一种虚实结合的遇险救援系统及方法与流程

本发明涉及灾难救援，尤其涉及一种虚实结合的遇险救援系统及方法。

背景技术：

1、随着现代社会的发展，人们对海洋等资源的开发利用日益增加。人们的生产生活与海洋息息相关。各国纷纷开始对海洋资源进行开发和探索。载人潜航器作为水下资源勘探的重要设备，成为了目前海洋工程领域的使用热点。深海载人潜航器是一种能运载科学家、工程技术人员同时搭载各种专用设备，快速、精确、持续往返到达多种深海底部进行高效探测、取样和作业的深潜装备。但是，在众多的海洋勘察任务中，载人潜航器容易由于深海海底的复杂地形、流场等水文环境，被困在深海地形中。无人潜航器的相关技术还处于理论研究阶段，由于无人潜航器与地面功率设备(例如无人机)在实际应用方面存在诸多不同，例如水体环境和空气环境的区别、水中三维定位和地面定位的区别等，使得现在还没有一套成熟的基于虚拟现实的水下救援方法、装置和系统。因此，如何引导在通信阻隔情况下的遇险载人潜航器沿撤离路线避开深海的复杂地形以安全返回水面，以及如何进行多潜航器多目标的任务分配和提高若干无人潜航器的协同能力，从而提高引导效率，是本发明所要解决的技术问题。

2、cn110758680a公开了一种水下机器人、用于水域搜救的平台及其操作方法。水下机器人包括：主体部分；布置在主体部分的侧面的多个推进器；经由上盖端部耦合的连接装置；以及传感器系统。用于水域搜救的平台包括：在水面或水下航行的无人艇；以及装载在无人艇上方的控制仓。用于操作上述平台的方法包括：接收释放命令；响应于接收到释放命令，释放水下机器人到预定深度；响应于水下机器人到达预定深度，接收作业命令以使水下机器人开展作业。该专利着重于水域搜救，其仅能用于浅水水域的溺水人员搜救工作，但是对于深海载人潜航器的遇险事故来说，其不能进行对应的救援工作，也不能对深海载人潜航器进行撤离路线的引导。

3、cn113788129a公开了一种水下联合搜救机器人及系统，包括外壳、密封舱、救援装置、动力推进装置、控制装置、感知装置。该专利提供一种阻力小、受阻力均匀、抗乱流能力强、搜寻与救援一体化、具有自主识别能力的水下联合搜救机器人。多个水下搜救机器人终端之间通过lora无线通信。但实际上，由于深海环境的阻隔，多个水下搜救机器人不能进行稳定的无线通信连接，使得该专利在实际应用时难以对遇险的载人潜航器或其他水下目标进行搜索、定位等操作。即使搜寻到遇险载人潜航器，也难以对其进行相关救援或撤离路线的引导。

4、此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

技术实现思路

1、现有技术通常采用遥控式水下机器人(rov)、自主式水下机器人(auv)以及其他辅助设备(例如声呐、摄像机、机械手等)进行水下救援。由于深水区距离通讯站较远，需要通过无人潜航器投放光纤缆等方式与通讯站保持联系，并且根据预设的任务或实时的指令，进行遇险载人潜航器的搜寻。在搜寻到遇险载人潜航器之后，无人潜航器难以正确引导遇险载人潜航器，即使建立通信连接，通过复杂指令的方式也难以引导遇险载人潜航器返航。无人潜航器所给出的指令不能有效表达遇险载人潜航器所需的撤离路线，在载人潜航器遇险的紧急情况下，遇险载人潜航器也不能针对该指令进行具体分析。尤其是该指令由于缺少直观的引导，遇险载人潜航器中的人员难以在短时间内分辨出当前位置以及对应前进方向。因此，如何通过直观的引导标志让遇险载人潜航器理解在当前状况下的复杂地形的撤离路线，是本发明所要解决的技术问题。

2、为了实现大规模的区域或跨区域海上作业，现有技术中已经出现了结合无人深潜器对海底特定目标进行定位探测分析的技术方案。例如，公开号为cn116643327a的专利文献公开了一种深海多层次海底资源精细原位探测装备系统的作业方法，其具体作业方法包括：基于深海声学探测器的复合型无人深潜器大范围扫测目标海域，对水下信标着陆器的布放与水下定位系统进行建立，基于深海三维激光雷达的复合型无人深潜器精确目标探测作业，构建深海局部资源环境的高精度三维空间模型，基于拉曼探测设备的原位精细评价与取样作业，依次完成所有重点靶区原位精细探测、评价和取样。该技术方案在扫测完成后，需要将无人深潜器回收到母船上，母船上科研人员对无人深潜器收集到的信息做分析与处理，才能实现对目标海域的地形地貌的初步了解，进而筛选出目标区域。然而，该技术方案中一方面只能通过复合型无人深潜器对目标区域进行依次探测，即便发现目标位置，也只能通过将复合型无人深潜器回收后进行后续的数据分析处理才能确定目标的具体位置信息，无法实现及时的目标探测响应需求。另一方面，由于海底环境所具有的复杂恶劣的特性，提高海底遇险救援的效率至关重要，该技术方案中的复合型无人深潜器无法根据目标位置的探测信息构建出与目标位置及其撤离路线相匹配的引导标志，无法提供高效的海底遇险救援效率。

3、针对现有技术之不足，本发明的一个方面提供了一种虚实结合的遇险救援系统，系统包括处理单元。处理单元被配置为：将停靠在海上停靠站的至少一个无人潜航器作为引导僚机派遣至海下监测海下数据，并且基于海下数据构建海底地形虚拟空间；基于海上停靠站的方位以及海底地形虚拟空间规划若干无人潜航器的探摸任务；在监测到遇险载人潜航器的情况下，基于若干无人潜航器的协同定位确定水下目标的当前位置，从而规划水下目标的撤离路线。与上述现有技术相比，本发明的无人潜航器能够监测海下数据以用于构建海底地形虚拟空间，同时还能够作为引导标志以用于为不同的撤离路线提供撤离引导。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何通过无人潜航器的虚实结合的方式来实现对遇险载人潜航器的快速定位，并为遇险载人潜航器在不同遇险情况下的撤离路线提供引导。具体地，本发明的若干无人潜航器能够对目标水域的海底地形地面进行精细化探测，获取水下地貌态势、暗流分布等情况。无人潜航器能够对水下环境进行感知的范围较小，但是精确度高。本发明一方面通过作为引导僚机的无人潜航器检测目标区域的海底环境信息，以构建出需要进行目标探测的海底地形虚拟空间，从而实现对目标区域海底信息的实时监测；另一方面，海底地形虚拟空间的建立规避了单个无人潜航器感知范围较小的缺陷，能够通过在海底地形虚拟空间进行分区域探测的方式提高目标探测的监测精度与效率。本发明通过若干无人潜航器进行水下全局环境的监测，避免了后续对遇险载人潜航器救援的盲目性，同时提高了无人潜航器以及载人潜航器的航行安全。

4、根据一种优选的实施方式，处理单元构建海底地形虚拟空间的步骤包括：至少一个海上停靠站前往遇险载人潜航器的水域以在目标水域进行扫测的方式获取水下声学地貌数据；基于水下声学地貌数据对目标水域进行遇险载人潜航器位置的可能点识别，并且规划若干无人潜航器作为引导僚机的监测海下数据的任务；海上停靠站投入若干无人潜航器以采集海下数据，并且由处理单元构建符合目标水域的海底地形虚拟空间。与上述现有技术相比，本发明的处理单元能够根据从目标水域获取的水下声学地貌数据对遇险载人潜航器的初步位置进行判断，并规划若干无人潜航器用于采集构建符合目标水域的海底地形虚拟空间的海下数据，以避免现有技术仅通过设置若干无人潜航器对目标区域进行盲目探测的缺陷。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何通过构建海底地形虚拟空间的方式来实现对遇险载人潜航器救援任务的整体规划，以提高整体救援效率。具体地，本发明的无人潜航器通过声呐扫描、多波束测深等设备对目标水域进行大面积扫描监测，从而为处理单元提供水下地貌特征。处理单元基于获取的海下数据构建出目标水域的数字化虚拟空间，直观地显示海底地形，并且能够基于该虚拟空间规划遇险载人潜航器的撤离路线。进一步地，不同的无人潜航器具有各自的搜寻范围，通过上述设置方式，本发明将搜寻处于同一目标水域的可能点位置问题转换为搜寻范围的规划问题，同时将无人潜航器搜寻范围规划问题转换为对所有可能点以及对应组合集合的范围覆盖问题，从而计算出最优规划方案，实现以最小搜寻范围覆盖所有可能点，以规划出若干无人潜航器作为引导僚机的监测海下数据的任务，由此提高无人潜航器的整体探测效率。

5、根据一种优选的实施方式，在构建出海底地形虚拟空间的情况下，处理单元基于目标水域以及海底地形虚拟空间规划若干无人潜航器的移动路径。处理单元根据海底地形虚拟空间表面的三维梯度大小规划若干无人潜航器的移动路径。与上述现有技术相比，本发明的处理单元能够根据具体的海底地形数据信息规划无人潜航器的具体移动路径。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何确保无人潜航器在对不同海底地形进行监测时所采集到的数据的准确性。具体地，由于无人潜航器在海底的倾斜的表面进行海下数据采集时，其发出的声呐的回声反射面较小，导致所获取的海下数据精确度较低，为确保无人潜航器能够对目标水域进行全覆盖式探测，本发明的处理单元通过虚实结合的方法，在海底地形虚拟空间表面的梯度差异位置改变无人潜航器探测的移动路径，从而提高监测效率。

6、根据一种优选的实施方式，处理单元基于海底地形虚拟空间划分出若干无人潜航器的探摸区域以形成探摸任务。处理单元将若干无人潜航器以树状集群分布的方式调派至目标水域。本发明通过树状集群分布的拓扑结构，提高了无人潜航器的测控距离和作业范围，能够适应海底裂谷等复杂地形环境，提高了对遇险载人潜航器的搜寻效率。

7、根据一种优选的实施方式，若干无人潜航器以被分配为若干集群的方式形成分群网络结构。本发明通过将若干无人潜航器进行集群分配，并且集群内的若干无人潜航器利用蓝绿激光进行自组网，从而构建临时、动态的分布式无中心通信网络，支撑无人潜航器的临时加入和退出。

8、根据一种优选的实施方式，处理单元将若干无人潜航器中的一个或多个无人潜航器作为集群节点以管理集群内的若干无人潜航器之间的通信，并且集群节点承担与若干集群的通信。若干集群节点作为无人潜航器树状集群分布的分支点，以形成若干集群。与上述现有技术相比，本发明的处理单元能够将若干无人潜航器作为遇险救援任务的中间通信集群节点。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何提高不同无人潜航器集群执行不同遇险救援任务时的响应速度以及不同无人潜航器集群之间的通信稳定性。本发明的无人潜航器通过确定水下目标位置的分布搜寻方法，不同无人潜航器执行不同的任务类型和任务性质的协同工作模式，使得无人潜航器的协同配合适应深水环境的未知性，提高救援效率，降低作业风险。进一步地，海底环境恶劣且复杂，极易对不同无人潜航器集群的通信质量造成影响，通过上述设置方式，本发明能够通过不同无人潜航器集群之间的局部交互通信方式来确保全局的遇险救援任务的顺利开展，在极大提升数据传输性能的同时，还可以很大程度上提高数据传输的可靠性。即使部分无人潜航器集群因中间通信节点故障而未接收到处理单元发送的相关控制指令，也能够通过无人潜航器集群之间的通信连接实现数据传输并执行相应的遇险救援任务。

9、根据一种优选的实施方式，在监测到遇险载人潜航器的情况下，处理单元通过集群式通信网络向集群节点发送引导指令，从而使得若干无人潜航器根据集群节点的指令进行跟随移动。集群节点控制无人潜航器的排列方式以使得若干无人潜航器在水中组合形成立体引导标志。无人潜航器能够携带水下照明模块，以在组合形成立体引导标志后，通过发出可见光以形成可见的立体引导标志。与上述现有技术相比，本发明的无人潜航器能够根据处理单元发送的引导指令形成立体引导标志。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何在确定遇险载人潜航器状态的情况下为其提供便于撤离的立体引导标志，以提高遇险救援的效率。本发明在若干无人潜航器形成集群式通信网络的基础上，控制若干无人潜航器在监测到水下目标之后，形成立体引导标志，从而指引遇险载人潜航器脱离可能遇险的裂谷、海底悬崖等复杂地形，便于载人潜航器中的人员快速了解当前被困情况，并且根据指引前往安全水域。

10、根据一种优选的实施方式，处理单元向集群节点发送预设的引导标志图案，从而使得集群节点根据无人潜航器的数量和位置选择对应的引导标志图案进行若干无人潜航器的阵列转换。处理单元根据遇险载人潜航器的被困情况进行若干无人潜航器的引导标志图案的规划。本发明的若干无人潜航器能够在水中组合形成上浮、下潜、绕行暗流等复杂地形的指引标志。该指引标志能够是箭头、数字、字母、汉字等。处理单元在虚拟空间中实时模拟无人潜航器的运动轨迹以规划若干无人潜航器组合形成的立体引导标志，提高立体引导标志形成的效率。

11、本发明的无人潜航器在引导遇险载人潜航器抵达安全水域后，再指挥遇险载人潜航器上浮至海面，从而避免载人潜航器在上浮过程中触及海底裂谷等不利地形地貌，同时避免海底可能存在的海水内波、暗流以及负跃层对载人潜航器航行的影响。

12、本发明的另一方面涉及一种虚实结合的遇险救援方法，方法包括：将至少一个无人潜航器作为引导僚机派遣至海下监测海下数据，并且基于海下数据构建海底地形虚拟空间；基于海上停靠站的方位以及海底地形虚拟空间规划若干无人潜航器的探摸任务；在监测到遇险载人潜航器的情况下，基于若干无人潜航器的协同定位确定水下目标的当前位置，从而规划水下目标的撤离路线。本发明根据无人潜航器的集群式组合来调度若干无人潜航器的搜寻遇险载人潜航器的方式，以实现水下联合搜救，并且建立联合组网以进行水下通信。无人潜航器所监测到的水下各项数据能够作为虚拟空间构建的基础，从而提前确定水下暗流等不利海底条件，为后续遇险载人潜航器的水下救援以及撤离路线提供数据基础。

13、根据一种优选的实施方式，方法还包括：至少一个海上停靠站前往遇险载人潜航器的水域以在目标水域进行扫测的方式获取水下声学地貌数据；基于水下声学地貌数据对目标水域进行遇险载人潜航器位置的可能点识别，并且规划若干无人潜航器作为引导僚机的监测海下数据的任务；海上停靠站投入若干无人潜航器以采集海下数据，并且由处理单元构建符合目标水域的海底地形虚拟空间。海上停靠站能够是用于搭载若干无人潜航器的平台工作船。该平台工作船具有卫星定位设备、接收基阵等装置。平台工作船通过搭载的大型声呐设备初步探测该目标水域的水下声学地貌数据，从而为后续无人潜航器的精细化探测提供路径规划的基础。