基于船机配合的自主海上搜救系统

I基于船机配合的自主海上搜救系统我国作为名副其实的海洋大国，海疆广阔，但是浩瀚的海洋也给我国应对结合现有的海空搜救体系，面对远海域、大浪以及迫切需要迅速展开前期搜救等情形，我们团队基于水面快速反应的现代化救援方式，设计了救援团队、救助船、无人艇、无人机、多功能救援设备协作的多位一体搜救系统。无人艇、无人机和救援设备可在前期展开快速地自主海上搜救工作，救助船或者岸上救系统信号情况下可进行精确定位。在无人艇提供无人充电装置的前提下，该搜为提高搜救效率和搜索范围，自主设计无人艇、无人机集群控制算法和搜救策略。无人艇和无人机保持矩形队形协同航行，可按直线搜索，高效率到达救援区域，可按S形搜索，在保持最大视野范围时遍整个设计过程中，为了使方案中各有关设备协同配合更加密切，我们在现有成熟设备基础上进行了改进。将工业级无人机改进为专门的运送无人机，配备电磁装置吸引携带救援设备。改进充电接口为直联方式，可以让运送无人机灵活充电。此外，本方案另辟蹊径，设计独立、简单、可拼接的救援设备，在为落水人员提供水上支援的同时，还可以有效应对风浪。该救援设备可使用无式。该无人充电装置由无人艇携带，可以容纳无人机和救援设备，并随时为无I -1- -4- 航空创意挑战赛我国海疆广阔、海岸线长、岛屿众多，是名副其实的海洋大国。但是浩瀚调转运，使得搜救组织工作难度极大、消耗时间较长。与近岸海上搜救问题相比，深远海的远距离海上搜救，因受基础设施少、通信不便、搜救资源密度低等因素制约发展缓慢，特别是在搜救成本和搜救时间方面对海上突发事故，尤其是涉及落水人员时，我们必须及时地搜索到人员位置以迅速展开救援。面对远海域搜救任务，如何提升搜救设备的敏捷性和灵活性、面，近年来，无人机技术迅速发展成熟。无人机以其体积小、操作灵活、可以无人机的引入为搜救工作的实施提供了更加灵活的解决方案。另一方面，为更高效地完成水上救援任务，各种水上救援机器人陆续被研发出来并正式投产使飞机上投放等多种操作形式，入水后可以操纵迅速靠近落水人员，并携带落水图1-1云洲水面救生机器人[5]航空创意挑战赛装备，其最大时速达到500km，最大航时12h，最大航程达到5300km[6]。图1-2AG600随着海上救援的经验增多，我国也形成了一定的搜救体系。在指挥部门的统一协调部署下，有救助船、救助直升机、岸基医疗机构组成的三位一体海上续航能力强、救援装备多的优势，实施初步救治；待救助船抵达救助直升机救援半径之后，救助直升机发挥速度优势，对危重伤病员进行快速转运；整个救图1-3三位一体海上医疗救援体系[3]虽然这些新型技术或救援体系有使用灵活、救援体量大等优点，但是他们航空创意挑战赛也存在一些不足。例如，无人机无法长时间进行工作，续航和充电是极大的问题；救援机器人可以适应湖泊和近海岸的救援环境，但是在远海、大浪环境时，搜索和携带人员能力大打折扣；水陆两栖飞机有服役时间短，专业救援经验积 调度救助船及其行驶相对复杂和缓慢，并且要救助船行驶到一定距离后直升机海上救援力求及时、到位，面对远海、大浪等情形和强续航、使用灵活、大批量救援等要求，深入研究具有高实用性、高效能的海上搜救系统，更新搜结合现有的海空搜救体系，我们团队针对远海域、大浪、迅速展开前期搜计了救援团队、救助船、无人艇、无人机、救援设备多位一体协作的搜救系统。我们团队设计的多位一体搜救系统，利用无人艇的速度与负载、无人机的灵活敏捷和救援设备的多功能设计达到了远海域、大浪、长续航的及时搜救任务要求。在一定程度上提高了搜救效率，实现了空中力量与海上力量的有机结项目提供了一种船机协同的方式，无人机以无人艇为中心呈矩形展开协同大范围搜索，这为在海上大范围搜索提供了集群控制模式，为空军协同工作提搜救措施。同时，协同操控摆脱了单地点的单一救援，可进行多地点的同时搜救。项目涉及的无人机直联充电改装和携带救援设备的电磁改装，为旋翼无人的集群通信使用的是2.4GHz无线电台技术项目设计了一款无人机充电装置，可以在装载救援设备和无人机的同时为它们充电。无人机的续航是一个重要难题，无人充电装置的设计提供了一种有项目创新设计了一款多功能、可拼接救援设备，为空军提供的海上救援提航空创意挑战赛针对远海域的救援工作，我们还未形成成熟的、快速的前期搜救工作。现有的救助船、救助直升机、岸基医疗机构组成的三位一体海上医疗救援体系支持远海域救援，直升机也可以进行前期迅速搜救，但是也有一定不足，要救助船行驶到一定距离后直升机才能展开救援，单次救援人数有限制，而且行动相对机械，会延长救援时间。我们团队依托于救助船、救援团队救援体系，改进前期搜救系统，利用无人艇、无人机、救援设备设计迅速、灵活、大体量的搜系统整体依托于救助船、救援团队救援体系，还设计包括了无人艇、无人为搜索无人机和运送无人机，搜索无人机用于协助搜索落水人员，运送无人机用于投放救援设备；救援设备是结合了海上划水浆板和有动力水上机器人的独图2-1系统各部分示意图该系统主要是采用辅助工作模式，进行前期的搜救工作。系统工作示意图航空创意挑战赛图2-2系统工作示意图图2-3工作流程图在现有的搜救体系中，当海上尤其是远海发生事故时，救援部门或救援团队会使用大型救助船前往事故区域展开搜救。无人艇相较于救助船有体积小行动灵活、航行速度快的优点，可先于救助船进行海域搜索。救援团队可从救助在无人艇到达救援区域附近后，可释放搜索无人机在海上协同搜索落水人搜索无人机探索到事故发生地或者落水人员位置时，之后根据情况无人艇派出提供落水人员应急救援物资：水、饼干、毛巾等，救援设备也装备有可拆卸漂浮板以供不时之需。与此同时，无人艇给救助船发送落水人员的位置，协助救助船赶来为落水人员提供后续救援和治疗。当有多名不同位置的落水人员时，航空创意挑战赛图2-4协同搜索示意图图2-5救援设备前期搜救过程中，很好地利用无人艇的速度和无人机集群的优势。无人机集群相较于直升机搜救可以同时多个方位地进行大范围探索，而且无人机使用更加灵活。使用无人机集群也可以携带多个救援设备进行投递，可以同时为多所有参与搜救的无人机选择的是旋翼无人机。对于船机结合的设计，小型航空创意挑战赛术成熟和适合垂直起降要求的旋翼无人机可以完成搜索目标和投递物资的任务。使用无人设备进行远海救援有定位、通信、能源供给等难题。项目针对性为了能更好的控制搜救设备以及确定救援区域的精确位置，远海救援时需要使用定位系统，时时把握搜索设备和救援设备的位置。目前常用的卫星定位以接收来自多个卫星系统的信号，并使用这些信号来计算位置。这增加了定位的可靠性和准确性，并提高了在较差的信号条件下的性能。通过使用不同的频段的信号也可以提高抗干扰的鲁棒性。为了能实现更好的定位，无人艇、无人机和救援设备可以使用多频GNSS模块，这样能同时接收从多个导航卫星系统目前海上通信方式常用的有甚高频通信（VHF）和卫星通信。但是甚高频通信距离有限，在30海里左右，在信号覆盖不到以及船舶稀疏的远海的有海事卫星通信系统。但是海事卫星通信系统安装和使用费用较高，简单通信服务就只提供电话、电报、传真等方式，对于远海控制使用不便。已经得到术在使用时不受地形和距离等因素的影响，能够传输文字、影像或音频等不同类型的信息，加上其天线口径相对较小的优点，使得其在进行信息传输的过程两个频段切换和快速频点调整技术来规避无线干扰[13]。若未来进行项目合作，航空创意挑战赛图2-62.4GHz无线电台[12]人艇、无人机、救援设备之间通过2.4GHz搜救过程中救助船可以为无人艇提供长续航支持，而无人艇可以为无人机和救援设备提供长续航支持。在长距离救援中，救助船可以给无人艇提供能源补充。在无人艇上也装备无人充电装置，该装置在收纳无人机和救援设备的同有时大浪情况下，单个救援设备有被掀翻的风险，当落水人员较多且集中一个“回”形水上支持平台。使用拼接平台扩大面积，不仅可以暂时提供更大的支持平台，也可以提供更大的抗扭力矩，减小单个救援设备容易受浪倾翻的风险。同时每个救援设备都装备有漂浮板，可供拆卸使用，以便更好地应对风浪航空创意挑战赛图2-7拼接示意图拼接有两种形式，可以在空中拼接也可以在水上拼接。在空中，可以控制运送无人机两两靠近，形成“回”形后开启救援设备的电磁装置形成连接。在水中，直接控制救援设备在水中移动，靠近后开启电磁装置。浪大时可考虑空中拼接方式采用的是电磁吸引。电磁吸引方式简单，没有复杂的机械结构，现在技术的提升，小的电磁铁也可以提供大的吸引力。目前部分直流电磁铁提力。较大的电磁吸引力可以使拼接平台不易被风浪拆散。为了形成环形拼接，救援设备是一侧电磁铁，一侧铁块。在水中使用电磁铁还要注重防水密封的设图2-8电磁铁及其尺寸[14]同时，为应对大风，搜索无人机和运送无人机都选择抗风等级强的无人机。为了能更好地完成自主海上搜救系统的工作目标，需要进行一些修改设计和创新设计。主要完成的目标的有：运送无人机可携带救援设备，救援设备有多项救助功能，系统可实现无人机和救援设备的灵活收纳与充电，协同广范围无人机修改主要针对的是运送无人机，使其能携带救援设备和更好的充电。运送无人机以工业无人机为蓝本进行修改。它装备有摄像头、定位、红外等传感器，可用于目标识别和位置定位。相较于传统的无人机，运送无人机示意图带运送救援设备。运送无人机支架两侧脚的位置是电磁装置，使用电磁铁配合装置的复杂程度，使用电磁装置来做衔接装置。可以使用上文介绍的电磁铁，图2-9运送无人机示意图运送无人机支架四个腿的位置各有一个矩形充电块，配合充电装置，以便搜索无人机可以使用现有的抗风等级强的航拍无人机，同运送无人机一样救援设备是全新的设计，结合了海上划水浆板和水上机器人的特点。救援航空创意挑战赛图2-10救援设备的示意图图2-11救援设备的投影视图航空创意挑战赛图2-12救援设备的说明示意图1图2-13救援设备的说明示意图2表2-1救援设备说明表图序号名称组成、特点、作用a板子角度说明45度角，便于四个救援设备拼接成“回”b电磁铁电磁铁与另一个设备铁块作用吸引c把手d左右主板使用环氧板，提供浮力，轻便耐用e侧翼铁块铁块与另一个设备的电磁铁作用吸引f物资盒应急物资盒，里面可装水、毛巾等物资g漂浮板使用救生衣等漂浮材料，可拆卸供人应急h上侧铁块作为运送无人机吸引衔接部分，电磁吸引i铁罩预防人们身体接触推进电机造成伤害j电源和控制器密封、防水图2-10a传感器及通信前后两摄像头、红外、定位、语音等设备b推进电机使设备整体可以在水上平面运动c充电装置无线感应充电救援设备结构及特点如上所示。它可以提供落水人员的水上支持平台，也可以携带人员运动，同时提供了救援应急物资以及应急漂浮物。整体结构又可以进行集群拼接，增大平台面积，和抗击风浪扭矩。搭配无线感应充电，又可航空创意挑战赛以灵活的进行充电续航。使用语音设备，能及时制导落水人员进行应急措施，无人充电装置也可以说是救援设备和无人机的机库，在容纳救援设备和无人机的同时可以做到无人充电。设计参考目前市面上的无人机充电平台，主要充换电平台可以自主为无人机更换电池，或者进行充电。本系统设计的无人充电装置创新设计有无线充电平台、直联充电平台、升降平台等装置。无人充电图2-14一种无人机充电平台航空创意挑战赛图2-15无人充电装置示意图救援设备和运送无人机按照“回”形排布可收入于充电装置中。这个装置可以搭载于无人艇上，可以用于续航和存储救援设备和运送无人机作用。组合容纳救航空创意挑战赛图2-16组合容纳救援设备和运送无人机效果图感应装置，可以为救援设备进行无线感应充电。环绕圆柱无线感应装置设计有U形升降台，可以支持救援设备、运送无人机在充电装置中升降，达到释放和收纳的功能。在充电装置中心柱四侧有T形充电装置，通过对救援设备使用无线充电，防止有水造成电路短路。对无人机使用直联充图2-17无人充电装置细节图图2-18无人充电效果图无人充电装置的设计在满足救援设备和运送无人机收纳的同时也满足了充图2-19搜索队形效果图集群的队形可以被视为智能体之间相对距离或角度的表示。在本方案中，无人艇为参考原点建立坐标系，垂直海平面方向为z轴方向，运动方向为x轴图2-20坐标系示意图−3 −3 ]对于集群的运动控制，有集中式和分布式两种控制方法，集中式算法将所有决策集中在一个中央控制器上，而分布式方法允许无人艇和无人机进行本地决策并进行协作，具有较高的可靠性和更低的通信负载。为保持各智能体之间航空创意挑战赛的相对位置和速度的一致，选择分布式方法中的一致性算法对整个系统进行控制。该控制方法的目标是让编队内部的所有智能体的状态保持一致。在实现的过程中是每一个智能体都可以与自己的“邻居”进沟通。在综合考虑本机和“邻居”i(t)=−∑=1aij(t)(yi(t)−yj(t))，控制图的邻接矩阵的（i,j）元。图2-21通信拓扑图10110111011011001110010000111北为x轴，西为y轴。以第i架四旋翼无人机模型的x轴方向为例，将子系统模型表示如下式。航空创意挑战赛考虑定拓扑结构下的通信延迟为τ的编队问题，子系统（2-5）的连续时间uc,x,i(t)=k1∑=1aij{[pj,x(t−τ)−pj,d(t−τ)]c,x,i(t)表示第i架四旋翼无人机的一致性控制协议；k1表示一致性控制协议的增益并且满足k1＞0；pi,x和pj,x分别表示第i和第j架四旋翼无人机在x轴方向的实时位置；pi,d和pj,d分别表示第i和第j架四旋翼在x轴方向的期望的位为避免搜索过程中发生碰撞，本方案选用人工势场法对集群进行避障算法控制方法，通常用于机器人和无人机的自主导航和避障。其基本思想是将机器人视为运动质点，将目标的吸引力和障碍物的斥力转换为对运动质点的势场，并利用势场对运动质点的控制来实现自主导航和避障。在智能体避障场景中，APF可以将智能体与目标之间的距离和方向建模为目标吸引力场，将无人机与障碍物之间的距离建模为障碍物斥力场，然后在两个势场之间计算无人机的速uit(xi)=0.5ap2(xi,xt)uik(xi)={.5β(p(xxk)−pkax)2it(xi)表示目标点t对无人机i引力场函数，根据其定义可知当无人机距斥力越大，而当无人机不在障碍物的影响范围内时，所受到的斥力为0，a和β人机i的最大影响范围。在该场景中，障碍物的斥力场可以阻止飞行器飞向障碍物，而目标的吸引力场可以引导飞行器朝着目标方向飞行，合力方向为无人机当前时刻速度方向。 航空创意挑战赛图2-22人工势场法示意图面积为无人协同系统的最大视野范围，按图所示路线可以较高的效率对该海域图2-23搜寻路线示意图若是提前知道救援目标位置，可以直接直线控制达到目标区域展开救援。除了派出一组设备外还可以派出多组无人搜救系统进行多方位、广海域搜救。每个系统负责一片海域，无人船载着无人机到达该海域后，无人机起飞，每架航空创意挑战赛图2-24多组无人搜救系统搜救示意信息融合技术是使多设备探测到的信息可供后续决策使用的基础，通过对多个设备的探测信息进行综合处理，消除多节点探测信息之间可能存在的冗余在应急救援中救援目标的存在与否等检测问题均可归类为二元假设检验问题，可以用H0和H1代表救援目标不存在和存在两种情况。通过多设备采集救援信息，比如目标的摄像视觉信息、目标的红外信号信息等，综合计算提升准确应急搜寻信息处理过程由原始数据采集、特征提取、融合、判决以及估计等基本的步骤组成。按照融合步骤所处的阶段或所处理信息的抽象程度的不同，可以将信息融合划分为数据层融合、特征层融合和决策层融合等三个层级，在寻场景;随着传输数据量的上升，数据层融合准确性逐渐升高[16]。本设计采用数 基于原始观测数据的数据层融合指各设备节点信息不经过特征提取和判决等过程，直接处理后做最终信息判决，设计采用线性加权法进行数据层融合，iyi1⁄n。取Y为判断阈值，当yg>Y时，可判定救援目标存在，这样对多个搜索设备系统主要改进和创新的设备有无人艇、搜索无人机、运送无人机、救援设表2-2主要设备汇总表设备主要部分或装置无人艇艇，VAST卫星通信装置，2.4GHz无线电台，无人充电装置搜索无人机航拍无人机运送无人机工业级无人机、电磁装置救援设备各部分见表2-1除了救援设备是全新的设计之外，其他设备都是利用现有技术进行改进。而各设备的装置都是使用现有的成型装置。救援设备的设计也都考虑了装置组项目设立除了系统的设计还要进行系统产品的价格预算。其中，无人艇和充电装置可以由无人船技术和无人机充电平台技术进行制作，由于是新兴技术，管理部门也众多，先不做预算分析。方案预算先从有现成产品和易于改装、制行方案可行性分析，整体方案设计可行性在2.3.3搜索无人机承担长时间海上搜寻工作，因此需要具备续航时间长、抗风性强、防水性高、可搭载摄像设备等功能。根据市面上已有的无人机性能，给出表2-3搜索无人机名称续航（min）抗风等级防水等级价格航空创意挑战赛DJIMatrice200SeriesV2约40639999DJIMatrice300RTK约55681200PowerVisionPowerEggX约3059985约40813299运送无人机主体采用工业级无人机，要有一定的载重能力和抗风能力，有表2-4工业级无人机名称续航抗风等级载重价格FreeflyAlta-X约50515.9115299亦航智能YH-116约5062057000科拓梦E612约45328800运输用工业级无人机价格因质量、抗风等级、载重、是否进口等因素，使得不同无人机价格差异较大。若要面对大风浪救援，就要应对大风天气，注重除了无人机，还要进行改进，加装电磁装置。市面的直流电磁装置相对便因此，为打造一款可电磁携带救援设备、有一定抗风能力的运送无人机需救援设备预算涉及的部分和装置比较多，需要进行综合考虑和汇总，以先准备主要的、大额的部分进行预算，包括：救援设备主体的左右主板、进行拼为救援设备提供主要浮力和担任设备主体的左右主板，参考划水、冲浪使用的浆板制作。浆板使用的是环氧板，考虑到使用环氧板做设备需要加工，左图2-25蓝科970元海上划水浆板表2-5一些推进电机的性能及价格品牌工作电压最大电流最大推力价格HYDROCEAN10-20V23A7.1kgSPEEDINGRC11.1-25.2V7.5kgFATJAY：KYI-8ET12-25.2V23.4A8.6kgFATJAY：KYI-30T-H12-50.2V38.2A30.4kg2499元1个FATJAY：KTI-15T-30T-E24-50V38.4A30kg2800元1个图2-26漂浮板表2-6漂浮板价格表WATERTIME图2-27可定制锂电池组表2-7不同容量电池价格表48V19.2AH48V28.8AH充电装置，设置的是无线充电，需要搭配无线充电模组。为更快地充电，图2-28100W无线充电模组表2-8一些充电模组价格救援设备设计使用的是2.4GHz无线电表2-9救援设备各装置价格汇总表134航空创意挑战赛2111这样救援设备质量至少16kg。考虑到救援设备重量，可以使用亦航智能YH-综上，一台搜索无人机的预算为13500元，一台运送无人机的预算为项目针对的是远海域救援，设计的系统要满足远距离、长时间、广范围搜表2-10方案设计可行性分析表4、自主设计的救援设备有更长的翼展抗风浪的航空创意挑战赛通过可行性分析，项目设计可以满足远海域救援需求，在技术层面，通过改进、融合和仿真，可以在一定程度达到应用需求，在预算方面也可以通过优项目设计可针对多个场景，展开海空协同搜救。无论是船舶意外事故还是有人意外落水，都可以使用该设计展开前期快速搜救。该设计充分利用了船和无人机的配合，不仅可以应对生活意外事故搜救，也可以应对战时突发状况的故或有人落海时，派出救助船后，救援团队可控制无人艇携带无人机和救援设人搜救。为延长无人机搜救时间，无人艇搭配了无人充电装置，随时为无人机搜救提供了有力保障。在军用上，若在敌我战机对战后有坠机人员落于海上，该系统各个部分联合使用可以提供长续航远海救援，对于近海或者湖泊事艇的条件下，可以单独操纵救援设备作为水上救援机器人运动到落水人员附近，海上行驶船舶，有时船员可能因为船摇摆、海水冲刷甲板或其他意外而落海。应对行驶船舶上落水人员的救援，可以单独操作运送无人机携带救援设备航空创意挑战赛迅速进行救援设备投递。该方法操作灵活，迅捷方便，可快速直达落水区域。在军用上，在船舶护航行程中或者远洋巡航中，若有乘员落水，可以做应急救设计的救援设备可以提供水上支持平台。面对风浪情况，单个救援设备容易被浪掀翻，设计的可电磁吸引的拼接救援设备，可以适时拼接，扩大水上支持平台范围和面积。利用强磁吸引拼接，在一定程度上防止了平台被浪拆散的系统设计采用无人艇、无人机集群式的协同搜救，可以同时对多个位置的援更多的人。救援设备也可以为落水人员装备了救援物资，并且可以发送位置结合现有的海空搜救体系，我们团队针对远海域、大浪、迅速展开前期搜救等情形，基于水面快速反应、船机配合现代化救援方式，设计了救援团队、救助船、无人艇、无人机、多功能