块，用于实时判断布放过程的安全指标，并在所述安全指标超过预设值时触发应急控制策略。
8、通过采用上述技术方案，通过对多源异构运行数据进行同步与融合预处理，建立能够自适应缆长与海流变化的线性变参数预测模型，并生成融合了船舶运动扰动与实时避障需求的动态约束，通过在每个控制周期在线求解带约束的有限时域最优控制问题，实现了在动态环境下对预定空间路径的最优跟踪控制，并结合前馈补偿主动抵消船体运动影响，解决了现有的消防救援用水下机器人布放系统，易导致被吊放的水下机器人产生剧烈且复杂的摆动，不仅造成布放路径偏离预设轨迹、作业效率降低的问题。
9、优选的，所述进行时间同步与预处理，具体包括以下步骤：
10、获取水下机器人布放过程中船舶运动数据、海洋环境数据、布放装置状态数据以及水下环境感知数据，形成运行数据；
11、将运行数据进行时间戳对齐与数据包解析，并进行滤波去噪和标准化处理，形成时间同步且尺度统一的预处理数据。
12、优选的，所述构建线性变参数预测模型描述吊放系统动力学，包括以下步骤：
13、基于吊放系统的动力学分析，定义包含水下机器人位置偏差、速度偏差、缆绳摆角及摆角角速度的状态向量；
14、定义包含绞车速度增量、吊臂方位角速度增量及俯仰角速度增量的控制输入向量；
15、建立以缆绳实时长度和实时海流速度为调度参数的离散时间状态空间方程；
16、根据实时获取的所述缆绳实时长度与所述实时海流速度，更新所述状态空间方程的系数矩阵，形成线性变参数预测模型。
17、优选的，所述更新所述状态空间方程的系数矩阵，包括以下步骤：
18、根据所述缆绳实时长度与所述实时海流速度，查询预置的参数调度表，获取对应的模型更新参数；
19、使用所述模型更新参数，计算并替换所述状态空间方程中对应的系数元素；
20、将更新系数后的状态空间方程作为当前控制周期使用的线性变参数预测模型。
21、优选的，所述融合所述船舶运动数据与水下环境感知数据生成动态约束，包括以下步骤：
22、基于历史与当前的所述船舶运动数据，通过时间序列预测模型计算未来一个时域内的船舶运动扰动序列；
23、基于所述水下环境感知数据，计算预定空间参考轨迹上各点与障碍物之间的距离；
24、根据所述距离、水下机器人当前速度及海流速度，动态计算所述参考轨迹各点对应的安全走廊半径；
25、基于所述安全走廊半径，生成随时间和空间变化的动态安全边界，并将所述动态安全边界与所述船舶运动扰动序列共同作为动态约束。
26、优选的，所述动态计算所述参考轨迹各点对应的安全走廊半径，包括以下步骤：
27、获取所述参考轨迹上当前点的预设基础安全半径、预设最小安全半径以及预设的各影响系数；
28、获取所述当前点对应的与障碍物的距离、所述水下机器人当前速度及所述实时海流速度；
29、基于所述基础安全半径，依次减去由所述距离、所述水下机器人当前速度及所述实时海流速度分别乘以对应影响系数所确定的减量；
30、将计算结果与所述最小安全半径进行比较，取两者中数值大的作为所述当前点的安全走廊半径。
31、优选的，所述解算得到对绞车与吊臂的控制指令，包括以下步骤：
32、在所述滚动优化模块的每个控制周期内，以最小化未来预测时域内的轨迹跟踪误差与控制增量变化为目标函数；
33、以所述线性变参数预测模型作为等式约束，以绞车与吊臂的物理限幅与控制增量限幅作为不等式约束，以所述动态约束中的动态安全边界作为输出软约束，构建二次规划问题；
34、调用嵌入式二次规划求解器对所述二次规划问题进行实时求解，获得控制增量序列；
35、从所述控制增量序列中提取首个控制增量，结合上一时刻的控制指令与基于实时船舶运动角速度计算的前馈补偿量，生成当前周期的所述控制指令。
36、优选的，所述调用嵌入式二次规划求解器对所述二次规划问题进行实时求解，包括以下步骤：
37、将所述目标函数、所述等式约束、所述不等式约束及所述输出软约束转换为标准二次规划形式；
38、初始化所述嵌入式二次规划求解器，并在预设时间内进行迭代求解，当在所述预设时间内成功求解，则输出控制增量序列，当求解超时或失败，则触发降级控制策略。
39、优选的，所述驱动所述绞车与吊臂进行相应动作，包括以下步骤：
40、解析所述控制指令，得到绞车目标速度、吊臂目标方位角速度与吊臂目标俯仰角速度；
41、根据实时船舶运动角速度，计算用于抵消船体旋转影响的吊臂运动前馈补偿量；
42、将所述吊臂运动前馈补偿量分别叠加至所述吊臂目标方位角速度与所述吊臂目标俯仰角速度，形成补偿后的吊臂控制指令；
43、将所述绞车目标速度与所述补偿后的吊臂控制指令转换为驱动信号，控制所述绞车与所述吊臂执行。
44、优选的，所述在所述安全指标超过预设值时触发应急控制策略，包括以下步骤：
45、持续读取布放装置状态数据中的缆绳张力与缆绳摆角、水下机器人与障碍物的距离的实时测量值；
46、持续监控所述滚动优化模块的求解器状态；
47、当所述缆绳张力超过对应的预设安全阈值，或所述缆绳摆角超过对应的预设安全阈值，或所述距离低于对应的预设安全阈值，或所述求解器状态为超时失败，则判定为安全指标越限，触发预设的应急控制策略。
48、本发明提供了一种消防救援用水下机器人布放系统。具备以下有益效果：
49、1、本发明通过对多源异构运行数据进行同步与融合预处理，建立能够自适应缆长与海流变化的线性变参数预测模型，并生成融合了船舶运动扰动与实时避障需求的动态约束，通过在每个控制周期在线求解带约束的有限时域最优控制问题，实现了在动态环境下对预定空间路径的最优跟踪控制，并结合前馈补偿主动抵消船体运动影响，解决了现有的消防救援用水下机器人布放系统，易导致被吊放的水下机器人产生剧烈且复杂的摆动，不仅造成布放路径偏离预设轨迹、作业效率降低的问题。
50、2、本发明通过建立以缆绳长度和海流速度为调度参数的线性变参数预测模型，使得系统动力学描述能够实时匹配当前作业工况；同时，基于该模型和融合了船舶运动扰动预测与实时环境感知的动态约束，在每个控制周期内在线求解最优控制问题，使控制系统能够前瞻性地补偿船舶随机运动带来的扰动，并动态规划规避障碍物的安全路径，从而实现了水下机器人沿复杂空间路径的稳定、精准布放，提升了复杂动态海况下的布放路径跟踪精度与自适应能力。
51、3、本发明通过线性变参数预测模型能够根据实时测量的缆长与海流速度动态更新其系数，确保动力学模型始终贴近系统当前的真实物理特性，结合预测-优化-反馈的闭环机制，能够基于最新的状态与扰动信息重新规划未来短时域内的控制序列，并对模型误差和未建模动态具有一定的容忍度，使得系统在面对缆长持续变化、海流突变等强时变因素时，依然能保持良好的控制性能，提升了在非平稳作业环境下的适应能力与稳定性。