CN115129040A - 一种无人艇编队控制***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人艇编队控制***及其控制方法，包括中心站监控层、编队信息交互层和编队成员层，中心站监控层通过编队信息交互层与编队成员层进行信息交互，编队成员层中各成员通过编队信息交互层进行信息交互；实现了实现一套中心监控站或多套中心监控站同时或者独立控制一条或者多条无人艇的功能，即可实现一对一控制，一对多控制，多对多控制功能，可兼顾多控制中心实现对编队各成员艇的监控。同时本发明以全方位、多维度立体的数据平台，提升数据集成和共享能力，结合电子海图等地理环境数据、风浪流等海洋环境信息，综合考虑船舶特性，智能选择满足任务作业要求的最佳工作模式和操控模式，确保编队航行稳定可靠。

Description

一种无人艇编队控制***及其控制方法

技术领域

本发明属于无人船艇集群控制技术领域，尤其是一种无人艇编队控制***及其控制方法。

背景技术

面向日趋复杂的作战环境，单一无人艇的功能往往受到限制，其作业范围因为自身所携 带艇载传感器和设备的质量和数量而受到约束，其功能可能在某个方面很强大，却不能适应 现代化战场中的信息化及网络化的要求。所以，单一无人艇不仅需要在自身所有的能力范围 内单独执行任务，而且在作业环境复杂和作业量巨大的情况下需要和其它无人艇一起联合执 行任务，多艇联合作战扩大了水域的监视范围，并从多个方位，多个角度探测目标，提高了 潜在目标和威胁的发现概率，从而提前作出机动反应应对威胁。相对于单艘艇，多无人艇的 联合作战，无论从作业还是任务的角度来说，都极大提高了整体效能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种无人艇编队控制***及其控制方法， 能够兼容同型及异构无人艇，支持编队成员的扩展、信息交互、编队队形及分配等功能。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种无人艇编队控制***，包括中心站监控层、编队信息交互层和编队成员层，中心站 监控层通过编队信息交互层与编队成员层进行信息交互，编队成员层中各成员通过编队信息 交互层进行信息交互；其中，中心站监控层包括若干中心监控站，中心站监控层用于根据使 用场景对编队成员层中各成员进行一对一、一对多和多对多的控制，编队信息交互层用于传 递中心站监控层对编队成员层下发的各控制指令以及实现编队成员层各成员之间的信息交互。

而且，所述中心站监控层需要构建数据通信协议、构建中心站监控层监控过程、配置信 息服务单元和配置通信设备；

其中，数据通信协议采用统一的约束条件、校验方式和信息标识，根据数据通信协议中 的成员编号区分信息的来源，区分信息单元序号、信息单元标识、信息长度、校验和尾字节 判定数据的有效性，实现对错误信息的过滤；

中心站监控层监控过程能够实现对编队各成员的控制指令分发管理，并且能够对编队各 成员的反馈信息的分编号监控；

信息服务单元配置在中心站监控层和编队成员层，信息服务单元用于信息交互过程中管 理信息发送的目的地和信息的接收来源；

通信设备支持自组网功能，能够将各编队成员及中心监控站建立局域网，实现编队成员 和中心监控站的信息交互。

而且，所述编队信息交互层的通信信道为：卫星通信、数传电台通信、自组网微波电台 通信和北斗一代通信。

而且，所述通信信道选择优先级为：卫星通信、自组网微波电台通信、数传电台通信以 及北斗一代通信，在优先级高的通信信道链路不通时，能够自动向下一优先级通信信道切换， 并同步调整传输数据量。

而且，所述使用场景包括：视距范围内的编队航行和非视距范围内的远距离编队航行， 其中视距范围的编队航行采用卫星通信和自组网微波电台作为主通信链路，其他通信信道作 为应急通信链路实现编队航行；非视距范围的编队航行仅采用卫星通信作为主通信链路，北 斗一代作为辅助通信链路实现编队航行。

而且，所述编队成员层为若干条无人舰艇组成的编队，每个编队成员视作独立个体，独 立个体内部完成各自的信息交互，具备控制指令信息、状态信息、环境信息、报警信息、避 碰雷达目标信息以及航路监视视频的储存、回放与查询功能。

而且，所述信息交互包括任务方案信息、航行状态信息、遥控设备指令信息、设备状态 监控信息、气象感知信息、目标运动状态信息、视频信息和雷达回波信息。

一种无人艇编队控制***的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、编队成员层的若干条无人舰艇将接收来自各自传感器的导航信息、气象感知信 息、目标信息、视频信息和雷达回波信息，按照数据通信协议格式进行装订；

步骤2、***通过互传应答报文定时判断收发语句有效性的机制，监控各通信链路的通 信状态，采用既定的通信优先等级信道，编队成员层的若干条无人舰艇将装订完成的信息通 过有效的通信信道定时发送至编队信息交互层；

步骤3、中心站监控层定时接收并显示编队信息交互层共享的各编队成员信息，实现编 队成员信息的监视；同时中心站监控层指令到编队成员层的信息为触发式发送形式，当中心 站监控层需要下达任务指令、控制指令或参数配置指令时，中心站监控层信息服务单元按照 数据通信协议格式进行装订；

步骤4、中心站监控层将装订完成的信息指令传输至编队信息交互层，编队信息交互层 将根据信息指令中的编队成员的编号筛选通过步骤2所述通信信道发送至对应的编队成员；

步骤5、编队成员收到步骤3下达的指令信息，完成相应的控制响应，将响应信息反馈 至中心站监控层。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明包括中心站监控层、编队信息交互层和编队成员层，中心站监控层通过编队信 息交互层与编队成员层进行信息交互，编队成员层中各成员通过编队信息交互层进行信息交 互；实现了实现一套中心监控站或多套中心监控站同时或者独立控制一条或者多条无人艇的 功能，即可实现一对一控制，一对多控制，多对多控制功能，可兼顾多控制中心实现对编队 各成员艇的监控。同时本发明以全方位、多维度立体的数据平台，提升数据集成和共享能力， 结合电子海图等地理环境数据、风浪流等海洋环境信息，综合考虑船舶特性，智能选择满足 任务作业要求的最佳工作模式和操控模式，确保编队航行稳定可靠。本发明已在实艇编队控 制进行验证，并从多个角度验证了无人***集群、协同作战概念的可行性，初步解决了与无 人***集群、协同作战密切相关的编队机动、自主控制与任务管理、信息共享、跨域通信指 控等关键技术问题。

2、本发明的三层结构能够支持至少8条无人艇组成的编队，且可兼容同型或异构无人艇， 同时支持编队成员随时退出与加入。

3、本发明编队信息交互层的通信方式包括卫星通信，微波通信，数传电台通信，北斗短 波文通信，同时具备通信链路自动连接、状态自检、超时判断、中断恢复等功能，在优先级 高的通信信道链路不通时，能够自动或手动进行通信链路切换，并自动装订相应数据包进行 发送。

附图说明

图1是本发明编队控制***组成示意图；

图2是本发明***框架示意图；

图3是本发明***控制方式拓扑图；

图4是本发明编队信息监控软件界面布局示意图；

图5是本发明新建下发任务航线示意图；

图6是本发明中心站监控设备组成示意图；

图7是本发明编队信息交互拓扑结构图；

图8是本发明编队控制能力测试软件截图；

图9是本发明编队实船编队航行俯视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

一种无人艇编队控制***，如图1和图2所示，包括中心站监控层、编队信息交互层和 编队成员层，中心站监控层作为操控人员与编队成员层之间的唯一交互途径，包括地面中心 站和母船操控站，既可通过地面中心站操控编队同时又可通过母船操控站实现对编队成员的 监控，同时具备一对一控制、一对多控制、多对多控制功能；编队信息交互层作为中心站监 控层与编队成员层信息传输枢纽，通过通信信道实现各编队成员之间以及编队成员与中心监 控站的信息交互；编队成员层将每个编队成员视作独立个体，独立个体内部完成各自的信息 交互，外部通过卫星通信或通信电台实现成员之间、成员与中心监控站信息交互。

其中，***控制方式拓扑图如图3所示，具备一对一控制、一对多控制、多对多控制功 能，***控制方式拓扑图如图3所示，图3-a为一对一控制方式，此方式为单艇控制，***架构根据使用场景及***配置选择通信链路，可同时支持一种或多种通信方式；图3-b、图3-c和图3-d为一对多控制方式，其中图3-b编队成员之间、编队成员与中心监控站之间均为视距范围，***通信采用自组网微波电台实现中心监控层与编队成员层之间信息交互；图3-c 为单编队队形和图3-d为双编队队形，编队成员之间为视距范围、编队成员与中心监控站之 间为非视距范围，编队成员的领航者作为中继通过自组网微波电台完成编队成员之间的信息 交互，之后将信息汇合通过卫星通信实现与中心监控站的信息交互；图3-e为多对多控制方 式，中心站分别在母船及岸基，其中母船与编队保持视距范围，采用自组网微波电台实现母 船中心站与编队成员的信息交互，岸基与编队成员不受距离限制，采用卫星通信实现岸基中 心站与编队成员的信息交互。

***控制方式通过以下四层设计。首先是数据通信协议的设计，数据通信协议采用统一 的约束条件、校验方式及信息标识等，通信协议格式见表1所示，根据协议中的成员编号区 分信息的来源，区分信息单元序号、信息单元标识、信息长度、校验和及尾字节判定数据的 有效性，实现对错误信息的过滤；其次是中心站监控层监控软件的设计，信息监控软件界面 布局如图4所示，监控软件支持编队各成员的控制指令分发管理，及编队各成员的反馈信息 的分编号监控；再次是中心站监控层及编队成员层信息服务单元设计，负责信息交互过程中 管理信息发送的目的地和信息的接收来源，例如以任务航线为例，如图5所示，中心站监控 层新建任务航线并下发给指定编队成员，中心站监控层的信息服务单元负责将任务航线按照 通信协议格式发送至指定编队成员，编队成员层的信息服务单元接收到任务航线后经过滤判 定是本艇的指令再执行、若判定不是本艇指令则不执行；最后是信息交互层的通信设备设计， 通信设备支持自组网功能，可将各编队成员及中心监控站建立局域网，实现编队成员和中心 监控站的信息交互。

若中心站监控层的控制功能为一对一控制，中心站监控层的信息服务单元仅管理1条艇 的控制指令及反馈信息；若***控制模式为一对多控制，中心站监控层的信息服务单元处理 来自多个编队成员的信息和来自1个中心监控站的控制指令，将编队成员反馈信息反馈至中 心监控站，同时将中心监控站的控制指令区分成员编号将指令发至相应的编队成员；若*** 控制模式为多对多控制，中心站监控层的信息服务单元不仅处理来自多个编队成员的信息， 而且处理来自多个中心监控站的控制指令，区分成员编号实现多对多控制。

中心站监控层，作为操控人员与无人艇群之间的唯一交互途径，安装于中心控制基站(包 括海基、岸基、空基等基站，简称中心站)，如图6所示由中心控制设备、通信设备组成；其 中中心控制设备由核心处理模块、输入设备、模拟操纵装置、显示设备等组成。

中心控制设备具备集成、运行中心控制软件功能，软件总体以海图为基础，支持海图基 本操纵功能；AIS/雷达融合目标列表显示、海图态势显示功能；任务航线新建、编辑、管理、 下发、执行、切换航路点功能；单体/编队模式切换功能；避碰跟踪配置，尾迹显示功能；编 队成员信息列表显示功能；航向控制功能；舵角控制功能；任务报警提示功能等。同时包括 编队的信息监控用以监控编队各成员船的全船信息，可以控制发动机、舵机、电站、配电板 等设备，全船信息包括导航信息、控制信息、动力信息、能源信息、舵桨信息、配电板等信 息；控制指令包括发动机/发电机/舵泵的启停、电站控制、配电板控制等指令。

通信设备包括卫星通信、微波图传电台、数传电台、北斗短报文应急通信手段，具备通 信链路自动连接、超时判断、中断恢复等功能，通信信道选择优先级：卫通＞微波＞数传电 台＞北斗。在优先级高的通信信道链路不通时，能够自动向下一优先级通信信道切换，并同 步调整传输数据量。

如图7所示，编队信息交互层中心站监控层与编队成员层信息传输枢纽，实现数据格式转 换，使得由中心站监控层或编队成员层产生的数据符合通信传输条件，满足数据应用端的接 口要求。具备通信链路自动连接、状态自检、超时判断、中断恢复等功能，通信链路选择优 先级为：卫通＞微波＞数传电台＞北斗。在优先级高的通信信道链路不通时，能够自动/手动 进行通信链路切换，并自动装订相应数据包进行发送；其中，卫通、微波链路通畅时可进行 一对多控制和多对多控制功能控制，其余链路仅能进行一对一控制。

信息交互包括任务方案信息、航行状态信息、遥控设备指令信息、设备状态监控信息、 气象感知信息、目标运动状态信息、视频信息、雷达回波信息等。

将卫星通信和微波通信作为无人艇平台关键信息上传及中心控制***控制指令下发的主 传输通道，数传电台通信作为数据传输副通道，数传电台只有在主副通道均失效时开启发射 功能，作为辅助通道，既能保证中心控制***为无人艇平台不间断监控，又能保证信息的实 时传输，为无人艇的安全航行提供保障。

编队成员层将每个编队成员视作独立个体，独立个体内部完成各自的信息交互，具备控 制指令信息、状态信息、环境信息、报警信息、避碰雷达目标信息以及航路监视视频的储存、 回放与查询功能；具备各通信信道显示和切换功能，切换功能按照优先级及信道状态自动切 换和人工手动切换，并根据各信道状态装订数据包：北斗信道下装订精简数据包，包含控制 指令(车、舵)、航行信息(位置、航向、航速)、任务方案、主要设备基本状态(主机、舵 机、供电***基本运行信息)，该信道模式下可分包发送数据；数传电台信道下装订基础数据 包，包含精简数据包、雷达目标位置点信息、全部设备状态信息及基本操作指令；微波和卫 通信道下装订标准数据包，包含基础数据包、雷达视频、AIS信息、视频监控信息。

通过中心站监控层、编队信息交互层和编队成员层构成的无人艇编队控制***，可获取 无人艇内核心决策权和综合故障处理功能，通过深层次挖掘业务决策模型，以全方位、多维 度立体的数据平台，提升数据集成和共享能力，结合电子海图等地理环境数据、风浪流等海 洋环境信息，综合考虑船舶特性，智能选择满足任务作业要求的最佳工作模式和操控模式。

一种无人艇编队控制***的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、编队成员层的若干条无人舰艇将接收来自各自传感器的导航信息、气象感知信 息、目标信息、视频信息和雷达回波信息，按照数据通信协议格式进行装订；

步骤2、***通过互传应答报文定时判断收发语句有效性的机制，监控各通信链路的通 信状态，采用既定的通信优先等级信道，编队成员层的若干条无人舰艇将装订完成的信息通 过有效的通信信道定时发送至编队信息交互层；

步骤3、中心站监控层定时接收并显示编队信息交互层共享的各编队成员信息，实现编 队成员信息的监视；同时中心站监控层指令到编队成员层的信息为触发式发送形式，当中心 站监控层需要下达任务指令、控制指令或参数配置指令时，中心站监控层信息服务单元按照 数据通信协议格式进行装订；

步骤4、中心站监控层将装订完成的信息指令传输至编队信息交互层，编队信息交互层 将根据信息指令中的编队成员的编号筛选通过步骤2所述通信信道发送至对应的编队成员；

步骤5、编队成员收到步骤3下达的指令信息，完成相应的控制响应，将响应信息反馈 至中心站监控层。

若受实艇仅有3条的数量限制，如图8给出了***监控软件在实艇航行试验过程3条无 人艇组成编队的航行态势及信息监控截图，如图9给出了实艇编队湖试验证俯视图，从图中 可以看出，本发明已具备8条无人艇的编队航行态势、信息监控，支持编队成员的扩展、信 息交互、编队队形及分配等功能。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限 于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他 实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种无人艇编队控制***，其特征在于：包括中心站监控层、编队信息交互层和编队成员层，中心站监控层通过编队信息交互层与编队成员层进行信息交互，编队成员层中各成员通过编队信息交互层进行信息交互；其中，中心站监控层包括若干中心监控站，中心站监控层用于根据使用场景对编队成员层中各成员进行一对一、一对多和多对多的控制，编队信息交互层用于传递中心站监控层对编队成员层下发的各控制指令以及实现编队成员层各成员之间的信息交互。

2.根据权利要求1所述的一种无人艇编队控制***，其特征在于：所述中心站监控层需要构建数据通信协议、构建中心站监控层监控过程、配置信息服务单元和配置通信设备；

其中，数据通信协议采用统一的约束条件、校验方式和信息标识，根据数据通信协议中的成员编号区分信息的来源，区分信息单元序号、信息单元标识、信息长度、校验和尾字节判定数据的有效性，实现对错误信息的过滤；

中心站监控层监控过程能够实现对编队各成员的控制指令分发管理，并且能够对编队各成员的反馈信息的分编号监控；

信息服务单元配置在中心站监控层和编队成员层，信息服务单元用于信息交互过程中管理信息发送的目的地和信息的接收来源；

通信设备支持自组网功能，能够将各编队成员及中心监控站建立局域网，实现编队成员和中心监控站的信息交互。

3.根据权利要求1所述的一种无人艇编队控制***，其特征在于：所述编队信息交互层的通信信道为：卫星通信、数传电台通信、自组网微波电台通信和北斗一代通信。

4.根据权利要求3所述的一种无人艇编队控制***，其特征在于：所述通信信道选择优先级为：卫星通信、自组网微波电台通信、数传电台通信以及北斗一代通信，在优先级高的通信信道链路不通时，能够自动向下一优先级通信信道切换，并同步调整传输数据量。

5.根据权利要求1或3所述的一种无人艇编队控制***，其特征在于：所述使用场景包括：视距范围内的编队航行和非视距范围内的远距离编队航行，其中视距范围的编队航行采用卫星通信和自组网微波电台作为主通信链路，其他通信信道作为应急通信链路实现编队航行；非视距范围的编队航行仅采用卫星通信作为主通信链路，北斗一代作为辅助通信链路实现编队航行。

6.根据权利要求1所述的一种无人艇编队控制***，其特征在于：所述编队成员层为若干条无人舰艇组成的编队，每个编队成员视作独立个体，独立个体内部完成各自的信息交互，具备控制指令信息、状态信息、环境信息、报警信息、避碰雷达目标信息以及航路监视视频的储存、回放与查询功能。

7.根据权利要求1所述的一种无人艇编队控制***，其特征在于：所述信息交互包括任务方案信息、航行状态信息、遥控设备指令信息、设备状态监控信息、气象感知信息、目标运动状态信息、视频信息和雷达回波信息。

8.一种如权利要求1至7任一项所述无人艇编队控制***的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、编队成员层的若干条无人舰艇将接收来自各自传感器的导航信息、气象感知信息、目标信息、视频信息和雷达回波信息，按照数据通信协议格式进行装订；

步骤2、***通过互传应答报文定时判断收发语句有效性的机制，监控各通信链路的通信状态，采用既定的通信优先等级信道，编队成员层的若干条无人舰艇将装订完成的信息通过有效的通信信道定时发送至编队信息交互层；

步骤3、中心站监控层定时接收并显示编队信息交互层共享的各编队成员信息，实现编队成员信息的监视；同时中心站监控层指令到编队成员层的信息为触发式发送形式，当中心站监控层需要下达任务指令、控制指令或参数配置指令时，中心站监控层信息服务单元按照数据通信协议格式进行装订；

步骤4、中心站监控层将装订完成的信息指令传输至编队信息交互层，编队信息交互层将根据信息指令中的编队成员的编号筛选通过步骤2所述通信信道发送至对应的编队成员；

步骤5、编队成员收到步骤3下达的指令信息，完成相应的控制响应，将响应信息反馈至中心站监控层。

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