CN113985878B - 适用于水面探测无人艇定点自主巡航模式的航行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人平台技术领域，具体涉及一种适用于水面探测无人艇定点自主巡航模式的航行控制方法。本方法中，水面探测无人艇执行定点巡航任务时，使用一个多级模糊逻辑控制器来解析所有外部传感器的数据及艇上内部状态数据，并且将多级模糊逻辑控制器的逻辑决策结果引入到自主巡航过程中去。该多级模糊逻辑控制器由4个子模糊逻辑模块和1个终端模糊逻辑控制器模块组成；多级模糊逻辑控制器不仅考虑了惯导等数据对航行参数的影响，同时还考虑了气象、艇上关键设备状态、艇周围态势等其他可能影响航行状态的因素，真正意义上实现了自主化、智能化的航行控制，增强了无人艇在多变环境下自主航行的自适应能力。

Description

适用于水面探测无人艇定点自主巡航模式的航行控制方法

技术领域

本发明属于无人平台技术领域，具体涉及一种适用于水面探测无人艇定点自主巡航模式的航行控制方法。

背景技术

水面探测无人艇是无人技术当前研究的热点，其配备有光电、雷达等探测设备，可以被广泛应用于搜救、海防等领域。水面探测无人艇投放后可以在湖泊、河流、海洋等水面地形中使用遥控或定点自主巡航的方式进行工作，在巡航的同时可以对相关水域进行探测感知，获取目标水域的图像视频。定点自主巡航模式是水面探测无人艇的一种重要工作方式，在定点自主巡航工作方式下，水面探测无人艇可以脱离人员操控，自主进行预定线路、预定区域、预订时间的巡航探测。

水面环境尤其是海上环境水情复杂，影响水面探测无人艇定点自主巡航质量的因素多，简单的定点自主巡航方法并不能满足自主航行智能化、自动化的要求。传统水面探测无人艇定点自主巡航方法流程是：1)无人艇信息处理模块接收艇上GPS设备数据并通过无线发送回遥控端；2)遥控端动态地图上显示无人艇当前位置，操作人员在遥控端地图上设定巡航点及巡航顺序；3)无人艇端数据处理模块计算无人艇当前位置行进至下一个巡航点的最佳路线；4)无人艇端数据处理模块根据最佳路线及当前航向航速数据进行路径规划并计算无人艇航向及航速控制参数；5)无人艇端信息处理模块根据计算的航向、航速，控制无人艇发动机及方向舵进行航行；6)航行过程中，无人艇端信息处理模块通过PID控制算法或模糊控制算法对航向航速进行实时控制；7)无人艇端数据处理模块根据艇实时位置信息，判断是否抵达巡航点，如已经抵达，则计算至下一个巡航点的路线并返回步骤3，如还未抵达，则实时更新航向航速数据继续航行；8) 如所有巡航点都已经到达，则任务结束。

这种自主巡航方法并不适用于对智能化、自动化要求较高的水面探测无人艇设备。首先，传统无人艇自主巡航方法未将艇上外部传感器及内部状态数据引入到自主巡航方法的流程中来。对于智能化和自动化要求较高的水面探测无人艇来说，自主巡航过程需要对光电、雷达、气象等传感器发现的各类事件进行反应和处理，处理过程要求无人艇的航速航向必须符合事件处理的特殊要求，因此各类事件的处理也应该作为一种会影响无人艇运动的扰动来考虑，这是无人艇实现智能化自主航行的关键。第二、传统自主航行方法的流程中没有涉及在航行过程中发现外部事件或出现内部事件时的自主反应决策的内容，从无人艇智能化探测需求角度考虑，这也应该包括在水面探测无人艇自主巡航模式航行控制方法的流程中。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：针对传统定点自主巡航方法的不足，如何提供一种更加智能、自主化程度更高的水面探测无人艇定点自主巡航模式航行控制方法。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于水面探测无人艇定点自主巡航模式的航行控制方法，所述适用于水面探测无人艇定点自主巡航模式的航行控制方法由无人艇端和遥控端上的设备或模块共同协调完成，所述无人艇端包括：无人艇上各传感器设备、艇姿态信息分析模块、艇状态信息分析模块、气象信息分析模块、艇周围态势分析模块、智能控制模块、发动机、方向舵、事件处理单元及常规航行控制器；

所述方法包括如下步骤：

步骤1：遥控端设置无人艇工作方式为自主巡航模式；

步骤2：遥控端设置巡航参数，巡航参数包括巡航点、巡航顺序、最大巡航航速、最长巡航时间；

步骤3：遥控端启动无人艇自主巡航；

步骤4：无人艇端智能控制模块接收巡航指令及巡航参数，计算航行至下一个巡航点的初始航行参数；

步骤5：无人艇开始航行，艇姿态信息分析模块、艇状态信息分析模块、气象信息分析模块、艇周围态势分析模块这4个子模糊逻辑控制器模块根据收到的各传感器数据计算子模糊控制参数，并发送给智能控制模块；

步骤6：智能控制模块根据接收到子模糊控制参数，根据模糊决策规则进行模糊决策；

步骤7：如果智能控制模块模糊决策为“外部事件模式”，转下一步，如果智能控制模块模糊决策为“内部事件模式”，转步骤11，如果智能控制模块模糊决策为“告警模式”，转步骤12，如果智能控制模块模糊决策为“正常模式”，转步骤13；

步骤8：判断外部事件级别，如果外部事件的级别较高，转步骤 10；否则下一步；

步骤9：减慢航速，调整航向，操控光电传感器对事件现场进行观察、拍照录像，完成后恢复航速航向，继续之前的巡航任务；如果艇当前位置在与遥控端的通讯半径范围内，立即上传事件数据；如果不在通讯范围内，待进入通讯范围内后上传事件数据；处理完成后转回步骤5；

步骤10：停止当前巡航任务，操控光电传感器对事件现场进行观察、拍照录像，如果艇当前位置在与遥控端的通讯半径范围内，立即上传事件数据，并接收后续事件处理命令；如果不在通讯范围内，先控制艇上扩音、灯光设备进行喊话警告，然后迅速航行至通讯范围内上传事件数据，并接收后续事件处理命令；如果接收到继续巡航命令，则从停止巡航的位置继续巡航，转步骤5；如果接收到返航命令，转步骤14；

步骤11：根据内部事件的具体内容，如果“姿态异常”，停止当前航行，监控姿态数据，如果姿态恢复正常，重新进行航行，转步骤5；如果姿态无法恢复正常且处于通讯半径范围内，则上报当前状态数据，等待遥控端指令，如果接收到继续巡航命令，则从停止巡航的位置继续巡航，转步骤5；如果接收到返航命令，转步骤14；如不处于通讯半径范围内，则按照最低航速和最小航向转向速率返程，转步骤 14；如果“能源告警”，按照最优路线返程，转步骤14；如果“气象恶劣”，处于通讯半径范围内，则上报当前状态数据，等待遥控端指令，如果接收到继续巡航命令，则从停止巡航的位置继续巡航，转步骤5；如果接收到返航命令，转步骤14；如不处于通讯半径范围内，则按照最低航速和最小航向转向速率返程，转步骤14；

步骤12：分析告警的具体内容，如果“姿态告警”，将当前航速降低，并且减小航向转向速率，监控姿态状态变化，如果恢复“正常模式”，转步骤5；如果仍然未恢复“正常模式”，降低航速、航向转向速率至最低要求，继续巡航任务，转步骤5；如果“状态告警”，如果处于通讯半径范围内，上报当前状态数据，等待遥控端指令，如果接收到继续巡航命令，则继续巡航，转步骤5；如果接收到返航命令，转步骤14；如不处于通讯半径范围内，则监控状态数据变化，继续巡航，转步骤5；如果“气象告警”，将当前航速降低，并且减小航向转向速率，如果处于通讯半径范围内，上报当前气象数据，等待遥控端指令，如果接收到继续巡航命令，转步骤5；如果接收到返航命令，转步骤14；如不处于通讯半径范围内，继续巡航，转步骤5；

步骤13：无人艇继续航行，到达目标巡航点；如果巡航未结束，无人艇端智能控制模块计算航行至下一个巡航点的初始航行参数，转步骤5；如果巡航结束，转下一步；

步骤14：无人艇端智能控制模块计算返航路线及参数，开始返航；

步骤15：无人艇回到返航点；

步骤16：如果继续下一次自主巡航，转步骤1；如果自主巡航任务结束，转下一步；

步骤17：停止无人艇自主巡航工作模式。

其中，所述无人艇端的功能包括：

1)在通讯半径范围内，接收遥控端发送的巡航指令及巡航参数；

2)根据遥控端巡航指令及巡航参数，控制无人艇工作在人工模式或自主巡航模式；

3)自主巡航模式下，根据接收到的巡航点、巡航顺序自主规划巡航路线；

4)自主巡航模式下，根据艇上各传感器设备数据及状态，自主决策当前状态模式；

5)自主巡航模式下，通过搜索雷达、光电探测设备，获取周围态势信息，发现外部事件；

6)自主巡航模式下，自动进行拍照、录像、录数、喊话的外部事件处理；

7)自主巡航模式下，根据外部事件等级及当前航行位置自主判断是否航行至通讯半径范围内上报外部事件具体情况；

10)自主巡航模式下，出现影响巡航的内部事件时自动返航。

其中，所述遥控端的功能包括：

1)在通讯半径范围内，设置无人艇工作模式；

2)在人工模式下，遥控无人艇工作；

3)在自主巡航模式开始前，设置巡航点及巡航顺序，设置包括最大巡航航速、最长航行时间在内的全局航行参数；

4)在自主巡航模式开始后，如在通讯半径范围内，可以切换人工模式遥控无人艇工作，也可以更改巡航点、巡航顺序，修改全局航行参数，进行新的自主巡航；

5)在通讯半径范围内，能够接收无人艇返回的状态数据及照片、视频。

其中，所述方法中，采用多级模糊逻辑控制器对常规航向航速参数进行自适应调整；

所述步骤5中，无人艇上传感器数据按照类别分为艇姿态数据、艇状态数据、气象数据、周围态势数据，每一类数据通过各自的信息分析模块进行模糊化处理和决策并产生对应的模糊逻辑子参数。

其中，所述艇姿态数据包括：艇航向角速度、艇横摇角、艇横摇角速度、艇纵摇角、艇纵摇角速度；

所述艇姿态信息分析模块用于接收所述艇姿态数据，对每一类数据按照经验给出正常门限值和异常门限值两个阈值，根据门限值对每一类数据进行模糊化处理；

当有任意一项数据超出异常门限值时，所述艇姿态信息分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“姿态异常”；

当有任意一项数据处于正常门限值和异常门限值之间时，所述艇姿态信息分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“姿态告警”；

所有项数据处于正常门限值以下，所述艇姿态信息分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“姿态正常”。

其中，所述艇状态数据包括：左右发动机状态、GPS设备状态、惯导设备状态、光电侦查设备状态、雷达设备状态、配电箱状态、任务管理中心状态、电量、油量；

所述艇状态信息分析模块用于接收所述艇状态数据；

巡航开始后，按照当前位置与基地之间最近距离计算立即返航所需电量、油量值，按照该值判定电量、油量当前状态，电量和油量如果大于该值，则电量油量状态正常，否则电量油量状态告警；其余状态数据按照实际分别为状态正常和状态异常；

当电量、油量其中有一项状态告警时，所述艇状态信息分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“能源告警”；

当左右发动机状态、GPS设备状态、惯导设备状态、光电侦查设备状态、雷达设备状态、配电箱状态、任务管理中心状态有任意一项状态异常时，所述艇状态信息分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“状态告警”；

所有数据处于正常状态时，所述艇状态信息分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“状态正常”。

其中，所述气象数据包括：风速、降雨量；所述气象信息分析模块用于接收影响航行的气象数据；对气象数据的两类数据按照经验给出正常门限值和异常门限值两个阈值，根据门限值对数据进行模糊化处理；

当其中有一项数据超出异常门限值时，所述气象信息分析模块决策输出为“气象恶劣”；

当有任意一项数据处于正常门限值和异常门限值之间时，所述气象信息分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“气象告警”；

两类数据处于正常门限值以下，所述气象信息分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“气象正常”。

其中，所述艇周围态势分析模块用于接收周围态势数据，即航行时光电侦查设备和搜索雷达设备发现的外部事件；

当光电探测设备和搜索雷达设备识别可疑船只、可疑漂浮物、礁石或其他障碍物时，所述艇周围态势分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“态势告警”；

当光电探测设备和搜索雷达设备识别危险船只、危险漂浮物或其他危险目标时，所述艇周围态势分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“态势紧急”；

当光电探测设备和搜索雷达设备未发现识别可疑目标时，所述艇周围态势分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“态势正常”。

其中，所述步骤6中，各模糊逻辑子参数输入智能控制模块中，基于制定好的模糊决策规则进行模糊推理产生最终的模糊逻辑参数，根据最终的模糊逻辑参数对航行中的常规航向航速参数进行自适应调整；

所述模糊决策规则为：

当姿态信息分析模块输出为“姿态异常”或状态信息分析模块输出为“能源告警”或气象信息分析模块输出为“气象恶劣”时，智能控制模块输出为“内部事件模式”；

在不满足“内部事件模式”而且态势信息分析模块输出为“态势正常”时，当姿态信息分析模块输出为“姿态告警”或状态信息分析模块输出为“状态告警”或气象信息分析模块输出为“气象告警”时，智能控制模块输出为“告警模式”；

当态势信息分析模块输出为“态势正常”，且艇姿态信息分析模块、艇状态信息分析模块、气象信息分析模块这三个子信息分析模块同时输出为“姿态正常”、“状态正常”、“气象正常”时，智能控制模块输出为“正常模式”；

在不满足“内部事件模式”且态势信息分析模块输出为“态势告警”或“态势紧急”时，智能控制模块输出为“外部事件模式”。

其中，当智能控制模块输出为“正常模式”时，表示无人艇航行状态正常，不需要对当前航速航向的航行参数进行调整，无人艇按照常规参数进行航行；

当智能控制模块输出为“告警模式”时，表示无人艇航行状态有所异常，但是暂时可控，这时候需要根据告警的具体内容对当前航速航向的航行参数进行微调整；如果“姿态告警”，需要将当前航速降低，并且减小航向转向速率，监控状态变化，如果仍然未恢复“正常模式”，继续降低航速，减小航向转向速率，直至恢复“正常模式”；如果“状态告警”，如果处于通讯半径范围内，上报设备状态具体数据，持续监控状态变化，在继续航行的同时，等待遥控端的指令；如果“气象告警”，上报气象当前数据，将当前航速降低，并且减小航向转向速率，在继续航行的同时，等待遥控端的指令；

当智能控制模块输出为“外部事件模式”时，表示无人艇当前其他航行状态基本正常，转入外部事件处理流程；根据外部事件的具体内容判断事件等级，如果“态势告警”，说明外部事件等级低，控制光电探测设备拍照、录像，记录当前坐标，处于通讯半径范围内时，上报当前事件数据，等待遥控端指令，如不处于通讯半径范围内，处理完成后继续前次航行；如果“态势紧急”，说明外部事件等级高，控制光电探测设备拍照、录像，记录当前坐标，处于通讯半径范围内时，上报当前事件数据，等待遥控端指令，如不处于通讯半径范围内，控制艇上扩音器或灯光器，对危险目标进行喊话、警告，处理完成后迅速航行至讯半径范围内，上报当前事件数据，等待遥控端进一步指令；

当智能控制模块输出为“内部事件模式”时，根据内部事件的具体内容，进入内部事件处理流程；如果“姿态异常”，停止当前航行，待姿态恢复正常后，重新进行航行，如果姿态无法恢复正常且处于通讯半径范围内，则上报当前状态数据，等待遥控端指令，如不处于通讯半径范围内，则按照最低航速和最小航向转向速率返程；如果“能源告警”，停止当前航行，按照最优路线返程；如果“气象恶劣”，处于通讯半径范围内，则上报当前状态数据，等待遥控端指令，如不处于通讯半径范围内，则按照最低航速和最小航向转向速率返程。

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：

(1)本发明所述方法中，采用多级模糊逻辑控制器的方法对航行参数进行调整，多级模糊逻辑控制器不仅考虑了惯导等数据对航行参数的影响，同时还考虑了气象、艇上关键设备状态、艇周围态势等其他可能影响航行状态的因素，真正意义上实现了自主化、智能化的航行控制，增强了无人艇在多变环境下自主航行的自适应能力。

(2)本发明所述方法中，包括了巡航中外部事件和内部事件的处理过程。艇上光电和雷达设备发现巡航海域中出现异常情况时，可以自动进行拍照、录像等方式取证，也可以利用艇上其他警告警示设备进行事件处理，然后迅速将出现异常情况的位置和录取的视频图像等数据上报，当出现内部事件时，能够自动返航，极大增强了无人艇事件自主处理能力。

附图说明

图1为本发明所述方法示意图。

图2是本发明所述方法智能控制模块模糊规则示意图。

图3是本发明所述方法遥控端工作流程图。

图4是本发明所述方法无人艇端工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本方法中，水面探测无人艇执行定点巡航任务时，使用一个多级模糊逻辑控制器来解析所有外部传感器的数据及艇上内部状态数据，并且将多级模糊逻辑控制器的逻辑决策结果引入到自主巡航过程中去。

该多级模糊逻辑控制器由4个子模糊逻辑模块和1个终端模糊逻辑控制器模块组成，其原理是：艇上光电、雷达、气象、导航等多个传感器数据以及艇上其他关键设备状态数据被分类后，分别输入到艇姿态信息分析模块、艇状态信息分析模块、气象信息分析模块、艇周围态势分析模块这4个子模糊逻辑控制器模块中，各模块对输入数据进行模糊化处理和决策，分别输出各子模块的模糊逻辑参数，各子模块的模糊逻辑参数作为输入传递给智能控制模块即终端模糊逻辑控制器模块，智能控制模块进行最后的模糊决策并根据决策结果实时对航行中的航向航速进行调整。

同时，本方法中4个子模糊逻辑控制器模块输出的模糊控制子参数也被用来确认事件的产生。其中艇周围态势分析子模块输出的模糊控制子参数用来确定外部事件以及外部事件的级别。低级外部事件包括：可疑船只、可疑漂浮物、礁石障碍物。高级外部事件包括：危险船只、危险漂浮物、其他危险目标等。艇姿态信息分析模块、艇状态信息分析模块、气象信息分析模块这3个子模糊逻辑控制器模块的模糊控制子参数用来确定内部事件。内部事件包括：艇姿态异常、艇能源告警、状态告警、气象环境恶劣。

智能控制模块根据事件类别作出自主决策，当出现外部事件时根据外部事件级别进行相应处理，如果属于低级外部事件，则控制光电侦查设备自动拍照、录像，记录和上传事件数据，并控制无人艇避开目标；如果属于高级外部事件，除上述动作外，可以控制艇上扩音器或其他警告警示装置进行自动喊话、警告，同时自主判断是否航行至通讯半径范围内上报事件数据；出现内部事件时，自主判断内部事件对巡航任务的影响，根据影响的大小，选择继续航行或以最快速度和最优路线自主返航，并及时上传内部事件记录数据。

具体而言，本发明所述水面探测无人艇定点自主巡航模式航行控制方法由无人艇端和遥控端上的设备或模块共同协调完成。正如图1 所示，无人艇端包括：无人艇上各传感器设备、艇姿态信息分析模块、艇状态信息分析模块、气象信息分析模块、艇周围态势分析模块、智能控制模块、发动机、方向舵、事件处理单元及常规航行控制器。

无人艇端的功能是：1)在通讯半径范围内，接收遥控端发送的控制指令及控制参数；2)根据遥控端指令及参数，控制无人艇工作在人工模式或自主巡航模式；3)自主巡航模式下，根据接收到的巡航点、巡航顺序自主规划巡航路线；4)自主巡航模式下，根据艇上各传感器设备数据及状态，自主决策当前状态模式；5)自主巡航模式下，通过雷达光电等探测设备，获取周围态势信息，发现外部事件；

6)自主巡航模式下，自动进行拍照、录像、录数、喊话等外部事件处理；7)自主巡航模式下，根据外部事件等级及当前航行位置自主判断是否航行至通讯半径范围内上报外部事件具体情况；10)自主巡航模式下，出现影响巡航的内部事件时自动返航。

遥控端的功能是：1)在通讯半径范围内，设置无人艇工作模式；

2)在人工模式下，遥控无人艇工作；3)在自主巡航模式开始前，设置巡航点及巡航顺序，设置最大航速、最大航行时间等全局航行参数；

4)在自主巡航模式开始后，如在通讯半径范围内，可以切换人工模式遥控无人艇工作，也可以更改巡航点、巡航顺序，修改全局航行参数，进行新的自主巡航；5)在通讯半径范围内，能够接收无人艇返回的状态数据及照片、视频。

本发明中，采用多级模糊逻辑控制器对常规航向航速参数进行自适应调整。艇上传感器数据按照类别分为艇姿态数据、艇状态数据、气象数据、周围态势数据，每一类数据通过各自的信息分析模块进行模糊化处理和决策并产生对应的模糊逻辑子参数。

艇姿态信息分析模块考虑以下姿态数据：艇航向角速度、艇横摇角、艇横摇角速度、艇纵摇角、艇纵摇角速度。对每一类数据按照经验给出正常门限值和异常门限值两个阈值，根据门限值对每一类数据进行模糊化处理。当有任意一项数据超出异常门限值时，该模块决策输出为“姿态异常”；当有任意一项数据处于正常门限值和异常门限值之间时，该模块决策输出为“姿态告警”；所有项数据处于正常门限值以下，该模块决策输出为“姿态正常”。

艇状态信息分析模块包括以下状态数据：左右发动机状态、GPS 设备状态、惯导设备状态、光电探测设备状态、雷达设备状态、配电箱状态、任务管理中心状态、电量、油量。巡航开始后，按照当前位置与基地之间最近距离计算立即返航所需电量、油量值，按照该值判定电量、油量当前状态，电量和油量如果大于该值，则电量油量状态正常，否则电量油量状态告警。其余状态数据按照实际分别为状态正常和状态异常。当电量、油量其中有一项状态告警时，该模块决策输出为“能源告警”；当左右发动机状态、GPS设备状态、惯导设备状态、配电箱状态、任务管理中心状态有任意一项状态异常时，该模块决策输出为“状态告警”；所有数据处于正常状态时，该模块决策输出为“状态正常”。

气象信息分析模块考虑影响航行的气象数据：风速、降雨量。对这两类数据按照经验给出正常门限值和异常门限值两个阈值，根据门限值对数据进行模糊化处理。当其中有一项数据超出异常门限值时，该模块决策输出为“气象恶劣”；当有任意一项数据处于正常门限值和异常门限值之间时，该模块决策输出为“气象告警”；两类数据处于正常门限值以下，该模块决策输出为“气象正常”。

艇周围态势分析模块考虑航行时光电探测设备和雷达设备发现的外部事件。当光电和雷达设备识别可疑船只、可疑漂浮物、礁石或其他障碍物时，该模块决策输出为“态势告警”；当光电和雷达设备识别危险船只、危险漂浮物或其他危险目标时，该模块决策输出为“态势紧急”；当光电和雷达设备未发现识别可疑目标时，该模块决策输出为“态势正常”。

各模糊逻辑子参数输入智能控制模块中，基于制定好的模糊规则进行模糊推理产生最终的模糊逻辑参数，根据最终的模糊逻辑参数对航行中的常规航向航速参数进行自适应调整。智能控制模块中的模糊决策规则如图2所示。

当姿态信息分析模块输出为“姿态异常”或状态信息分析模块输出为“能源告警”或气象信息分析模块输出为“气象恶劣”时，智能控制模块输出为“内部事件模式”；在不满足“内部事件模式”而且态势信息分析模块输出为“态势正常”时，当姿态信息分析模块输出为“姿态告警”或状态信息分析模块输出为“状态告警”或气象信息分析模块输出为“气象告警”时，智能控制模块输出为“告警模式”；当态势信息分析模块输出为“态势正常”，且姿态、状态、气象3个子信息分析模块同时输出为“姿态正常”、“状态正常”、“气象正常”时，智能控制模块输出为“正常模式”；在不满足“内部事件模式”且态势信息分析模块输出为“态势告警”或“态势紧急”时，智能控制模块输出为“外部事件模式”。

当智能控制模块输出为“正常模式”时，表示无人艇航行状态正常，不需要对当前航速航向等航行参数进行调整，无人艇按照常规参数进行航行。

当智能控制模块输出为“告警模式”时，表示无人艇航行状态有所异常，但是暂时可控，这时候需要根据告警的具体内容对当前航速航向等航行参数进行微调整。如果“姿态告警”，需要将当前航速降低，并且减小航向转向速率，监控状态变化，如果仍然未恢复“正常模式”，继续降低航速，减小航向转向速率，直至恢复“正常模式”；如果“状态告警”，上报设备状态具体数据，持续监控状态变化，在继续航行的同时，等待遥控端的指令；如果“气象告警”，上报气象当前数据，将当前航速降低，并且减小航向转向速率，在继续航行的同时，等待遥控端的指令。

当智能控制模块输出为“外部事件模式”时，表示无人艇当前其他航行状态基本正常，转入外部事件处理流程，根据外部事件的具体内容判断事件等级，如果“态势告警”，说明外部事件等级低，控制光电探测设备拍照、录像，记录当前坐标，处于通讯半径范围内时，上报当前事件数据，等待遥控端指令，如不处于通讯半径范围内，处理完成后继续前次航行；如果“态势紧急”，说明外部事件等级高，控制光电侦查设备拍照、录像，记录当前坐标，处于通讯半径范围内时，上报当前事件数据，等待遥控端指令，如不处于通讯半径范围内，控制艇上扩音器或灯光器，对危险目标进行喊话、警告，处理完成后迅速航行至讯半径范围内，上报当前事件数据，等待遥控端进一步指令。

当智能控制模块输出为“内部事件模式”时，根据内部事件的具体内容，进入内部事件处理流程。如果“姿态异常”，停止当前航行，待姿态恢复正常后，重新进行航行，如果姿态无法恢复正常且处于通讯半径范围内，则上报当前状态数据，等待遥控端指令，如不处于通讯半径范围内，则按照最低航速和最小航向转向速率返程；如果“能源告警”，停止当前航行，按照最优路线返程；如果“气象恶劣”，处于通讯半径范围内，则上报当前状态数据，等待遥控端指令，如不处于通讯半径范围内，则按照最低航速和最小航向转向速率返程。

本发明所述的水面探测无人艇定点自主巡航模式航行控制方法步骤如下：

步骤1：遥控端设置无人艇工作方式为自主巡航模式；

步骤2：遥控端设置巡航点、巡航顺序、最大巡航航速、最长巡航时间及其它巡航参数；

步骤3：遥控端启动无人艇自主巡航；

步骤4：无人艇端智能控制模块接收巡航指令及参数，计算航行至下一个巡航点的初始航行参数；

步骤5：无人艇开始航行，艇姿态信息分析模块、艇状态信息分析模块、气象信息分析模块、艇周围态势分析模块这4个子模糊逻辑控制器模块根据收到的各传感器数据计算子模糊控制参数，并发送给智能控制模块。

步骤6：智能控制模块根据接收到子模糊控制参数，根据图2所示的模糊决策规则进行模糊决策；

步骤7：如果智能控制模块模糊决策为“外部事件模式”，转下一步，如果智能控制模块模糊决策为“内部事件模式”，转步骤11，如果智能控制模块模糊决策为“告警模式”，转步骤12，如果智能控制模块模糊决策为“正常模式”，转步骤13；

步骤8：判断外部事件级别，如果外部事件的级别较高，转步骤 10；否则下一步；

步骤9：减慢航速，调整航向，操控光电传感器对事件现场进行观察、拍照录像，完成后恢复航速航向，继续之前的巡航任务。如果艇当前位置在与遥控端的通讯半径范围内，立即上传事件数据；如果不在通讯范围内，待进入通讯范围内后上传事件数据；处理完成后转回步骤5；

步骤10：停止当前巡航任务，操控光电传感器对事件现场进行观察、拍照录像，如果艇当前位置在与遥控端的通讯半径范围内，立即上传事件数据，并接收后续事件处理命令；如果不在通讯范围内，先控制艇上扩音、灯光设备进行喊话警告，然后迅速航行至通讯范围内上传事件数据，并接收后续事件处理命令；如果接收到继续巡航命令，则从停止巡航的位置继续巡航，转步骤5；如果接收到返航命令，转步骤14；

步骤11：根据内部事件的具体内容，如果“姿态异常”，停止当前航行，监控姿态数据，如果姿态恢复正常，重新进行航行，转步骤5；如果姿态无法恢复正常且处于通讯半径范围内，则上报当前状态数据，等待遥控端指令，如果接收到继续巡航命令，则从停止巡航的位置继续巡航，转步骤5；如果接收到返航命令，转步骤14；如不处于通讯半径范围内，则按照最低航速和最小航向转向速率返程，转步骤 14；如果“能源告警”，按照最优路线返程，转步骤14；如果“气象恶劣”，处于通讯半径范围内，则上报当前状态数据，等待遥控端指令，如果接收到继续巡航命令，则从停止巡航的位置继续巡航，转步骤5；如果接收到返航命令，转步骤14；如不处于通讯半径范围内，则按照最低航速和最小航向转向速率返程，转步骤14；

步骤12：分析告警的具体内容，如果“姿态告警”，将当前航速降低，并且减小航向转向速率，监控姿态状态变化，如果恢复“正常模式”，转步骤5；如果仍然未恢复“正常模式”，降低航速、航向转向速率至最低要求，继续巡航任务，转步骤5；如果“状态告警”，如果处于通讯半径范围内，上报当前状态数据，等待遥控端指令，如果接收到继续巡航命令，则继续巡航，转步骤5；如果接收到返航命令，转步骤14；如不处于通讯半径范围内，则监控状态数据变化，继续巡航，转步骤5；如果“气象告警”，将当前航速降低，并且减小航向转向速率，如果处于通讯半径范围内，上报当前气象数据，等待遥控端指令，如果接收到继续巡航命令，转步骤5；如果接收到返航命令，转步骤14；如不处于通讯半径范围内，继续巡航，转步骤5；

步骤13：无人艇继续航行，到达目标巡航点。如果巡航未结束，无人艇端智能控制模块计算航行至下一个巡航点的初始航行参数，转步骤5；如果巡航结束，转下一步；

步骤14：无人艇端智能控制模块计算返航路线及参数，开始返航；

步骤15：无人艇回到返航点；

步骤16：如果继续下一次自主巡航，转步骤1；如果自主巡航任务结束，转下一步；

步骤17：停止无人艇自主巡航工作模式。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于水面探测无人艇定点自主巡航模式的航行控制方法，其特征在于，所述适用于水面探测无人艇定点自主巡航模式的航行控制方法由无人艇端和遥控端上的设备或模块共同协调完成，所述无人艇端包括：无人艇上各传感器设备、艇姿态信息分析模块、艇状态信息分析模块、气象信息分析模块、艇周围态势分析模块、智能控制模块、发动机、方向舵、事件处理单元及常规航行控制器；

所述方法包括如下步骤：

步骤1：遥控端设置无人艇工作方式为自主巡航模式；

步骤2：遥控端设置巡航参数，巡航参数包括巡航点、巡航顺序、最大巡航航速、最长巡航时间；

步骤3：遥控端启动无人艇自主巡航；

步骤4：无人艇端智能控制模块接收巡航指令及巡航参数，计算航行至下一个巡航点的初始航行参数；

步骤5：无人艇开始航行，艇姿态信息分析模块、艇状态信息分析模块、气象信息分析模块、艇周围态势分析模块这4个子模糊逻辑控制器模块根据收到的各传感器数据计算子模糊控制参数，并发送给智能控制模块；

步骤6：智能控制模块根据接收到子模糊控制参数，根据模糊决策规则进行模糊决策；

步骤7：如果智能控制模块模糊决策为“外部事件模式”，转下一步，如果智能控制模块模糊决策为“内部事件模式”，转步骤11，如果智能控制模块模糊决策为“告警模式”，转步骤12，如果智能控制模块模糊决策为“正常模式”，转步骤13；

步骤8：判断外部事件级别，如果外部事件的级别较高，转步骤10；否则下一步；

步骤9：减慢航速，调整航向，操控光电传感器对事件现场进行观察、拍照录像，完成后恢复航速航向，继续之前的巡航任务；如果艇当前位置在与遥控端的通讯半径范围内，立即上传事件数据；如果不在通讯范围内，待进入通讯范围内后上传事件数据；处理完成后转回步骤5；

步骤10：停止当前巡航任务，操控光电传感器对事件现场进行观察、拍照录像，如果艇当前位置在与遥控端的通讯半径范围内，立即上传事件数据，并接收后续事件处理命令；如果不在通讯范围内，先控制艇上扩音、灯光设备进行喊话警告，然后迅速航行至通讯范围内上传事件数据，并接收后续事件处理命令；如果接收到继续巡航命令，则从停止巡航的位置继续巡航，转步骤5；如果接收到返航命令，转步骤14；

步骤11：根据内部事件的具体内容，如果“姿态异常”，停止当前航行，监控姿态数据，如果姿态恢复正常，重新进行航行，转步骤5；如果姿态无法恢复正常且处于通讯半径范围内，则上报当前状态数据，等待遥控端指令，如果接收到继续巡航命令，则从停止巡航的位置继续巡航，转步骤5；如果接收到返航命令，转步骤14；如不处于通讯半径范围内，则按照最低航速和最小航向转向速率返程，转步骤14；如果“能源告警”，按照最优路线返程，转步骤14；如果“气象恶劣”，处于通讯半径范围内，则上报当前状态数据，等待遥控端指令，如果接收到继续巡航命令，则从停止巡航的位置继续巡航，转步骤5；如果接收到返航命令，转步骤14；如不处于通讯半径范围内，则按照最低航速和最小航向转向速率返程，转步骤14；

步骤12：分析告警的具体内容，如果“姿态告警”，将当前航速降低，并且减小航向转向速率，监控姿态状态变化，如果恢复“正常模式”，转步骤5；如果仍然未恢复“正常模式”，降低航速、航向转向速率至最低要求，继续巡航任务，转步骤5；如果“状态告警”，如果处于通讯半径范围内，上报当前状态数据，等待遥控端指令，如果接收到继续巡航命令，则继续巡航，转步骤5；如果接收到返航命令，转步骤14；如不处于通讯半径范围内，则监控状态数据变化，继续巡航，转步骤5；如果“气象告警”，将当前航速降低，并且减小航向转向速率，如果处于通讯半径范围内，上报当前气象数据，等待遥控端指令，如果接收到继续巡航命令，转步骤5；如果接收到返航命令，转步骤14；如不处于通讯半径范围内，继续巡航，转步骤5；

步骤13：无人艇继续航行，到达目标巡航点；如果巡航未结束，无人艇端智能控制模块计算航行至下一个巡航点的初始航行参数，转步骤5；如果巡航结束，转下一步；

步骤14：无人艇端智能控制模块计算返航路线及参数，开始返航；

步骤15：无人艇回到返航点；

步骤16：如果继续下一次自主巡航，转步骤1；如果自主巡航任务结束，转下一步；

步骤17：停止无人艇自主巡航工作模式。

2.如权利要求1所述的适用于水面探测无人艇定点自主巡航模式的航行控制方法，其特征在于，所述无人艇端的功能包括：

1)在通讯半径范围内，接收遥控端发送的巡航指令及巡航参数；

2)根据遥控端巡航指令及巡航参数，控制无人艇工作在人工模式或自主巡航模式；

3)自主巡航模式下，根据接收到的巡航点、巡航顺序自主规划巡航路线；

4)自主巡航模式下，根据艇上各传感器设备数据及状态，自主决策当前状态模式；

5)自主巡航模式下，通过搜索雷达、光电探测设备，获取周围态势信息，发现外部事件；

6)自主巡航模式下，自动进行拍照、录像、录数、喊话的外部事件处理；

7)自主巡航模式下，根据外部事件等级及当前航行位置自主判断是否航行至通讯半径范围内上报外部事件具体情况；

10)自主巡航模式下，出现影响巡航的内部事件时自动返航。

3.如权利要求2所述的适用于水面探测无人艇定点自主巡航模式的航行控制方法，其特征在于，所述遥控端的功能包括：

1)在通讯半径范围内，设置无人艇工作模式；

2)在人工模式下，遥控无人艇工作；

3)在自主巡航模式开始前，设置巡航点及巡航顺序，设置包括最大巡航航速、最长航行时间在内的全局航行参数；

4)在自主巡航模式开始后，如在通讯半径范围内，可以切换人工模式遥控无人艇工作，也可以更改巡航点、巡航顺序，修改全局航行参数，进行新的自主巡航；

5)在通讯半径范围内，能够接收无人艇返回的状态数据及照片、视频。

4.如权利要求3所述的适用于水面探测无人艇定点自主巡航模式的航行控制方法，其特征在于，所述方法中，采用多级模糊逻辑控制器对常规航向航速参数进行自适应调整；

所述步骤5中，无人艇上传感器数据按照类别分为艇姿态数据、艇状态数据、气象数据、周围态势数据，每一类数据通过各自的信息分析模块进行模糊化处理和决策并产生对应的模糊逻辑子参数。

5.如权利要求4所述的适用于水面探测无人艇定点自主巡航模式的航行控制方法，其特征在于，所述艇姿态数据包括：艇航向角速度、艇横摇角、艇横摇角速度、艇纵摇角、艇纵摇角速度；

所述艇姿态信息分析模块用于接收所述艇姿态数据，对每一类数据按照经验给出正常门限值和异常门限值两个阈值，根据门限值对每一类数据进行模糊化处理；

当有任意一项数据超出异常门限值时，所述艇姿态信息分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“姿态异常”；

当有任意一项数据处于正常门限值和异常门限值之间时，所述艇姿态信息分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“姿态告警”；

所有项数据处于正常门限值以下，所述艇姿态信息分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“姿态正常”。

6.如权利要求5所述的适用于水面探测无人艇定点自主巡航模式的航行控制方法，其特征在于，所述艇状态数据包括：左右发动机状态、GPS设备状态、惯导设备状态、光电探测设备状态、雷达设备状态、配电箱状态、任务管理中心状态、电量、油量；

所述艇状态信息分析模块用于接收所述艇状态数据；

巡航开始后，按照当前位置与基地之间最近距离计算立即返航所需电量、油量值，按照该值判定电量、油量当前状态，电量和油量如果大于该值，则电量油量状态正常，否则电量油量状态告警；其余状态数据按照实际分别为状态正常和状态异常；

当电量、油量其中有一项状态告警时，所述艇状态信息分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“能源告警”；

当左右发动机状态、GPS设备状态、惯导设备状态、光电探测设备状态、雷达设备状态、配电箱状态、任务管理中心状态有任意一项状态异常时，所述艇状态信息分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“状态告警”；

所有数据处于正常状态时，所述艇状态信息分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“状态正常”。

7.如权利要求6所述的适用于水面探测无人艇定点自主巡航模式的航行控制方法，其特征在于，所述气象数据包括：风速、降雨量；所述气象信息分析模块用于接收影响航行的气象数据；对气象数据的两类数据按照经验给出正常门限值和异常门限值两个阈值，根据门限值对数据进行模糊化处理；

当其中有一项数据超出异常门限值时，所述气象信息分析模块决策输出为“气象恶劣”；

当有任意一项数据处于正常门限值和异常门限值之间时，所述气象信息分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“气象告警”；

两类数据处于正常门限值以下，所述气象信息分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“气象正常”。

8.如权利要求7所述的适用于水面探测无人艇定点自主巡航模式的航行控制方法，其特征在于，所述艇周围态势分析模块用于接收周围态势数据，即航行时光电探测设备和搜索雷达设备发现的外部事件；

当光电探测设备和搜索雷达设备识别可疑船只、可疑漂浮物、礁石或其他障碍物时，所述艇周围态势分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“态势告警”；

当光电探测设备和搜索雷达设备识别危险船只、危险漂浮物或其他危险目标时，所述艇周围态势分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“态势紧急”；

当光电探测设备和搜索雷达设备未发现识别可疑目标时，所述艇周围态势分析模块决策输出的模糊逻辑子参数为“态势正常”。

9.如权利要求8所述的适用于水面探测无人艇定点自主巡航模式的航行控制方法，其特征在于，所述步骤6中，各模糊逻辑子参数输入智能控制模块中，基于制定好的模糊决策规则进行模糊推理产生最终的模糊逻辑参数，根据最终的模糊逻辑参数对航行中的常规航向航速参数进行自适应调整；

所述模糊决策规则为：

当姿态信息分析模块输出为“姿态异常”或状态信息分析模块输出为“能源告警”或气象信息分析模块输出为“气象恶劣”时，智能控制模块输出为“内部事件模式”；

在不满足“内部事件模式”而且态势信息分析模块输出为“态势正常”时，当姿态信息分析模块输出为“姿态告警”或状态信息分析模块输出为“状态告警”或气象信息分析模块输出为“气象告警”时，智能控制模块输出为“告警模式”；

当态势信息分析模块输出为“态势正常”，且艇姿态信息分析模块、艇状态信息分析模块、气象信息分析模块这三个子信息分析模块同时输出为“姿态正常”、“状态正常”、“气象正常”时，智能控制模块输出为“正常模式”；

在不满足“内部事件模式”且态势信息分析模块输出为“态势告警”或“态势紧急”时，智能控制模块输出为“外部事件模式”。

10.如权利要求9所述的适用于水面探测无人艇定点自主巡航模式的航行控制方法，其特征在于，当智能控制模块输出为“正常模式”时，表示无人艇航行状态正常，不需要对当前航速航向的航行参数进行调整，无人艇按照常规参数进行航行；

当智能控制模块输出为“告警模式”时，表示无人艇航行状态有所异常，但是暂时可控，这时候需要根据告警的具体内容对当前航速航向的航行参数进行微调整；如果“姿态告警”，需要将当前航速降低，并且减小航向转向速率，监控状态变化，如果仍然未恢复“正常模式”，继续降低航速，减小航向转向速率，直至恢复“正常模式”；如果“状态告警”，如果处于通讯半径范围内，上报设备状态具体数据，持续监控状态变化，在继续航行的同时，等待遥控端的指令；如果“气象告警”，上报气象当前数据，将当前航速降低，并且减小航向转向速率，在继续航行的同时，等待遥控端的指令；

当智能控制模块输出为“外部事件模式”时，表示无人艇当前其他航行状态基本正常，转入外部事件处理流程；根据外部事件的具体内容判断事件等级，如果“态势告警”，说明外部事件等级低，控制光电探测设备拍照、录像，记录当前坐标，处于通讯半径范围内时，上报当前事件数据，等待遥控端指令，如不处于通讯半径范围内，处理完成后继续前次航行；如果“态势紧急”，说明外部事件等级高，控制光电探测设备拍照、录像，记录当前坐标，处于通讯半径范围内时，上报当前事件数据，等待遥控端指令，如不处于通讯半径范围内，控制艇上扩音器或灯光器，对危险目标进行喊话、警告，处理完成后迅速航行至讯半径范围内，上报当前事件数据，等待遥控端进一步指令；

当智能控制模块输出为“内部事件模式”时，根据内部事件的具体内容，进入内部事件处理流程；如果“姿态异常”，停止当前航行，待姿态恢复正常后，重新进行航行，如果姿态无法恢复正常且处于通讯半径范围内，则上报当前状态数据，等待遥控端指令，如不处于通讯半径范围内，则按照最低航速和最小航向转向速率返程；如果“能源告警”，停止当前航行，按照最优路线返程；如果“气象恶劣”，处于通讯半径范围内，则上报当前状态数据，等待遥控端指令，如不处于通讯半径范围内，则按照最低航速和最小航向转向速率返程。