一种海上救助无人艇的制作方法

1.本发明属于无人艇技术领域，特别是一种海上救助无人艇。


背景技术：

2.海上火灾、沉船和人员落水是海上较为严重的事故，但海上恶劣的环境给救援行动带来较多困难。近年来，无人艇发展迅速，并逐步走向商用模式，为解决海上救援快速性和安全性等问题，可利用无人艇开展海上救援行动，因此需要研制一型海上救助无人艇，用于执行海上救助任务。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种海上救助无人艇，以解决上述提出的远海上救援难的问题，无人艇具备自主化程度高、救援功能全、可靠性高等优点，可满足海上救援需求。
4.实现本发明目的的技术解决方案为：一种海上救助无人艇，包括信息系统和救助系统，所述信息系统用于保障无人艇的自主航行，救助系统用于负责落水救援和海上灭火；
5.所述信息系统包括卫星通信设备、gps、导航雷达、光学探测设备、控制设备和惯性导航设备；所述控制设备，作为无人艇的控制中心，用于统一控制艇载设备；所有所述卫星通信设备，用于实现岸基控制站和无人艇的数据通信；所述gps和惯性导航设备用于为无人艇提供导航服务；所述导航雷达和光学探测设备用于感知无人艇周围障碍物；
6.所述救助系统包括救生圈自动抛投设备、救生衣储存箱、救生圈、自动喷水灭火设备、救生梯；所述救生圈自动抛投设备用于抛投救生圈；所述自动喷水灭火设备用于自动吸取海水喷向火源进行灭火。
7.进一步地，所述救生圈自动抛投设备利用旋转电机使得救生圈快速旋转，达到设定速度后，自动打开救生圈的固定装置，将救生圈抛投出去，并在待救助对象套好救生圈后，自动收缩救生圈缆绳，将待救助对象拉近无人艇。
8.进一步地，所述光学探测设备包括可见光和红外两种模式，通过可见光视频进行落水人员识别，获取落水人员位置信息，通过红外视频进行火源识别，获取火源位置信息。
9.进一步地，无人艇后甲板从艇艉到艇舯依次布置卫星通信设备、救生圈自动抛投设备、救生衣存储箱，上层建筑依次布置gps、导航雷达、光学探测设备。
10.进一步地，所述救生圈布置在无人艇艇艏护栏。
11.进一步地，所述自动喷水灭火设备布置在艇艏。
12.进一步地，所述控制设备和惯性导航设备布置在无人艇艇底舯部。
13.进一步地，所述救生梯布置在艇体舷侧。
14.海上救助无人艇的运行方法，包括以下内容：
15.在收到海上求救信号后，岸基控制站通过卫星通信设备远程向无人艇下达任务指令，包括：任务类型、任务区域、任务时间；
16.无人艇收到任务指令后出航，在航行过程中，导航雷达和光学探测设备对周围障
碍物进行搜索跟踪，并将障碍物信息发送至控制设备，由控制设备进行避障决策；
17.无人艇达到任务区，利用光学探测设备的红外模式探测火源所在位置，并将位置信息发至控制设备，控制设备控制无人艇至火源位置附近，并控制自动喷水灭火设备进行灭火；利用光学探测设备的可见光模式探测落水对象所在位置，控制设备控制救生圈自动抛投设备将救生圈抛投至落水对象所在位置，待落水对象套住救生圈后救生圈自动抛投设备自动收缩缆绳将落水对象拉近至无人艇舷侧，通过救生梯安全登艇；
18.在航行和救援过程中，岸基控制站实时监测无人艇状态；
19.在救援任务完成后，岸基控制站发送任务完成指令，无人艇返航。
20.进一步地，所述由控制设备进行避障决策，其中的避障算法具体包括：
21.1)根据原定航线确定是否需要避障，若需要则执行下一步，否则跳过避障决策，按航线航行；
22.2)确定障碍物的轮廓长度lz；
23.3)将障碍物按属性分为静态障碍物、动态障碍物，并为各类型障碍物赋予不同的安全系数α，且动态障碍物的安全系数大于静态障碍物的安全系数；
24.4)将障碍物简化为正方形模型，该模型的边长为：
25.lb＝αlz+lw+da26.式中，lb为正方形的边长，lw为无人艇自身的长度，da为避障所需的安全距离；
27.5)根据海事规则、无人艇航速航向、障碍物正方形简化模型、障碍物航速航向及无人艇和障碍物的相距距离，进行避障规划，确定避障的航向航速；
28.6)基于上述避障规划信息进行无人艇避障，之后判断避障是否完成，若是执行下一步，否则返回执行1)；
29.7)回归原航路，继续航行。
30.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
31.1)该艇集成多传感器和救援设备，具备自主航行、自主救援等能力，环境适应性强，可靠性高，为海上救助任务提供可靠手段。
32.2)将障碍物简化为正方形，同时根据属性划分为动态和静态障碍物，并为不同类型的障碍物赋予不同的安全系数，基于上述信息建立最优的障碍物模型，基于该模型对无人艇周围安全距离外的障碍物集中进行避障计算，得到最优的避障航向和航速。
33.3)为了确保船只的航行安全，无人艇遵守海上交通规则(colregs)。根据无人艇的相关特性对其冲突范围构建确定的数学化避碰规则。根据船舶避碰的经验数据和实际船只在复杂海洋环境中航行情况，为无人艇定义追赶、对遇、右交叉、左交叉四种冲突范围。通过期望和实际的dcpa和tcpa较好判定会遇局面，避免会遇局面振荡的情况，有利于避障决策的稳定性。
34.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
35.图1为一个实施例中海上救助无人艇总布置图。
36.图2为一个实施例中海上救助无人艇系统组成图。
37.图3为一个实施例中海上救助无人艇系统运行流程图。
具体实施方式
38.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
39.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
40.在一个实施例中，结合图1和图2，提供了一种海上救助无人艇，包括信息系统和救助系统，所述信息系统用于保障无人艇的自主航行，救助系统用于负责落水救援和海上灭火；
41.所述信息系统包括卫星通信设备2、gps5、导航雷达6、光学探测设备7、控制设备10和惯性导航设备11；所述控制设备10，作为无人艇的控制中心，用于统一控制艇载设备；所述卫星通信设备，用于实现岸基控制站和无人艇的数据通信；所述gps5和惯性导航设备11用于为无人艇提供导航服务；所述导航雷达6和光学探测设备7用于感知无人艇周围障碍物；
42.所述救助系统包括救生圈自动抛投设备3、救生衣储存箱4、救生圈8、自动喷水灭火设备9、救生梯12；所述救生圈自动抛投设备3用于抛投救生圈8；所述自动喷水灭火设备9用于自动吸取海水喷向火源进行灭火。
43.进一步地，在其中一个实施例中，所述救生圈自动抛投设备3利用旋转电机使得救生圈8快速旋转，达到设定速度后，自动打开救生圈8的固定装置，将救生圈8抛投出去，并在待救助对象套好救生圈8后，自动收缩救生圈8缆绳，将待救助对象拉近无人艇。
44.进一步地，在其中一个实施例中，所述光学探测设备7包括可见光和红外两种模式，通过可见光视频进行落水人员识别，获取落水人员位置信息，通过红外视频进行火源识别，获取火源位置信息。
45.进一步地，在其中一个实施例中，无人艇后甲板从艇艉到艇舯依次布置卫星通信设备2、救生圈自动抛投设备3、救生衣存储箱4，上层建筑依次布置gps5、导航雷达6、光学探测设备7。所述救生圈8布置在无人艇艇艏护栏。所述自动喷水灭火设备9布置在艇艏。所述控制设备10和惯性导航设备11布置在无人艇艇底舯部。所述救生梯12布置在艇体舷侧。
46.结合图3，海上救助无人艇的任务运行流程为：
47.在收到海上求救信号后，岸基控制站通过卫星通信设备2远程向无人艇下达任务指令，包括：任务类型、任务区域、任务时间；
48.无人艇收到任务指令后出航，在航行过程中，导航雷达6和光学探测设备7对周围障碍物进行搜索跟踪，并将障碍物信息发送至控制设备10，由控制设备10进行避障决策；
49.无人艇达到任务区，利用光学探测设备7的红外模式探测火源所在位置，并将位置信息发至控制设备10，控制设备10控制无人艇至火源位置附近，并控制自动喷水灭火设备9进行灭火；利用光学探测设备7的可见光模式探测落水对象所在位置，控制设备10控制救生圈自动抛投设备3将救生圈8抛投至落水对象所在位置，待落水对象套住救生圈8后救生圈自动抛投设备3自动收缩缆绳将落水对象拉近至无人艇舷侧，通过救生梯12安全登艇；
50.在航行和救援过程中，岸基控制站实时监测无人艇状态，必要时，可实时干预，进
行遥控；
51.在救援任务完成后，岸基控制站发送任务完成指令，无人艇返航。
52.进一步地，在其中一个实施例中，所述由控制设备进行避障决策，其中的避障算法具体包括：
53.1)根据原定航线确定是否需要避障，若需要则执行下一步，否则跳过避障决策，按航线航行；
54.2)确定障碍物的轮廓长度lz；
55.3)将障碍物按属性分为静态障碍物、动态障碍物，并为各类型障碍物赋予不同的安全系数α，且动态障碍物的安全系数大于静态障碍物的安全系数；
56.4)将障碍物简化为正方形模型，该模型的边长为：
57.lb＝αlz+lw+da58.式中，lb为正方形的边长，lw为无人艇自身的长度，da为避障所需的安全距离；
59.5)根据海事规则、无人艇航速航向、障碍物正方形简化模型、障碍物航速航向及无人艇和障碍物的相距距离，进行避障规划，确定避障的航向航速；
60.6)基于上述避障规划信息进行无人艇避障，之后判断避障是否完成，若是执行下一步，否则返回执行1)；
61.7)回归原航路，继续航行。
62.对上述算法进行进一步说明：将障碍物简化为正方形，其中正方形原心为障碍物的几何中心，雷达或光学探测的障碍物轮廓长度为lz，考虑到传感器探测和目标识别的准确性，对轮廓长度乘以安全系数α，优选地，其中静态障碍物α＝1.5，动态障碍物α＝2，再考虑到无人艇自身的长度lw，以及避障所需的安全距离da，障碍物简化的正方形模型边长为lb＝αlz+lw+da，则无人艇在避障计算时，规避的是边长为lb的正方形。
63.为了确保船只的航行安全，无人艇遵守海上交通规则(colregs)。根据无人艇的相关特性对其冲突范围构建确定的数学化避碰规则。根据船舶避碰的经验数据和实际船只在复杂海洋环境中航行情况，为无人艇定义追赶、对遇、右交叉、左交叉四种冲突范围。通过期望和实际的dcpa和tcpa较好判定会遇局面，避免会遇局面振荡的情况，有利于避障决策的稳定性。
64.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种海上救助无人艇，其特征在于，包括信息系统和救助系统，所述信息系统用于保障无人艇的自主航行，救助系统用于负责落水救援和海上灭火；所述信息系统包括卫星通信设备、gps、导航雷达、光学探测设备、控制设备和惯性导航设备；所述控制设备，作为无人艇的控制中心，用于统一控制艇载设备；所述卫星通信设备，用于实现岸基控制站和无人艇的数据通信；所述gps和惯性导航设备用于为无人艇提供导航服务；所述导航雷达和光学探测设备用于感知无人艇周围障碍物；所述救助系统包括救生圈自动抛投设备、救生衣储存箱、救生圈、自动喷水灭火设备、救生梯；所述救生圈自动抛投设备用于抛投救生圈；所述自动喷水灭火设备用于自动吸取海水喷向火源进行灭火。2.根据权利要求1所述的海上救助无人艇，其特征在于，所述救生圈自动抛投设备利用旋转电机使得救生圈快速旋转，达到设定速度后，自动打开救生圈的固定装置，将救生圈抛投出去，并在待救助对象套好救生圈后，自动收缩救生圈缆绳，将待救助对象拉近无人艇。3.根据权利要求1所述的海上救助无人艇，其特征在于，所述光学探测设备包括可见光和红外两种模式，通过可见光视频进行落水人员识别，获取落水人员位置信息，通过红外视频进行火源识别，获取火源位置信息。4.根据权利要求1所述的海上救助无人艇，其特征在于，无人艇后甲板从艇艉到艇舯依次布置卫星通信设备、救生圈自动抛投设备、救生衣存储箱，上层建筑依次布置gps、导航雷达、光学探测设备。5.根据权利要求1所述的海上救助无人艇，其特征在于，所述救生圈布置在无人艇艇艏护栏。6.根据权利要求1所述的海上救助无人艇，其特征在于，所述自动喷水灭火设备布置在艇艏。7.根据权利要求1所述的海上救助无人艇，其特征在于，所述控制设备和惯性导航设备布置在无人艇艇底舯部。8.根据权利要求1所述的海上救助无人艇，其特征在于，所述救生梯布置在艇体舷侧。9.基于权利要求1至8任意一项所述海上救助无人艇的运行方法，其特征在于，包括以下内容：在收到海上求救信号后，岸基控制站通过卫星通信设备远程向无人艇下达任务指令，包括：任务类型、任务区域、任务时间；无人艇收到任务指令后出航，在航行过程中，导航雷达和光学探测设备对周围障碍物进行搜索跟踪，并将障碍物信息发送至控制设备，由控制设备进行避障决策；无人艇达到任务区，利用光学探测设备的红外模式探测火源所在位置，并将位置信息发至控制设备，控制设备控制无人艇至火源位置附近，并控制自动喷水灭火设备进行灭火；利用光学探测设备的可见光模式探测落水对象所在位置，控制设备控制救生圈自动抛投设备将救生圈抛投至落水对象所在位置，待落水对象套住救生圈后救生圈自动抛投设备自动收缩缆绳将落水对象拉近至无人艇舷侧，通过救生梯安全登艇；在航行和救援过程中，岸基控制站实时监测无人艇状态；在救援任务完成后，岸基控制站发送任务完成指令，无人艇返航。10.根据权利要求9所述的海上救助无人艇的运行方法，其特征在于，所述由控制设备
进行避障决策，其中的避障算法具体包括：1)根据原定航线确定是否需要避障，若需要则执行下一步，否则跳过避障决策，按航线航行；2)确定障碍物的轮廓长度l
z
；3)将障碍物按属性分为静态障碍物、动态障碍物，并为各类型障碍物赋予不同的安全系数α，且动态障碍物的安全系数大于静态障碍物的安全系数；4)将障碍物简化为正方形模型，该模型的边长为：l
b
＝αl
z
+l
w
+d
a
式中，l
b
为正方形的边长，l
w
为无人艇自身的长度，d
a
为避障所需的安全距离；5)根据海事规则、无人艇航速航向、障碍物正方形简化模型、障碍物航速航向及无人艇和障碍物的相距距离，进行避障规划，确定避障的航向航速；6)基于上述避障规划信息进行无人艇避障，之后判断避障是否完成，若是执行下一步，否则返回执行1)；7)回归原航路，继续航行。

技术总结
本发明公开了一种海上救助无人艇，包括用于保障无人艇的自主航行信息系统，用于负责落水救援和海上灭火的救助系统；信息系统包括卫星通信设备、GPS、导航雷达、光学探测设备、控制设备和惯性导航设备；控制设备作为无人艇的控制中心，用于统一控制艇载设备；卫星通信设备，用于实现岸基控制站和无人艇的数据通信；GPS和惯性导航设备用于为无人艇提供导航服务；导航雷达和光学探测设备用于感知无人艇周围障碍物；救助系统包括救生圈自动抛投设备、救生衣储存箱、救生圈、自动喷水灭火设备、救生梯。该艇具备人员救助和海上消防能力，可自主航行和自主执行任务，为海上救援提供可靠手段。为海上救援提供可靠手段。为海上救援提供可靠手段。


技术研发人员：祁明浩 高峰端 李锋 孙之光 徐涛 梁立
受保护的技术使用者：连云港杰瑞科创园管理有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/4