水空两栖式全方位自主搜救舰队

技术领域

本发明涉及搜救技术领域，具体涉及一种水空两栖式全方位自主搜救舰队。

背景技术

随着海洋经济的快速发展，海上运输安全问题也日益凸显，海上交通事故时有发生。采取行之有效的策略和措施来提升海上搜救能力已刻不容缓。

搜救工作需要争分夺秒，必须在最短的时间内找到伤员，由于海难现场环境复杂，以无人机现有的科技水平，快速且精确的找到伤员位置并非易事。这就要求对无人机进行改善。近年来，随着世界各国对海洋安全防护、海洋资源勘探与开发以及无人军事作战系统的重视，水面无人艇(USV)因其自主程度高、机动性强等特点，已成为国内外研究的热点。随着无人艇技术的深人研究与军民两用的发展需求,无人艇编队的概念应运而生。相比单艘无人艇，无人艇编队在执行任务时具有效率高、容错性强及覆盖范围广的特点，在实际工程应用中有着重要的意义。

无人机作为航空救援体系的一员，具有成本低、易操控、高度灵活性等特点，在空中监视、空中通信、紧急救援等领域发挥着越来越重要的作用。然而无人机受制于载荷能力、续航能力的约束，难以在海上开展长时间作业，有必要依托具备长距离巡航的自主搜救舰船作为运动载体。自主搜救舰船具备远距离续航的优势，然而受制于空间巡视能力的不足，难以有效地掌握大范围内的海上动态环境。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水空两栖式全方位自主搜救舰队，以解决传统无人机搜救过程中续航能力不足以及搜寻范围小的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种技术方案：水空两栖式全方位自主搜救舰队，包括：

主航行器，包括动力模块、通信模块以及无人舰回收模块；其中动力模块用于为主航行器提供航行动力；通信模块用于使主航行器与无人舰队以及控制中心进行通信；无人舰回收模块用于回收无人舰队；

无人舰队，由若干无人舰组成，包括人体红外感应模块、智能避障模块、GPS定位模块、自主巡航模块以及WIFI通信模块；其中人体红外感应模块用于探测人体；智能避障模块用于使无人舰队在靠近障碍物时进行自主避障；GPS定位模块用于获取无人舰队的位置信息；自主巡航模块用于使无人舰队进行自主巡航搜救；WIFI通信模块用于和主航行器进行通讯。

按上述方案，所述的主航行器船体采用双体船。

按上述方案，所述动力模块包括四旋翼模块和动力模块；其中四旋翼模块包括分散在主航行器四个角落的电机以及与电机连接的螺旋桨叶片，四旋翼模块通过控制不同电机的转速和旋转方向实现控制主航行器的飞行姿态，并在四旋翼模块停止工作时，对螺旋桨叶片采取“卍”形折叠方式，将螺旋桨叶片重量分散在船体的四个方向，避免航行过程中发生侧翻；动力模块包括螺旋泵与螺旋桨，为主航行器提供水上航行动力。

按上述方案，所述通信模块采用2.4GHz频率进行遥控。

按上述方案，所述无人舰回收模块包括电磁铁装置和挂钩装置；无人舰队完成任务后到达指定位置，位于主航行器的竖直方向，此时主航行器使用挂钩装置使无人舰靠近主航行器，再使用电磁铁装置配合设置于无人舰上的金属部件对无人舰进行吸附回收。

按上述方案，所述人体红外感应模块包括STM32F407VET6单片机、ESP8266WIFI模块以及人体感应模块；其中人体感应模块采用HC-SR501，当人或体型较大的动物进入该模块的感应范围时，该模块持续输出高电平，直到人离开感应范围；HC-SR501输出端口连接STM32F407VET6单片机的IO，STM32F407VET6单片机接收到HC-SR501输出的高电平后，经过内部程序判断后将信息传递给ESP8266WIFI模块，ESP8266WIFI模块再将信息传输给控制中心、其他无人舰以及主航行器。

按上述方案，所述智能避障模块包括STM32F407VET6单片机、ESP8266WIFI模块、超声波传感器模块、PNP驱动三极管以及蜂鸣器；智能避障模块通过超声波传感器模块的一控制口发送10μS以上的高电平，当超声波传感器的接收口出现高电平输出时进行计时，接收口变为低电平时停止计时，于是获得测距时间；将该测距时间传输给STM32F407VET6单片机，STM32F407VET6单片机判断该测距时间是否小于设定阈值，若不小于设定阈值，自主巡航模块继续运行，若小于设定阈值，则STM32F407VET6单片机控制PNP驱动三极管使蜂鸣器发出警报，将警报信息发送至自主巡航模块，通过自主巡航模块内部算法调整无人舰航行角度和速度，使其避开障碍，继续执行自主巡航任务。

按上述方案，所述自主巡航模块包括自主巡航程序、地图程序、数据处理程序以及主程序；其中自主巡航程序进行基地和目标点的设定，并进行坐标转换、舵角计算、数值显示；地图程序用于获取基地和目标点的地图坐标并进行显示；数据处理程序用于进行自主巡航过程中的避障分析，判断是否需要进行避障操作，并将判断结果发送至主程序；主程序用于自主巡航过程中的航向控制，具体采用PID航向控制算法，并利用模糊算法对PID参数进行适时调节。

按上述方案，所述WIFI通信模块关联了所述智能避障模块、人体红外感应模块、GPS定位模块以及自主巡航模块，WIFI通信模块用于将无人舰队在执行自主巡航任务中的人体探查信息以及GPS定位信息发送至主航行器，并通过无人舰队中各无人舰之间和主航行器的信息实时传递，实现无人舰队的集群协同；该WIFI通信模块采用主从式结构，以主航行器为主机，无人舰队中各无人舰为从机，利用WIFI模块中内置的TCP/IP协议，设置静态的IP地址，赋予主机和从机固定且不同的IP地址。

按上述方案，所述自主巡航模块采用RRT算法实现无人舰队在执行自主巡航任务过程中的路径规划。

本发明的有益效果是：通过结合主航行器和无人舰队，使搜救任务中无人舰具备长距离续航能力；并且通过主航行器搭载的动力模块可实现水面航行、空中飞行，扩大了搜救范围和维度。

进一步地，通过在主航行器水面航行时，螺旋桨叶片采用的“卍”形折叠方式，避免了航行过程中发生侧翻的风险。

进一步地，通信模块通过采取2.4GHz进行通信，具有抗干扰能力强，传输速率快的优点。

附图说明

图1为本发明一实施例的模块构成示意图；

图2为本发明一实施例的四旋翼模块竖直上升示意图；

图3为本发明一实施例的四旋翼模块竖直降落示意图；

图4为本发明一实施例的四旋翼模块前向飞行示意图；

图5为本发明一实施例的四旋翼模块后向飞行示意图；

图6为本发明一实施例的四旋翼模块左向飞行示意图；

图7为本发明一实施例的四旋翼模块右向飞行示意图；

图8为本发明一实施例的四旋翼模块顺时针变向飞行示意图；

图9为本发明一实施例的四旋翼模块逆时针变向飞行示意图；

图10为本发明一实施例的四旋翼模块结构示意图；

图11为本发明一实施例的人体红外感应模块工作流程图；

图12为本发明一实施例的智能避障模块工作流程图；

图13为本发明一实施例的自主巡航模块工作总体流程图；

图14为本发明一实施例的自主巡航模块具体工作流程图；

图15为本发明一实施例的自主巡航模块坐标系示意图。

图中：1-第一螺旋桨，2-第二螺旋桨，3-第三螺旋桨，4-第四螺旋桨

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

参见图1，水空两栖式全方位自主搜救舰队包括：

主航行器，包括动力模块、通信模块以及无人舰回收模块；其中动力模块用于为主航行器提供航行动力；通信模块用于使主航行器与无人舰队以及控制中心进行通信；无人舰回收模块用于回收无人舰队；

无人舰队，由若干无人舰组成，包括人体红外感应模块、智能避障模块、GPS定位模块、自主巡航模块以及WIFI通信模块；其中人体红外感应模块用于探测人体；智能避障模块用于使无人舰队在靠近障碍物时进行自主避障；GPS定位模块用于获取无人舰队的位置信息；自主巡航模块用于使无人舰队进行自主巡航搜救；WIFI通信模块用于和主航行器进行通讯；

其中无人舰队采用ABS合成塑料作为素材，采用3D打印技术完成类鱼仿生外壳的制作，其内部设有可与手机实现蓝牙通信的forever-12芯片，采用2.4GHz频率控制无人舰的步进电机以及其连接的螺旋桨，采用采用280PEM/S双电机以及可充电电池，可续航能力不低于两小时；同时无人舰搭载水下摄像头和传感器，以进行位置估算、定位和路径规划，并通过各类障碍物之间的角度和距离来进行识别与记忆，确定该区域是否已被测绘；

本实施例中对无人舰队进行编队控制，具体采用基于行为的控制，以编队的整体行为和个体行为作为研究基础，将整体的编队行为分解到各个成员的控制任务，然后根据成员控制任务和成员位置的情况进行编队成员的基本行为分解，从而达到控制编队的目的；编队模式采取方形编队，队列中按照前后两排进行配置，这种编队方式具有一定的纵深和宽度，具有高效率、高精度、容错能力与适应能力强的特点。

进一步地，所述的主航行器船体采用双体船。

进一步地，所述动力模块包括四旋翼模块和动力模块；其中四旋翼模块包括分散在主航行器四个角落的电机以及与电机连接的螺旋桨叶片，四旋翼模块通过控制不同电机的转速和旋转方向实现控制主航行器的飞行姿态；参见图2、图3，当主航行器飞行至空中稳定后，四个电机M1、M2、M3和M4转速同时增大或减小，此时主航行器进行竖直上升或竖直降落运动；

参见图4、图5，当主航行器飞行至空中稳定后，电机M2、M3转速增大，电机M1、M4不变或减小，主航行器进行前向飞行；电机M2、M3转速减小或不变，电机M1、M4转速增大，主航行器进行后向飞行；

参见图6、图7，当主航行器飞行至空中稳定后，电机M1、M2转速增大，电机M3、M4转速不变或减小，主航行器进行左向飞行；电机M1、M2转速减小或不变，电机M3、M4转速增加，主航行器进行右向飞行；

参见图8、图9，当主航行器飞行至空中稳定后，电机M1、M3转速增大，电机M2、M4转速不变或减小，主航行器进行顺时针变向飞行；电机M1、M3转速减小或不变，电机M2、M4转速增加，主航行器进行逆时针变向飞行；

四旋翼模结构参见图10，四旋翼使用直接力矩，能够实现六自由度(位置与姿态)控制，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性。其姿态稳定控制(内回路控制)，较双旋翼更稳定易操控，四旋翼部分则选用铝合金材料，具有易加工、耐久性高，质轻等优点，可以实现在利用轻质ABS提供较大浮力的前提下，保证主航行器自身较为合理的配重，使主航行器能够在具有较大浮力的情况下，也具有很好的抗风性,确保了在航行器在险情发生，开始出航工作时，能够真正实现在各类特殊情况下的两栖动力切换式作业；

本实施例中动力模块为采用螺旋泵-螺旋桨双动力，电机采用直流无刷电机驱动，带动螺旋泵吸水并推出，采用PWM进行调速控制；电源部分遵循控制用电和动力用电分开的原则，控制用电电池容量不低于5000mAh，动力用电电池容量不低于20000mAh，续航时间不低于3小时；其中对电池和电机工作状态进行如下验证计算：

对无刷电机，已知拉力等于扭矩除以半径，即

其中P为电机的额定输出功率，单位千瓦(kW)，n为电机额定转速，单位转每分(r/min)；

本实施例中主航行器采用了KV180无刷电机，转速为180r/min，可得到

电机理论的最大拉力远大于需求拉力，对于电池验证如下：

W

W

由上式可看出电池总能量和电机需求能量近似相同，可满足主航行器续航需求。

四旋翼模块停止工作时，对螺旋桨叶片采取“卍”形折叠方式，将螺旋桨叶片重量分散在船体的四个方向，避免航行过程中发生侧翻；动力模块包括螺旋泵与螺旋桨，为主航行器提供水上航行动力。

进一步地，所述通信模块采用2.4GHz频率进行遥控，具有抗干扰、信号传输距离远的特点。

进一步地，所述无人舰回收模块包括电磁铁装置和挂钩装置；无人舰队完成任务后到达指定位置，位于主航行器的竖直方向，此时主航行器使用挂钩装置使无人舰靠近主航行器，再使用电磁铁装置配合设置于无人舰上的金属部件对无人舰进行吸附回收。

进一步地，参见图11，所述人体红外感应模块包括STM32F407VET6单片机、ESP8266WIFI模块以及人体感应模块；其中人体感应模块采用HC-SR501，当人或体型较大的动物进入该模块的感应范围时，该模块持续输出高电平，直到人离开感应范围；HC-SR501输出端口连接STM32F407VET6单片机的IO，STM32F407VET6单片机接收到HC-SR501输出的高电平后，经过内部程序判断后将信息传递给ESP8266WIFI模块，ESP8266WIFI模块再将信息传输给控制中心、其他无人舰以及主航行器；该人体红外感应模块灵敏度高，信噪比良好，抗干扰能力强，尤其对温度变化具有很高的稳定性，感应角度为c100度锥角，感应距离在3米以上，为检测人体提供了充足的角度和空间；HC-SR501的输出电压约为3.3v，大于TTL高电平要求，可以为STM32F407VET6提供检测信号。

按上述方案，参见图12，所述智能避障模块包括STM32F407VET6单片机、ESP8266WIFI模块、超声波传感器模块、PNP驱动三极管以及蜂鸣器；智能避障模块通过超声波传感器模块的一控制口发送10μS以上的高电平，当超声波传感器的接收口出现高电平输出时进行计时，接收口变为低电平时停止计时，于是获得测距时间；将该测距时间传输给STM32F407VET6单片机，STM32F407VET6单片机判断该测距时间是否小于设定阈值，若不小于设定阈值，自主巡航模块继续运行，若小于设定阈值，则STM32F407VET6单片机控制PNP驱动三极管使蜂鸣器发出警报，将警报信息发送至自主巡航模块，通过自主巡航模块内部算法调整无人舰航行角度和速度，使其避开障碍，继续执行自主巡航任务。

按上述方案，参见图13、图14，所述自主巡航模块包括自主巡航程序、地图程序、数据处理程序以及主程序；其中自主巡航程序进行基地和目标点的设定，并进行坐标转换、舵角计算、数值显示；地图程序用于获取基地和目标点的地图坐标并进行显示；数据处理程序用于进行自主巡航过程中的避障分析，判断是否需要进行避障操作，并将判断结果发送至主程序；主程序用于自主巡航过程中的航向控制，具体采用PID航向控制算法，并利用模糊算法对PID参数进行适时调节；在无人舰进行自主巡航任务时，可通过控制中心发送控制指令至主航行器，主航行器将控制指令发送至无人舰，以此实现自主巡航任务中的手动控制；

其中自主巡航任务过程中首先需要建立坐标系，本实施例中建立的坐标系为动态坐标系，以无人艇当前位置为坐标原点,以正北方向为0°基准线，以自北向东为正方向，对应地图上为“上北下南左西右东”，正上方为0°基准线，顺时针为正方向，参见图15；

完成坐标系的建立后，设定基地作为坐标转换的基准，基地在地图上的位置为中心点，具体经纬度坐标则由操作人员根据具体情况进行设定；基地坐标设置完成后，进行目标点的设置，利用鼠标在地图上按一定顺序设定若干个点，并将各点的坐标依序存入数组，作为无人舰队进行自主巡航的目标点；本实施例在计算目标点与无人舰的距离时，利用实际经纬度坐标进行计算，而在设定目标点时，自主巡航程序实际存储的是目标点的地图坐标，因此需要将目标点的地图坐标转换为实际的经纬度坐标并存储起来；接着，自主巡航程序开始接收GPS数据，当接收到一串GPS数据后，一方面将经度、纬度、速度、航向等数据显示在自主巡航界面上，另一方面将经纬度坐标转换成地图坐标显示在地图上，以便直观地了解无人艇的实时位置和运行轨迹；然后，自主巡航程序利用计算出来的无人舰的地图坐标和目标点的地图坐标计算目标点方位及其与航向之间的偏差，自主巡航模块根据偏差数值进行舵角的计算；计算出舵角后，自主巡航程序根据计算出的舵角数值和速度控件数值，生成控制指令并发送给主程序；

其中PID算法具有简单、实用性强的优点，其具体表达式如下：

式中，P

PID控制的主要原理是，以期望值和实际反馈值的偏差e(t)作为控制器的输入，利用比例、积分、微分三种方法计算输出值，通过对参数K

按上述方案，所述WIFI通信模块关联了所述智能避障模块、人体红外感应模块、GPS定位模块以及自主巡航模块，WIFI通信模块用于将无人舰队在执行自主巡航任务中的人体探查信息以及GPS定位信息发送至主航行器，并通过无人舰队中各无人舰之间和主航行器进行信息实时传递，再由主航行器的通信模块将信息发送至控制中心，实现无人舰队的集群协同；该WIFI通信模块采用主从式结构，以主航行器为主机，无人舰队中各无人舰为从机，利用WIFI模块中内置的TCP/IP协议，设置静态的IP地址，赋予主机和从机固定且不同的IP地址。

按上述方案，所述自主巡航模块采用RRT算法实现无人舰队在执行自主巡航任务过程中的路径规划。

综上，本发明提出了一种水空两栖式全方位自主搜救舰队，通过将无人舰和主航行器结合的方式解决了传统无人机搜救方式续航能力不足、搜救范围小的缺陷；主航行器采用四旋翼模块和推进器模块作为动力模块，使主航行器具有水空两栖航行能力，提高了搜救维度和范围；无人舰队通过其搭载的人体红外感应模块、智能避障模块、GPS定位模块、自主巡航模块以及WIFI通信模块实现了搜救路径自主规划、无人舰间信息共享、智能避障以及人体探查的功能；

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。