基于船機(jī)配合的自主海上搜救系統(tǒng)

I基于船機(jī)配合的自主海上搜救系統(tǒng)我國(guó)作為名副其實(shí)的海洋大國(guó)，海疆廣闊，但是浩瀚的海洋也給我國(guó)應(yīng)對(duì)結(jié)合現(xiàn)有的?？账丫润w系，面對(duì)遠(yuǎn)海域、大浪以及迫切需要迅速展開(kāi)前期搜救等情形，我們團(tuán)隊(duì)基于水面快速反應(yīng)的現(xiàn)代化救援方式，設(shè)計(jì)了救援團(tuán)隊(duì)、救助船、無(wú)人艇、無(wú)人機(jī)、多功能救援設(shè)備協(xié)作的多位一體搜救系統(tǒng)。無(wú)人艇、無(wú)人機(jī)和救援設(shè)備可在前期展開(kāi)快速地自主海上搜救工作，救助船或者岸上救系統(tǒng)信號(hào)情況下可進(jìn)行精確定位。在無(wú)人艇提供無(wú)人充電裝置的前提下，該搜為提高搜救效率和搜索范圍，自主設(shè)計(jì)無(wú)人艇、無(wú)人機(jī)集群控制算法和搜救策略。無(wú)人艇和無(wú)人機(jī)保持矩形隊(duì)形協(xié)同航行，可按直線搜索，高效率到達(dá)救援區(qū)域，可按S形搜索，在保持最大視野范圍時(shí)遍整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了使方案中各有關(guān)設(shè)備協(xié)同配合更加密切，我們?cè)诂F(xiàn)有成熟設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。將工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)改進(jìn)為專(zhuān)門(mén)的運(yùn)送無(wú)人機(jī)，配備電磁裝置吸引攜帶救援設(shè)備。改進(jìn)充電接口為直聯(lián)方式，可以讓運(yùn)送無(wú)人機(jī)靈活充電。此外，本方案另辟蹊徑，設(shè)計(jì)獨(dú)立、簡(jiǎn)單、可拼接的救援設(shè)備，在為落水人員提供水上支援的同時(shí)，還可以有效應(yīng)對(duì)風(fēng)浪。該救援設(shè)備可使用無(wú)式。該無(wú)人充電裝置由無(wú)人艇攜帶，可以容納無(wú)人機(jī)和救援設(shè)備，并隨時(shí)為無(wú)I -1- -4- 航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽我國(guó)海疆廣闊、海岸線長(zhǎng)、島嶼眾多，是名副其實(shí)的海洋大國(guó)。但是浩瀚調(diào)轉(zhuǎn)運(yùn)，使得搜救組織工作難度極大、消耗時(shí)間較長(zhǎng)。與近岸海上搜救問(wèn)題相比，深遠(yuǎn)海的遠(yuǎn)距離海上搜救，因受基礎(chǔ)設(shè)施少、通信不便、搜救資源密度低等因素制約發(fā)展緩慢，特別是在搜救成本和搜救時(shí)間方面對(duì)海上突發(fā)事故，尤其是涉及落水人員時(shí)，我們必須及時(shí)地搜索到人員位置以迅速展開(kāi)救援。面對(duì)遠(yuǎn)海域搜救任務(wù)，如何提升搜救設(shè)備的敏捷性和靈活性、面，近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展成熟。無(wú)人機(jī)以其體積小、操作靈活、可以無(wú)人機(jī)的引入為搜救工作的實(shí)施提供了更加靈活的解決方案。另一方面，為更高效地完成水上救援任務(wù)，各種水上救援機(jī)器人陸續(xù)被研發(fā)出來(lái)并正式投產(chǎn)使飛機(jī)上投放等多種操作形式，入水后可以操縱迅速靠近落水人員，并攜帶落水圖1-1云洲水面救生機(jī)器人[5]航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽裝備，其最大時(shí)速達(dá)到500km，最大航時(shí)12h，最大航程達(dá)到5300km[6]。圖1-2AG600隨著海上救援的經(jīng)驗(yàn)增多，我國(guó)也形成了一定的搜救體系。在指揮部門(mén)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)部署下，有救助船、救助直升機(jī)、岸基醫(yī)療機(jī)構(gòu)組成的三位一體海上續(xù)航能力強(qiáng)、救援裝備多的優(yōu)勢(shì)，實(shí)施初步救治；待救助船抵達(dá)救助直升機(jī)救援半徑之后，救助直升機(jī)發(fā)揮速度優(yōu)勢(shì)，對(duì)危重傷病員進(jìn)行快速轉(zhuǎn)運(yùn)；整個(gè)救圖1-3三位一體海上醫(yī)療救援體系[3]雖然這些新型技術(shù)或救援體系有使用靈活、救援體量大等優(yōu)點(diǎn)，但是他們航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽也存在一些不足。例如，無(wú)人機(jī)無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行工作，續(xù)航和充電是極大的問(wèn)題；救援機(jī)器人可以適應(yīng)湖泊和近海岸的救援環(huán)境，但是在遠(yuǎn)海、大浪環(huán)境時(shí)，搜索和攜帶人員能力大打折扣；水陸兩棲飛機(jī)有服役時(shí)間短，專(zhuān)業(yè)救援經(jīng)驗(yàn)積 調(diào)度救助船及其行駛相對(duì)復(fù)雜和緩慢，并且要救助船行駛到一定距離后直升機(jī)海上救援力求及時(shí)、到位，面對(duì)遠(yuǎn)海、大浪等情形和強(qiáng)續(xù)航、使用靈活、大批量救援等要求，深入研究具有高實(shí)用性、高效能的海上搜救系統(tǒng)，更新搜結(jié)合現(xiàn)有的?？账丫润w系，我們團(tuán)隊(duì)針對(duì)遠(yuǎn)海域、大浪、迅速展開(kāi)前期搜計(jì)了救援團(tuán)隊(duì)、救助船、無(wú)人艇、無(wú)人機(jī)、救援設(shè)備多位一體協(xié)作的搜救系統(tǒng)。我們團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的多位一體搜救系統(tǒng)，利用無(wú)人艇的速度與負(fù)載、無(wú)人機(jī)的靈活敏捷和救援設(shè)備的多功能設(shè)計(jì)達(dá)到了遠(yuǎn)海域、大浪、長(zhǎng)續(xù)航的及時(shí)搜救任務(wù)要求。在一定程度上提高了搜救效率，實(shí)現(xiàn)了空中力量與海上力量的有機(jī)結(jié)項(xiàng)目提供了一種船機(jī)協(xié)同的方式，無(wú)人機(jī)以無(wú)人艇為中心呈矩形展開(kāi)協(xié)同大范圍搜索，這為在海上大范圍搜索提供了集群控制模式，為空軍協(xié)同工作提搜救措施。同時(shí)，協(xié)同操控?cái)[脫了單地點(diǎn)的單一救援，可進(jìn)行多地點(diǎn)的同時(shí)搜救。項(xiàng)目涉及的無(wú)人機(jī)直聯(lián)充電改裝和攜帶救援設(shè)備的電磁改裝，為旋翼無(wú)人的集群通信使用的是2.4GHz無(wú)線電臺(tái)技術(shù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款無(wú)人機(jī)充電裝置，可以在裝載救援設(shè)備和無(wú)人機(jī)的同時(shí)為它們充電。無(wú)人機(jī)的續(xù)航是一個(gè)重要難題，無(wú)人充電裝置的設(shè)計(jì)提供了一種有項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款多功能、可拼接救援設(shè)備，為空軍提供的海上救援提航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽針對(duì)遠(yuǎn)海域的救援工作，我們還未形成成熟的、快速的前期搜救工作?，F(xiàn)有的救助船、救助直升機(jī)、岸基醫(yī)療機(jī)構(gòu)組成的三位一體海上醫(yī)療救援體系支持遠(yuǎn)海域救援，直升機(jī)也可以進(jìn)行前期迅速搜救，但是也有一定不足，要救助船行駛到一定距離后直升機(jī)才能展開(kāi)救援，單次救援人數(shù)有限制，而且行動(dòng)相對(duì)機(jī)械，會(huì)延長(zhǎng)救援時(shí)間。我們團(tuán)隊(duì)依托于救助船、救援團(tuán)隊(duì)救援體系，改進(jìn)前期搜救系統(tǒng)，利用無(wú)人艇、無(wú)人機(jī)、救援設(shè)備設(shè)計(jì)迅速、靈活、大體量的搜系統(tǒng)整體依托于救助船、救援團(tuán)隊(duì)救援體系，還設(shè)計(jì)包括了無(wú)人艇、無(wú)人為搜索無(wú)人機(jī)和運(yùn)送無(wú)人機(jī)，搜索無(wú)人機(jī)用于協(xié)助搜索落水人員，運(yùn)送無(wú)人機(jī)用于投放救援設(shè)備；救援設(shè)備是結(jié)合了海上劃水漿板和有動(dòng)力水上機(jī)器人的獨(dú)圖2-1系統(tǒng)各部分示意圖該系統(tǒng)主要是采用輔助工作模式，進(jìn)行前期的搜救工作。系統(tǒng)工作示意圖航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽圖2-2系統(tǒng)工作示意圖圖2-3工作流程圖在現(xiàn)有的搜救體系中，當(dāng)海上尤其是遠(yuǎn)海發(fā)生事故時(shí)，救援部門(mén)或救援團(tuán)隊(duì)會(huì)使用大型救助船前往事故區(qū)域展開(kāi)搜救。無(wú)人艇相較于救助船有體積小行動(dòng)靈活、航行速度快的優(yōu)點(diǎn)，可先于救助船進(jìn)行海域搜索。救援團(tuán)隊(duì)可從救助在無(wú)人艇到達(dá)救援區(qū)域附近后，可釋放搜索無(wú)人機(jī)在海上協(xié)同搜索落水人搜索無(wú)人機(jī)探索到事故發(fā)生地或者落水人員位置時(shí)，之后根據(jù)情況無(wú)人艇派出提供落水人員應(yīng)急救援物資：水、餅干、毛巾等，救援設(shè)備也裝備有可拆卸漂浮板以供不時(shí)之需。與此同時(shí)，無(wú)人艇給救助船發(fā)送落水人員的位置，協(xié)助救助船趕來(lái)為落水人員提供后續(xù)救援和治療。當(dāng)有多名不同位置的落水人員時(shí)，航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽圖2-4協(xié)同搜索示意圖圖2-5救援設(shè)備前期搜救過(guò)程中，很好地利用無(wú)人艇的速度和無(wú)人機(jī)集群的優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)集群相較于直升機(jī)搜救可以同時(shí)多個(gè)方位地進(jìn)行大范圍探索，而且無(wú)人機(jī)使用更加靈活。使用無(wú)人機(jī)集群也可以攜帶多個(gè)救援設(shè)備進(jìn)行投遞，可以同時(shí)為多所有參與搜救的無(wú)人機(jī)選擇的是旋翼無(wú)人機(jī)。對(duì)于船機(jī)結(jié)合的設(shè)計(jì)，小型航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽術(shù)成熟和適合垂直起降要求的旋翼無(wú)人機(jī)可以完成搜索目標(biāo)和投遞物資的任務(wù)。使用無(wú)人設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)海救援有定位、通信、能源供給等難題。項(xiàng)目針對(duì)性為了能更好的控制搜救設(shè)備以及確定救援區(qū)域的精確位置，遠(yuǎn)海救援時(shí)需要使用定位系統(tǒng)，時(shí)時(shí)把握搜索設(shè)備和救援設(shè)備的位置。目前常用的衛(wèi)星定位以接收來(lái)自多個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的信號(hào)，并使用這些信號(hào)來(lái)計(jì)算位置。這增加了定位的可靠性和準(zhǔn)確性，并提高了在較差的信號(hào)條件下的性能。通過(guò)使用不同的頻段的信號(hào)也可以提高抗干擾的魯棒性。為了能實(shí)現(xiàn)更好的定位，無(wú)人艇、無(wú)人機(jī)和救援設(shè)備可以使用多頻GNSS模塊，這樣能同時(shí)接收從多個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)目前海上通信方式常用的有甚高頻通信（VHF）和衛(wèi)星通信。但是甚高頻通信距離有限，在30海里左右，在信號(hào)覆蓋不到以及船舶稀疏的遠(yuǎn)海的有海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)。但是海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)安裝和使用費(fèi)用較高，簡(jiǎn)單通信服務(wù)就只提供電話、電報(bào)、傳真等方式，對(duì)于遠(yuǎn)海控制使用不便。已經(jīng)得到術(shù)在使用時(shí)不受地形和距離等因素的影響，能夠傳輸文字、影像或音頻等不同類(lèi)型的信息，加上其天線口徑相對(duì)較小的優(yōu)點(diǎn)，使得其在進(jìn)行信息傳輸?shù)倪^(guò)程兩個(gè)頻段切換和快速頻點(diǎn)調(diào)整技術(shù)來(lái)規(guī)避無(wú)線干擾[13]。若未來(lái)進(jìn)行項(xiàng)目合作，航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽圖2-62.4GHz無(wú)線電臺(tái)[12]人艇、無(wú)人機(jī)、救援設(shè)備之間通過(guò)2.4GHz搜救過(guò)程中救助船可以為無(wú)人艇提供長(zhǎng)續(xù)航支持，而無(wú)人艇可以為無(wú)人機(jī)和救援設(shè)備提供長(zhǎng)續(xù)航支持。在長(zhǎng)距離救援中，救助船可以給無(wú)人艇提供能源補(bǔ)充。在無(wú)人艇上也裝備無(wú)人充電裝置，該裝置在收納無(wú)人機(jī)和救援設(shè)備的同有時(shí)大浪情況下，單個(gè)救援設(shè)備有被掀翻的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)落水人員較多且集中一個(gè)“回”形水上支持平臺(tái)。使用拼接平臺(tái)擴(kuò)大面積，不僅可以暫時(shí)提供更大的支持平臺(tái)，也可以提供更大的抗扭力矩，減小單個(gè)救援設(shè)備容易受浪傾翻的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)每個(gè)救援設(shè)備都裝備有漂浮板，可供拆卸使用，以便更好地應(yīng)對(duì)風(fēng)浪航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽圖2-7拼接示意圖拼接有兩種形式，可以在空中拼接也可以在水上拼接。在空中，可以控制運(yùn)送無(wú)人機(jī)兩兩靠近，形成“回”形后開(kāi)啟救援設(shè)備的電磁裝置形成連接。在水中，直接控制救援設(shè)備在水中移動(dòng)，靠近后開(kāi)啟電磁裝置。浪大時(shí)可考慮空中拼接方式采用的是電磁吸引。電磁吸引方式簡(jiǎn)單，沒(méi)有復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在技術(shù)的提升，小的電磁鐵也可以提供大的吸引力。目前部分直流電磁鐵提力。較大的電磁吸引力可以使拼接平臺(tái)不易被風(fēng)浪拆散。為了形成環(huán)形拼接，救援設(shè)備是一側(cè)電磁鐵，一側(cè)鐵塊。在水中使用電磁鐵還要注重防水密封的設(shè)圖2-8電磁鐵及其尺寸[14]同時(shí)，為應(yīng)對(duì)大風(fēng)，搜索無(wú)人機(jī)和運(yùn)送無(wú)人機(jī)都選擇抗風(fēng)等級(jí)強(qiáng)的無(wú)人機(jī)。為了能更好地完成自主海上搜救系統(tǒng)的工作目標(biāo)，需要進(jìn)行一些修改設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。主要完成的目標(biāo)的有：運(yùn)送無(wú)人機(jī)可攜帶救援設(shè)備，救援設(shè)備有多項(xiàng)救助功能，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)和救援設(shè)備的靈活收納與充電，協(xié)同廣范圍無(wú)人機(jī)修改主要針對(duì)的是運(yùn)送無(wú)人機(jī)，使其能攜帶救援設(shè)備和更好的充電。運(yùn)送無(wú)人機(jī)以工業(yè)無(wú)人機(jī)為藍(lán)本進(jìn)行修改。它裝備有攝像頭、定位、紅外等傳感器，可用于目標(biāo)識(shí)別和位置定位。相較于傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)，運(yùn)送無(wú)人機(jī)示意圖帶運(yùn)送救援設(shè)備。運(yùn)送無(wú)人機(jī)支架兩側(cè)腳的位置是電磁裝置，使用電磁鐵配合裝置的復(fù)雜程度，使用電磁裝置來(lái)做銜接裝置?？梢允褂蒙衔慕榻B的電磁鐵，圖2-9運(yùn)送無(wú)人機(jī)示意圖運(yùn)送無(wú)人機(jī)支架四個(gè)腿的位置各有一個(gè)矩形充電塊，配合充電裝置，以便搜索無(wú)人機(jī)可以使用現(xiàn)有的抗風(fēng)等級(jí)強(qiáng)的航拍無(wú)人機(jī)，同運(yùn)送無(wú)人機(jī)一樣救援設(shè)備是全新的設(shè)計(jì)，結(jié)合了海上劃水漿板和水上機(jī)器人的特點(diǎn)。救援航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽圖2-10救援設(shè)備的示意圖圖2-11救援設(shè)備的投影視圖航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽圖2-12救援設(shè)備的說(shuō)明示意圖1圖2-13救援設(shè)備的說(shuō)明示意圖2表2-1救援設(shè)備說(shuō)明表圖序號(hào)名稱組成、特點(diǎn)、作用a板子角度說(shuō)明45度角，便于四個(gè)救援設(shè)備拼接成“回”b電磁鐵電磁鐵與另一個(gè)設(shè)備鐵塊作用吸引c把手d左右主板使用環(huán)氧板，提供浮力，輕便耐用e側(cè)翼鐵塊鐵塊與另一個(gè)設(shè)備的電磁鐵作用吸引f物資盒應(yīng)急物資盒，里面可裝水、毛巾等物資g漂浮板使用救生衣等漂浮材料，可拆卸供人應(yīng)急h上側(cè)鐵塊作為運(yùn)送無(wú)人機(jī)吸引銜接部分，電磁吸引i鐵罩預(yù)防人們身體接觸推進(jìn)電機(jī)造成傷害j電源和控制器密封、防水圖2-10a傳感器及通信前后兩攝像頭、紅外、定位、語(yǔ)音等設(shè)備b推進(jìn)電機(jī)使設(shè)備整體可以在水上平面運(yùn)動(dòng)c充電裝置無(wú)線感應(yīng)充電救援設(shè)備結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)如上所示。它可以提供落水人員的水上支持平臺(tái)，也可以攜帶人員運(yùn)動(dòng)，同時(shí)提供了救援應(yīng)急物資以及應(yīng)急漂浮物。整體結(jié)構(gòu)又可以進(jìn)行集群拼接，增大平臺(tái)面積，和抗擊風(fēng)浪扭矩。搭配無(wú)線感應(yīng)充電，又可航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽以靈活的進(jìn)行充電續(xù)航。使用語(yǔ)音設(shè)備，能及時(shí)制導(dǎo)落水人員進(jìn)行應(yīng)急措施，無(wú)人充電裝置也可以說(shuō)是救援設(shè)備和無(wú)人機(jī)的機(jī)庫(kù)，在容納救援設(shè)備和無(wú)人機(jī)的同時(shí)可以做到無(wú)人充電。設(shè)計(jì)參考目前市面上的無(wú)人機(jī)充電平臺(tái)，主要充換電平臺(tái)可以自主為無(wú)人機(jī)更換電池，或者進(jìn)行充電。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無(wú)人充電裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)有無(wú)線充電平臺(tái)、直聯(lián)充電平臺(tái)、升降平臺(tái)等裝置。無(wú)人充電圖2-14一種無(wú)人機(jī)充電平臺(tái)航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽圖2-15無(wú)人充電裝置示意圖救援設(shè)備和運(yùn)送無(wú)人機(jī)按照“回”形排布可收入于充電裝置中。這個(gè)裝置可以搭載于無(wú)人艇上，可以用于續(xù)航和存儲(chǔ)救援設(shè)備和運(yùn)送無(wú)人機(jī)作用。組合容納救航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽圖2-16組合容納救援設(shè)備和運(yùn)送無(wú)人機(jī)效果圖感應(yīng)裝置，可以為救援設(shè)備進(jìn)行無(wú)線感應(yīng)充電。環(huán)繞圓柱無(wú)線感應(yīng)裝置設(shè)計(jì)有U形升降臺(tái)，可以支持救援設(shè)備、運(yùn)送無(wú)人機(jī)在充電裝置中升降，達(dá)到釋放和收納的功能。在充電裝置中心柱四側(cè)有T形充電裝置，通過(guò)對(duì)救援設(shè)備使用無(wú)線充電，防止有水造成電路短路。對(duì)無(wú)人機(jī)使用直聯(lián)充圖2-17無(wú)人充電裝置細(xì)節(jié)圖圖2-18無(wú)人充電效果圖無(wú)人充電裝置的設(shè)計(jì)在滿足救援設(shè)備和運(yùn)送無(wú)人機(jī)收納的同時(shí)也滿足了充圖2-19搜索隊(duì)形效果圖集群的隊(duì)形可以被視為智能體之間相對(duì)距離或角度的表示。在本方案中，無(wú)人艇為參考原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，垂直海平面方向?yàn)閦軸方向，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤軸圖2-20坐標(biāo)系示意圖?3 ?3 ]對(duì)于集群的運(yùn)動(dòng)控制，有集中式和分布式兩種控制方法，集中式算法將所有決策集中在一個(gè)中央控制器上，而分布式方法允許無(wú)人艇和無(wú)人機(jī)進(jìn)行本地決策并進(jìn)行協(xié)作，具有較高的可靠性和更低的通信負(fù)載。為保持各智能體之間航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽的相對(duì)位置和速度的一致，選擇分布式方法中的一致性算法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。該控制方法的目標(biāo)是讓編隊(duì)內(nèi)部的所有智能體的狀態(tài)保持一致。在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中是每一個(gè)智能體都可以與自己的“鄰居”進(jìn)溝通。在綜合考慮本機(jī)和“鄰居”i(t)=?∑=1aij(t)(yi(t)?yj(t))，控制圖的鄰接矩陣的（i,j）元。圖2-21通信拓?fù)鋱D10110111011011001110010000111北為x軸，西為y軸。以第i架四旋翼無(wú)人機(jī)模型的x軸方向?yàn)槔?，將子系統(tǒng)模型表示如下式。航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽考慮定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的通信延遲為τ的編隊(duì)問(wèn)題，子系統(tǒng)（2-5）的連續(xù)時(shí)間uc,x,i(t)=k1∑=1aij{[pj,x(t?τ)?pj,d(t?τ)]c,x,i(t)表示第i架四旋翼無(wú)人機(jī)的一致性控制協(xié)議；k1表示一致性控制協(xié)議的增益并且滿足k1＞0；pi,x和pj,x分別表示第i和第j架四旋翼無(wú)人機(jī)在x軸方向的實(shí)時(shí)位置；pi,d和pj,d分別表示第i和第j架四旋翼在x軸方向的期望的位為避免搜索過(guò)程中發(fā)生碰撞，本方案選用人工勢(shì)場(chǎng)法對(duì)集群進(jìn)行避障算法控制方法，通常用于機(jī)器人和無(wú)人機(jī)的自主導(dǎo)航和避障。其基本思想是將機(jī)器人視為運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)，將目標(biāo)的吸引力和障礙物的斥力轉(zhuǎn)換為對(duì)運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的勢(shì)場(chǎng)，并利用勢(shì)場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和避障。在智能體避障場(chǎng)景中，APF可以將智能體與目標(biāo)之間的距離和方向建模為目標(biāo)吸引力場(chǎng)，將無(wú)人機(jī)與障礙物之間的距離建模為障礙物斥力場(chǎng)，然后在兩個(gè)勢(shì)場(chǎng)之間計(jì)算無(wú)人機(jī)的速u(mài)it(xi)=0.5ap2(xi,xt)uik(xi)={.5β(p(xxk)?pkax)2it(xi)表示目標(biāo)點(diǎn)t對(duì)無(wú)人機(jī)i引力場(chǎng)函數(shù)，根據(jù)其定義可知當(dāng)無(wú)人機(jī)距斥力越大，而當(dāng)無(wú)人機(jī)不在障礙物的影響范圍內(nèi)時(shí)，所受到的斥力為0，a和β人機(jī)i的最大影響范圍。在該場(chǎng)景中，障礙物的斥力場(chǎng)可以阻止飛行器飛向障礙物，而目標(biāo)的吸引力場(chǎng)可以引導(dǎo)飛行器朝著目標(biāo)方向飛行，合力方向?yàn)闊o(wú)人機(jī)當(dāng)前時(shí)刻速度方向。 航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽圖2-22人工勢(shì)場(chǎng)法示意圖面積為無(wú)人協(xié)同系統(tǒng)的最大視野范圍，按圖所示路線可以較高的效率對(duì)該海域圖2-23搜尋路線示意圖若是提前知道救援目標(biāo)位置，可以直接直線控制達(dá)到目標(biāo)區(qū)域展開(kāi)救援。除了派出一組設(shè)備外還可以派出多組無(wú)人搜救系統(tǒng)進(jìn)行多方位、廣海域搜救。每個(gè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)一片海域，無(wú)人船載著無(wú)人機(jī)到達(dá)該海域后，無(wú)人機(jī)起飛，每架航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽圖2-24多組無(wú)人搜救系統(tǒng)搜救示意信息融合技術(shù)是使多設(shè)備探測(cè)到的信息可供后續(xù)決策使用的基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)多個(gè)設(shè)備的探測(cè)信息進(jìn)行綜合處理，消除多節(jié)點(diǎn)探測(cè)信息之間可能存在的冗余在應(yīng)急救援中救援目標(biāo)的存在與否等檢測(cè)問(wèn)題均可歸類(lèi)為二元假設(shè)檢驗(yàn)問(wèn)題，可以用H0和H1代表救援目標(biāo)不存在和存在兩種情況。通過(guò)多設(shè)備采集救援信息，比如目標(biāo)的攝像視覺(jué)信息、目標(biāo)的紅外信號(hào)信息等，綜合計(jì)算提升準(zhǔn)確應(yīng)急搜尋信息處理過(guò)程由原始數(shù)據(jù)采集、特征提取、融合、判決以及估計(jì)等基本的步驟組成。按照融合步驟所處的階段或所處理信息的抽象程度的不同，可以將信息融合劃分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合等三個(gè)層級(jí)，在尋場(chǎng)景;隨著傳輸數(shù)據(jù)量的上升，數(shù)據(jù)層融合準(zhǔn)確性逐漸升高[16]。本設(shè)計(jì)采用數(shù) 基于原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)層融合指各設(shè)備節(jié)點(diǎn)信息不經(jīng)過(guò)特征提取和判決等過(guò)程，直接處理后做最終信息判決，設(shè)計(jì)采用線性加權(quán)法進(jìn)行數(shù)據(jù)層融合，iyi1?n。取Y為判斷閾值，當(dāng)yg>Y時(shí)，可判定救援目標(biāo)存在，這樣對(duì)多個(gè)搜索設(shè)備系統(tǒng)主要改進(jìn)和創(chuàng)新的設(shè)備有無(wú)人艇、搜索無(wú)人機(jī)、運(yùn)送無(wú)人機(jī)、救援設(shè)表2-2主要設(shè)備匯總表設(shè)備主要部分或裝置無(wú)人艇艇，VAST衛(wèi)星通信裝置，2.4GHz無(wú)線電臺(tái)，無(wú)人充電裝置搜索無(wú)人機(jī)航拍無(wú)人機(jī)運(yùn)送無(wú)人機(jī)工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)、電磁裝置救援設(shè)備各部分見(jiàn)表2-1除了救援設(shè)備是全新的設(shè)計(jì)之外，其他設(shè)備都是利用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。而各設(shè)備的裝置都是使用現(xiàn)有的成型裝置。救援設(shè)備的設(shè)計(jì)也都考慮了裝置組項(xiàng)目設(shè)立除了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還要進(jìn)行系統(tǒng)產(chǎn)品的價(jià)格預(yù)算。其中，無(wú)人艇和充電裝置可以由無(wú)人船技術(shù)和無(wú)人機(jī)充電平臺(tái)技術(shù)進(jìn)行制作，由于是新興技術(shù)，管理部門(mén)也眾多，先不做預(yù)算分析。方案預(yù)算先從有現(xiàn)成產(chǎn)品和易于改裝、制行方案可行性分析，整體方案設(shè)計(jì)可行性在2.3.3搜索無(wú)人機(jī)承擔(dān)長(zhǎng)時(shí)間海上搜尋工作，因此需要具備續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、抗風(fēng)性強(qiáng)、防水性高、可搭載攝像設(shè)備等功能。根據(jù)市面上已有的無(wú)人機(jī)性能，給出表2-3搜索無(wú)人機(jī)名稱續(xù)航（min）抗風(fēng)等級(jí)防水等級(jí)價(jià)格航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽DJIMatrice200SeriesV2約40639999DJIMatrice300RTK約55681200PowerVisionPowerEggX約3059985約40813299運(yùn)送無(wú)人機(jī)主體采用工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)，要有一定的載重能力和抗風(fēng)能力，有表2-4工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)名稱續(xù)航抗風(fēng)等級(jí)載重價(jià)格FreeflyAlta-X約50515.9115299亦航智能YH-116約5062057000科拓夢(mèng)E612約45328800運(yùn)輸用工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)價(jià)格因質(zhì)量、抗風(fēng)等級(jí)、載重、是否進(jìn)口等因素，使得不同無(wú)人機(jī)價(jià)格差異較大。若要面對(duì)大風(fēng)浪救援，就要應(yīng)對(duì)大風(fēng)天氣，注重除了無(wú)人機(jī)，還要進(jìn)行改進(jìn)，加裝電磁裝置。市面的直流電磁裝置相對(duì)便因此，為打造一款可電磁攜帶救援設(shè)備、有一定抗風(fēng)能力的運(yùn)送無(wú)人機(jī)需救援設(shè)備預(yù)算涉及的部分和裝置比較多，需要進(jìn)行綜合考慮和匯總，以先準(zhǔn)備主要的、大額的部分進(jìn)行預(yù)算，包括：救援設(shè)備主體的左右主板、進(jìn)行拼為救援設(shè)備提供主要浮力和擔(dān)任設(shè)備主體的左右主板，參考劃水、沖浪使用的漿板制作。漿板使用的是環(huán)氧板，考慮到使用環(huán)氧板做設(shè)備需要加工，左圖2-25藍(lán)科970元海上劃水漿板表2-5一些推進(jìn)電機(jī)的性能及價(jià)格品牌工作電壓最大電流最大推力價(jià)格HYDROCEAN10-20V23A7.1kgSPEEDINGRC11.1-25.2V7.5kgFATJAY：KYI-8ET12-25.2V23.4A8.6kgFATJAY：KYI-30T-H12-50.2V38.2A30.4kg2499元1個(gè)FATJAY：KTI-15T-30T-E24-50V38.4A30kg2800元1個(gè)圖2-26漂浮板表2-6漂浮板價(jià)格表WATERTIME圖2-27可定制鋰電池組表2-7不同容量電池價(jià)格表48V19.2AH48V28.8AH充電裝置，設(shè)置的是無(wú)線充電，需要搭配無(wú)線充電模組。為更快地充電，圖2-28100W無(wú)線充電模組表2-8一些充電模組價(jià)格救援設(shè)備設(shè)計(jì)使用的是2.4GHz無(wú)線電表2-9救援設(shè)備各裝置價(jià)格匯總表134航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽2111這樣救援設(shè)備質(zhì)量至少16kg?？紤]到救援設(shè)備重量，可以使用亦航智能YH-綜上，一臺(tái)搜索無(wú)人機(jī)的預(yù)算為13500元，一臺(tái)運(yùn)送無(wú)人機(jī)的預(yù)算為項(xiàng)目針對(duì)的是遠(yuǎn)海域救援，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要滿足遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)時(shí)間、廣范圍搜表2-10方案設(shè)計(jì)可行性分析表4、自主設(shè)計(jì)的救援設(shè)備有更長(zhǎng)的翼展抗風(fēng)浪的航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽通過(guò)可行性分析，項(xiàng)目設(shè)計(jì)可以滿足遠(yuǎn)海域救援需求，在技術(shù)層面，通過(guò)改進(jìn)、融合和仿真，可以在一定程度達(dá)到應(yīng)用需求，在預(yù)算方面也可以通過(guò)優(yōu)項(xiàng)目設(shè)計(jì)可針對(duì)多個(gè)場(chǎng)景，展開(kāi)?？諈f(xié)同搜救。無(wú)論是船舶意外事故還是有人意外落水，都可以使用該設(shè)計(jì)展開(kāi)前期快速搜救。該設(shè)計(jì)充分利用了船和無(wú)人機(jī)的配合，不僅可以應(yīng)對(duì)生活意外事故搜救，也可以應(yīng)對(duì)戰(zhàn)時(shí)突發(fā)狀況的故或有人落海時(shí)，派出救助船后，救援團(tuán)隊(duì)可控制無(wú)人艇攜帶無(wú)人機(jī)和救援設(shè)人搜救。為延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)搜救時(shí)間，無(wú)人艇搭配了無(wú)人充電裝置，隨時(shí)為無(wú)人機(jī)搜救提供了有力保障。在軍用上，若在敵我戰(zhàn)機(jī)對(duì)戰(zhàn)后有墜機(jī)人員落于海上，該系統(tǒng)各個(gè)部分聯(lián)合使用可以提供長(zhǎng)續(xù)航遠(yuǎn)海救援，對(duì)于近海或者湖泊事艇的條件下，可以單獨(dú)操縱救援設(shè)備作為水上救援機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到落水人員附近，海上行駛船舶，有時(shí)船員可能因?yàn)榇瑩u擺、海水沖刷甲板或其他意外而落海。應(yīng)對(duì)行駛船舶上落水人員的救援，可以單獨(dú)操作運(yùn)送無(wú)人機(jī)攜帶救援設(shè)備航空創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽迅速進(jìn)行救援設(shè)備投遞。該方法操作靈活，迅捷方便，可快速直達(dá)落水區(qū)域。在軍用上，在船舶護(hù)航行程中或者遠(yuǎn)洋巡航中，若有乘員落水，可以做應(yīng)急救設(shè)計(jì)的救援設(shè)備可以提供水上支持平臺(tái)。面對(duì)風(fēng)浪情況，單個(gè)救援設(shè)備容易被浪掀翻，設(shè)計(jì)的可電磁吸引的拼接救援設(shè)備，可以適時(shí)拼接，擴(kuò)大水上支持平臺(tái)范圍和面積。利用強(qiáng)磁吸引拼接，在一定程度上防止了平臺(tái)被浪拆散的系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用無(wú)人艇、無(wú)人機(jī)集群式的協(xié)同搜救，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)位置的援更多的人。救援設(shè)備也可以為落水人員裝備了救援物資，并且可以發(fā)送位置結(jié)合現(xiàn)有的?？账丫润w系，我們團(tuán)隊(duì)針對(duì)遠(yuǎn)海域、大浪、迅速展開(kāi)前期搜救等情形，基于水面快速反應(yīng)、船機(jī)配合現(xiàn)代化救援方式，設(shè)計(jì)了救援團(tuán)隊(duì)、救助船、無(wú)人艇、無(wú)人機(jī)、多功能