一种无人船协同编队的水下探测方法技术

本发明专利技术公开了一种无人船协同编队的水下探测方法。该方法具体包括以下主要过程：基于环境信息建立栅格地图，将无人船编队后进行区域覆盖数据探测，当陷入死角或该轮覆盖结束时，搜索最近的未覆盖区域，并规划出一条路径到达该区域继续任务；同时，每搜无人船均有避障功能和无人船出现障碍时的解决办法。本发明专利技术利用小型无人船进行探测，可在浅水区域自由通行；本发明专利技术采用无人船编队方法进行探测，可从不同角度探测，克服单无人船本身以及超声波探头角度限制带来的误判；本发明专利技术使用水面和水下超声波探头，避障范围不止局限于水面障碍物，也能探测到水下障碍物，避免因水下暗礁造成的碰撞；当某无人船突发故障时，其余无人船可重新规划继续任务。

【技术实现步骤摘要】
一种无人船协同编队的水下探测方法
本专利技术属于机器人路径规划
，涉及一种种无人船协同编队的水下探测方法。
技术介绍
当今世界科技日新月异，机器人技术作为其中一项新兴技术也得到了飞速发展。机器人设备主要包括海陆空三类，分别为无人机、陆地机器人以及水上机器人。无人船作为水上机器人的一种，由于其智能化优点，在恶劣条件下，能够有效避免人员伤亡以及削减成本，使得它能在如石油勘探、货物运输、气象监测、水域勘测等领域得到广泛应用。我国富裕辽阔，江海众多，资源丰富，是具有发展潜力的战略空间。因此，政府将海河开发作为了当今社会发展重点战略之一。利用无人船进行水域勘测，绘出水下地形图以便使用已成为当今一大需求。另外，我国计划在全国内河湖泊实施湖长制，对湖泊实行网格化管理，以便严格把控湖泊水域空间等问题。这些战略需求预示着水域勘测将会有比较大的应用空间和应用需求。针对近海、湖泊等浅水水域，无人船勘测目前存在一些问题：大型无人船由于针对深水探测,探测设备发射功率大导致体积庞大和附属设备沉重,故船体重,吃水深，在浅水地区容易造成搁浅问题。而对于某些狭窄区域，大型无人船也无法通过，因此无法得到测量数据。在水域勘测时，遇到沙洞或断崖式等复杂地形时，无人船用于测距的超声波探头发出的信号得不到回复，会误认为该方向无障碍物或深度极深。因此对于复杂地形，单无人船在低重复率的条件下可能会采集到不准确的数据，不能很好地完成水域勘测任务。进行水域勘测，需要使无人船以一定方式行进覆盖整个区域，这就涉及到了区域覆盖问题。区域覆盖是一种特殊的全局路径规划，它是指让机器人快速而高效率的走遍一个区域内除障碍物以外的全部地方。传统协同区域覆盖多涉及陆地机器人，空中无人机和水下无人船，对于水面无人船部分涉及较少。无人机和水下无人船是三维空间进行覆盖，陆地机器人是二维空间覆盖，而水面无人船除开水面二维空间覆盖，它还需要考虑水下情况。由于水域勘测事先并不知道水下情况，所以在区域覆盖的同时需要结合实时水下探测情况加入避障功能，这样才能安全且高效地实现水域勘测。
技术实现思路
针对现有技术的不足，为解决大型无人船不合适浅水勘测，本专利技术提供一种无人船协同编队的水下探测方法，利用一种小型且便宜的无人船来组成编队协同探测，既能满足特殊区域的行进，又能满足多数量无人船在经济上的优势。本专利技术通过如下技术方案实现。一种无人船协同编队的水下探测方法，其包括以下步骤：(1)后台处理器进行环境信息采集，获取待探测区域的GPS坐标,同时建立数据库；若该区域之前已经进行水域勘测任务，则调用之前检测到的障碍物信息，用于后面的栅格建模；建立数据库是用于存储勘测得到的探测数据信息；(2)利用步骤(1)中的环境信息建立栅格地图，为后续的区域覆盖路径和点到点全局路径规划做准备；栅格地图中存储着是否有障碍物和是否已覆盖的信息，在任务进行中该信息会随着探测更新；(3)将N搜无人船编队，依次给出序号1～N，该序号在之后的任务中不会变化；随后根据编队队形确立无人船相对位置，初始化各无人船位置，准备执行探测任务；选择一种覆盖方法得到巡航路径，该巡航路径给出一系列子目标栅格单元；若在协同探测中其中一搜无人船出现故障，则改编队形以适应新的无人船数量继续任务；(4)同一编队的无人船作为一个整体开始进行探测；首先选择巡航路径，该巡航路径给出一系列子目标栅格单元，然后整个编队从巡航路径的起始点栅格开始探测；无人船编队在从一个栅格运动到另一栅格的过程中，每个无人船的超声波探头实时进行测量，获得的数据，与GPS给出的坐标位置通过通信模块回传到后台处理器，储存到后台处理器的数据库中；后台处理器对整个无人船编队的探测数据进行融合分析，在执行探测任务时，若其中一个无人船的超声探头测到水面附近有障碍物或水下地形不足以无人船通过，则先暂停探测任务，进行避障，同时更新栅格信息，在之后路径规划中会绕开该点；待远离障碍物后，先检测无人船是否还保持编队队形，若队形已打散则先进行重新编队后再重新开始探测；(5)第一次覆盖结束，即是按照巡航路径遍历了一遍后，检测地图中是否存在未覆盖区域；若有，继续执行下一步骤，若没有，证明该区域已经全部探测过，结束探测任务；(6)当区域中存在一个或多个未覆盖区域时，找出最近的未覆盖区域，若有多个则随机选择一个，然后采用点到点全局路径算法规划一条较优路径，让无人船编队根据该路径到达该未覆盖区域，执行点到点任务；在驶向未覆盖区域时，也需检测水面是否有障碍物以及水下地形是否能让无人船通过；若不能通过，则需先暂停点到点任务，并进行避障；同时更新栅格信息，在之后的路径规划中会绕开该点；待远离障碍物后，先检测无人船是否还保持编队队形，若队形已打散则先进行重新编队后再重新开始探测；到达未覆盖区域后，按照步骤(4)所提方法继续探测任务，随后转到步骤(5)。进一步的，所述步骤(3)中，编队队伍中多无人船的是集中式控制方式或是分布式控制方式；在集中式控制方式中存在一个领航者。进一步的，所述步骤(3)中，在协同探测中编队中的无人船出现故障的处理是:若是集中式控制方式，任意跟随无人船出现故障后，告诉领航者，然后领航者将以剩下的无人船数量重新编队出发执行任务，且在重新编队中领航者无人船不变；若是分布式控制方式，任意无人船出现故障后，告诉后台服务器，然后以剩下的无人船数量重新编队出发。进一步的，所述步骤(4)中，利用超声波探头探测附近是否有障碍物或水下地形是否能让无人船通过，故每只无人船的船体下方前、左、右三个方向装有超声波探头来避免搁浅和碰撞水下障碍物；同时在船体上方前、左、右三个方向装有超声波探头，用于测量船体前方180°的数据，避免碰撞船体周围障碍物。进一步的，所述步骤(4)和步骤(6)中的避障过程，若是集中式控制方式，任意无人船检测到障碍物后,将该消息告知领航者,然后停止编队任务，开始自主执行避障任务，直到远离障碍物后通知领航者，又恢复编队任务；在该无人船检测到障碍物时，领航者得到该消息后，将忽略该无人船，带领剩余无人船继续保持队形减速前进甚至停止，等待该无人船避障后，领航者将告知其现在所需到达的GPS位置坐标，待其恢复队形再以之前速度继续任务；若是分布控制方式，任意无人船检测到障碍物后,将该消息告知后台服务器,然后停止编队任务，开始自主执行避障任务，直到远离障碍物后通知后台服务器，又恢复编队任务；在该无人船检测到障碍物时，后台服务器得知消息将通知剩余无人船继续保持队形减速前进甚至停止，等待该无人船避障后，后台服务器将告知其现在所需到达的GPS位置坐标，待其恢复队形再以之前速度继续任务。上述超声波探头用于测距，与其他传感器相比，超声波传播方向性好、穿透能力强。为了满足无人船获取探测数据和避免搁浅的需求，需要在船体下方前、左、右三个方向装有探头。同时，为了获取船体周围障碍物数据，需要在船体上方前、左、右三个方向装有探头，用于测量船体前方180°的数据。上述GPS用于定位无人船位置，其定位数据回传频率可自由设定，能实时记录无人船位置。该数据与测量所得探测数据一起，为后期的地形建模提供坐标数据。上述通信模块用于无人船间信息交流，完成协同避障功能，同时需要将测量数据回传到后台处理器。它是整个系统能够协同运作的基础，只有满足本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人船协同编队的水下探测方法，其特征在于，包括以下步骤：后台处理器进行环境信息采集，获取待探测区域的GPS坐标,同时建立数据库；若该区域之前已经进行水域勘测任务，则调用之前检测到的障碍物信息，用于后面的栅格建模；建立数据库是用于存储勘测得到的探测数据信息；利用步骤（1）中的环境信息建立栅格地图，为后续的区域覆盖路径和点到点全局路径规划做准备；栅格地图中存储着是否有障碍物和是否已覆盖的信息，在任务进行中该信息会随着探测更新；将N搜无人船编队，依次给出序号1~N，该序号在之后的任务中不会变化；随后根据编队队形确立无人船相对位置，初始化各无人船位置，准备执行探测任务；选择一种覆盖方法得到巡航路径，该巡航路径给出一系列子目标栅格单元；若在协同探测中其中一搜无人船出现故障，则改编队形以适应新的无人船数量继续任务；同一编队的无人船作为一个整体开始进行探测；首先选择一种巡航路径，该巡航路径给出一系列子目标栅格单元，然后整个编队从巡航路径的起始点栅格开始探测；无人船编队在从一个栅格运动到另一栅格的过程中，每个无人船的超声波探头实时进行测量，获得的数据，与GPS给出的坐标位置通过通信模块回传到后台处理器，储存到后台处理器的数据库中；后台处理器对整个无人船编队的探测数据进行融合分析，在执行探测任务时，若其中一个无人船的超声探头测到水面附近有障碍物或水下地形不足以无人船通过，则先暂停探测任务，进行避障，同时更新栅格信息，在之后路径规划中会绕开该点；待远离障碍物后，先检测无人船是否还保持编队队形，若队形已打散则先进行重新编队后再重新开始探测；第一次覆盖结束，即是按照巡航路径遍历了一遍后，检测地图中是否存在未覆盖区域；若有，继续执行下一步骤，若没有，证明该区域已经全部探测过，结束探测任务；当区域中存在一个或多个未覆盖区域时，找出最近的未覆盖区域，若有多个则随机选择一个，然后采用点到点全局路径算法规划一条较优路径，让无人船编队根据该路径到达该未覆盖区域，执行点到点任务；在驶向未覆盖区域时，也需检测水面是否有障碍物以及水下地形是否能让无人船通过；若不能通过，则需先暂停点到点任务，并进行避障；同时更新栅格信息，在之后的路径规划中会绕开该点；待远离障碍物后，先检测无人船是否还保持编队队形，若队形已打散则先进行重新编队后再重新开始探测；到达未覆盖区域后，按照步骤（4）所提方法继续探测任务，随后转到步骤（5）。...

【技术特征摘要】
1.一种无人船协同编队的水下探测方法，其特征在于，包括以下步骤：后台处理器进行环境信息采集，获取待探测区域的GPS坐标,同时建立数据库；若该区域之前已经进行水域勘测任务，则调用之前检测到的障碍物信息，用于后面的栅格建模；建立数据库是用于存储勘测得到的探测数据信息；利用步骤（1）中的环境信息建立栅格地图，为后续的区域覆盖路径和点到点全局路径规划做准备；栅格地图中存储着是否有障碍物和是否已覆盖的信息，在任务进行中该信息会随着探测更新；将N搜无人船编队，依次给出序号1~N，该序号在之后的任务中不会变化；随后根据编队队形确立无人船相对位置，初始化各无人船位置，准备执行探测任务；选择一种覆盖方法得到巡航路径，该巡航路径给出一系列子目标栅格单元；若在协同探测中其中一搜无人船出现故障，则改编队形以适应新的无人船数量继续任务；同一编队的无人船作为一个整体开始进行探测；首先选择一种巡航路径，该巡航路径给出一系列子目标栅格单元，然后整个编队从巡航路径的起始点栅格开始探测；无人船编队在从一个栅格运动到另一栅格的过程中，每个无人船的超声波探头实时进行测量，获得的数据，与GPS给出的坐标位置通过通信模块回传到后台处理器，储存到后台处理器的数据库中；后台处理器对整个无人船编队的探测数据进行融合分析，在执行探测任务时，若其中一个无人船的超声探头测到水面附近有障碍物或水下地形不足以无人船通过，则先暂停探测任务，进行避障，同时更新栅格信息，在之后路径规划中会绕开该点；待远离障碍物后，先检测无人船是否还保持编队队形，若队形已打散则先进行重新编队后再重新开始探测；第一次覆盖结束，即是按照巡航路径遍历了一遍后，检测地图中是否存在未覆盖区域；若有，继续执行下一步骤，若没有，证明该区域已经全部探测过，结束探测任务；当区域中存在一个或多个未覆盖区域时，找出最近的未覆盖区域，若有多个则随机选择一个，然后采用点到点全局路径算法规划一条较优路径，让无人船编队根据该路径到达该未覆盖区域，执行点到点任务；在驶向未覆盖区域时，也需检测水面是否有障碍物以及水下地形是否能让无人船通过；若不能通过，则需先暂停点到点任务，并进行避障；同时更新栅格信息，在之后的路径规划中会绕开该点；待远离障...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦岗，包昕幼，曹燕，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44