一种基于虚拟现实的救援系统及方法与流程

本发明涉及深海救援，尤其涉及一种基于虚拟现实的救援系统及方法。

背景技术：

1、海洋的深海探测能够更深入了解地球生命的发展进程以及起源，还能够感知气候变化、改进地震预警等。载人潜水器的科学考察范围遍及全球大陆坡深水区、洋中脊、海山、海沟和洋盆等海底区域，获得了大量的深海地质、地球物理、生物、化学和环境方面的信息或样品，推动了深海科学的发展。目前，由于深海区对于潜水员来说，是完全未知的环境。潜水员的安全和潜水器的稳定运行难以得到保障。尤其是在深海的无光、低温、高压，光信号和声信号难以传播的特殊环境下，载人潜水器容易被困于深海。潜水员需要在有限的时间内完成大量的海底探测工作，容易误入海底深渊等特殊地形环境。目前，还没有针对载人潜水器在深海因海底地形被困后，进行的高效、快速的无人潜航器救援方案。

2、公开号为cn112946674a的专利公开了一种探测水下深洞的方法及水上救援机器人，用于解决现有的排涝救援无法及时定位水下深洞，进而无法疏通现有的排水管道进行自排水，存在疏通效率较低，作业量较大等技术问题，方法包括：控制水上救援机器人在水中行驶，获取水上救援机器人的激光测距仪采集的不同周期的激光测距数据；根据不同周期的激光测距数据，确定第一周期集合的激光测距数据的均值与第二周期集合的激光测距数据的均值之间的差值是否大于第一预设阈值；若大于第一预设阈值，则确定水上救援机器人的下方存在水下空洞，控制水上救援机器人停止行驶，并输出报警信息。

3、公开号为cn111830981a的专利公开了一种面向海事救援的无人立体化协同搜救平台，属于救援装备及工程应用领域，包括：智能船舶、无人机uav及水下潜器auv三大搜救模块。intve模块负责红外搜寻跟踪定位；uav模块负责搜索被救援人员，寻找最优路线，进行智能垂直补给；auv模块负责拍摄，规避水下风险以及抓取水下被救援物，并通过远程控制中心传输信号。

4、但是上述两个专利的缺陷在于，均未涉及关于深海救援的相关内容。由于当前无人潜航器的相关技术还处于理论阶段，在将其用于海上救援时，无人潜航器仅能用于水面海事救援或洪灾救援等浅水环境中。现有技术缺少深海水体对无人潜航器救援的影响以及救援如何开展的相关技术方案，没有相关成熟的技术方案使得现有技术中不存在采用无人潜航器进行深海救援的方法、装置和系统。同时，深海的特殊环境也导致难以派遣救援人员前往救援。无人潜航器用于深海救援是未来发展所必然的趋势。因此，本发明提供一种用于深海环境下救援的无人潜航器的救援系统及方法。

5、此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异：另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

技术实现思路

1、单一的无人潜航器所面临的深海区域被困载人潜水器的救援任务难度和复杂度较高，不能满足深海救援的需求。现有技术又缺少对多个无人潜航器的集群规划、任务规划、撤离路线规划以及引导规划等关键技术。因此，如何引导被困在深海区域中的载人潜水器前往安全水域以及如何通过若干无人潜航器的集群调度实现被困载人潜水器的快速救援，是本发明所要解决的技术问题。

2、被困载人潜水器的路线规划以及引导规划的搭建需要结合目标水域的具体地形地貌，现有技术中已经出现了结合无人深潜器对海底特定目标区域进行地形地貌探测分析的技术方案。例如，公开号为cn116643327a的专利文献公开了一种深海多层次海底资源精细原位探测装备系统的作业方法，基于深海声学探测器的复合型无人深潜器大范围扫测目标海域，即通过母船携带相关设备到达目标海域，将复合型无人深潜器布放于调查区域，复合型无人潜水器采用自主巡航、全自动作业，并基于其上的深海声学探测器以扫测调查水下的基本地形地貌。该技术方案根据复合型无人深潜器上深海激光雷达获得的精细化的探测数据，采用母船水面监测系统配备的三维激光雷达实时成像软件对深海三维激光雷达探测器产生的多个条带点云数据进行匹配和融合处理，构建深海局部资源环境的高精度三维空间模型。然而，该技术方案中通过独立的复合型无人深潜器只能实现对目标区域的依次探测，完成探测一片预定的区域后才能执行下一目标区域的水域环境探测，因此，该技术方案无法通过单次的无人深潜器下放过程完成目标水域环境信息的探测，由此无法及时根据探测信息建立相应的虚拟模型以用于对被困载人潜水器的快速救援。

3、针对现有技术之不足，本发明提供了一种基于虚拟现实的救援系统。系统包括至少一个无人潜航器和计算单元。安置在海上母船的无人潜航器与位于远处服务端的计算单元通信连接。在载人潜水器出现失联或载人潜水器发出求救信号之后，海上母船前往载人潜水器的被困水域以投放若干无人潜航器。若干无人潜航器获取水下的环境数据，以使得计算单元在虚拟空间中生成海底地形模型，计算单元基于海底地形模型来生成或调整若干无人潜航器的引导任务。与上述现有技术相比，本发明的无人潜航器能够根据其所获取的水下环境数据以用于构建海底地形的虚拟模型，同时还能够根据构建的海底地形虚拟模型来调整无人潜航器所执行的引导任务。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何通过无人潜航器快速构建目标区域的海底地形模型，并以此来实现对被困载人潜水器的快速定位，同时根据被困载人潜水器的定位信息通过无人潜航器调整进行安全撤离引导。此外，在上述情况下，计算单元的计算量会出现激增。在撤离路线、若干无人潜航器的每个救援任务规划以及虚拟空间的建立同时进行的情况下，计算单元对数据的处理效率降低，导致对被困载人潜水器的救援延误，也会导致若干无人潜航器的救援任务或请求不能实时反馈。计算单元的多类计算方法以及若干无人潜航器的集群管理是提高深海救援效率的有效手段，本发明的无人潜航器集群管理方案能够在实现对被困载人潜水器快速定位的同时，显著降低不同无人潜航器的数据计算需求，由此更进一步提高深海救援的识别以及引导撤离效率。因此，本发明的无人潜航器的集群规划以及计算单元在虚拟空间中的计算处理，在深海救援中能够发挥重要作用。

4、根据一种优选的实施方式，计算单元被配置为：基于至少一个无人潜航器发送的环境数据中获取的若干参数信息，以海上母船为原点构建虚拟空间中的与实际海底地形一致的海底地形模型。在虚拟空间中，其海底地形模型与实际海底地形是一致的。因此，在无人潜航器采集到足够多的环境数据的情况下，计算单元能够在虚拟空间的基础上高效率指挥若干无人潜航器进行救援。

5、根据一种优选的实施方式，在构建出海底地形模型的情况下，计算单元控制若干无人潜航器以分别抵近海底地形的方式高精度采集环境数据。由于在深海区域受到水深的干扰，无人潜航器所搭载的探测设备会因传播距离的增加导致其采集数据的分辨率降低，无法获取高精度的环境数据。对此，本发明控制若干无人潜航器前往不同的探测区域，并且以抵近海底的方式采集环境数据，并且搜寻被困载人潜水器。

6、根据一种优选的实施方式，海上母船携带若干无人潜航器前往被困水域之后，布放若干无人潜航器，若干无人潜航器通过自组网和集群控制构成救援协同集群以形成阵位。每一无人潜航器保持在可通联距离内以在自组网中进行水声通信。与上述现有技术相比，本发明的若干无人潜航器能够以阵位的方式将其自身作为救援协同集群的中间通信节点。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何提高不同无人潜航器执行不同遇险救援任务时的响应速度以及不同无人潜航器之间的通信稳定性。本发明通过自组网的方式使用若干无人潜航器以同时执行不同救援任务，提高救援效率。自组网的方式可以在更广泛的区域内进行搜索和救援，从而扩大救援范围。若干无人潜航器可以相互协作，共同完成任务，从而增强救援能力。本发明通过保持将每一无人潜航器在可通联距离内进行水声通信，可以确保通信的稳定性和可靠性，从而保证救援任务的顺利进行。进一步地，海底环境恶劣且复杂，极易对不同无人潜航器的通信质量造成影响，与常规的无人潜航器主要通过集中组网的方式与海上母船进行通信连接的方式不同，通过上述设置方式，本发明能够在不同的无人潜航器之间进行自组网以构建局部交互通信网络，并通过不同无人潜航器之间的局部交互通信方式来确保整体救援任务的顺利开展，在极大提升数据传输性能的同时，还可以很大程度上提高数据传输的可靠性。即便部分无人潜航器因中间通信节点故障而未接收到计算单元发送的相关控制指令时，也能够通过无人潜航器之间的通信连接实现控制指令数据的可靠传输并用于执行相应的救援任务。

7、根据一种优选的实施方式，在无人潜航器监测到被困载人潜水器的声谱的情况下，若干无人潜航器通过自组网向计算单元共享并反馈水下态势和环境数据。之所以通过若干无人潜航器的自组网向计算单元反馈，是因为此时无人潜航器距离计算单元较远，计算单元不能直接与无人潜航器进行数据交互。对此，本发明通过将若干无人潜航器以金字塔方式排布，通过顶端的无人潜航器与底端的无人潜航器的自组网，实现若干无人潜航器与计算单元的全局通信。

8、根据一种优选的实施方式，若干无人潜航器以定高的形式在海底进行测绘。计算单元基于获取的环境数据中的海底倾斜度的差异改变无人潜航器的测绘路径以进行全覆盖地形测绘。在无人潜航器测绘至海底的凸起山丘地形的情况下，无人潜航器以沿凸起山丘环绕的方式向凸起山丘最高点进行测绘，以实现无人潜航器对地形测绘的全覆盖。

9、根据一种优选的实施方式，若干无人潜航器以深海环境下组合定位的方式确定被困载人潜水器的所在位置，其中，计算单元被配置为：以海上母船为原点建立水面坐标系；以每一无人潜航器为原点建立自身坐标系；以水面坐标系为基础、以靠近水面的若干无人潜航器的自身坐标系为修正，对处于深海的若干无人潜航器进行定位校准。与上述现有技术相比，本发明的计算单元能够根据由不同原点构成的“双坐标系”来对确定被困载人潜水器的所在位置。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何对用于执行搜寻任务的若干无人潜航器的定位信息进行校准，以提高被困载人潜水器所在位置的定位准确性。具体地，处于深海的若干无人潜航器通过惯性导航设备和多普勒计程仪进行定位，并且通过计算单元在水面坐标系以及处于若干无人潜航器阵列顶端的无人潜航器的自身坐标进行校准，实现无人潜航器的精准定位。在获取到若干无人潜航器的精准定位的情况下，若无人潜航器搜寻到被困载人潜水器的位置，计算单元能够同步对被困载人潜水器进行定位。

10、根据一种优选的实施方式，计算单元对若干无人潜航器组成的集群发送引导任务，并且根据引导任务的复杂度、集群内无人潜航器的数量以及若干无人潜航器所在位置来对引导任务进行规划分配，使得集群中的每一无人潜航器能够以贴近自身条件的方式完成自身引导任务。本发明通过计算单元向集群发送引导任务，集群内每一无人潜航器之间进行不间断的信息交互以准确获取每一集群内个体的运动状态信息，由此应对深海环境下特殊的复杂性和不可预测性的问题。

11、本发明的另一方面涉及一种基于虚拟现实的救援方法，方法包括：将安置在海上母船的无人潜航器与位于远处服务端的计算单元通信连接；在载人潜水器出现失联或载人潜水器发出求救信号之后，控制海上母船前往载人潜水器的被困水域以投放若干无人潜航器，若干无人潜航器获取水下的环境数据，以使得计算单元在虚拟空间中生成海底地形模型；基于海底地形模型来生成或调整若干无人潜航器的引导任务。本发明的计算单元利用这些数据在虚拟空间中生成海底地形模型，为无人潜航器提供了对被困水域环境的准确感知，有助于制定更精确的救援计划。计算单元能够在虚拟环境中对救援任务进行仿真和预演，以优化任务执行方案，提高救援的成功率和效率。

12、根据一种优选的实施方式，对若干无人潜航器组成的集群发送引导任务，并且根据引导任务的复杂度、集群内无人潜航器的数量以及若干无人潜航器所在位置来对引导任务进行规划分配，使得集群中的每一无人潜航器能够以贴近自身条件的方式完成自身引导任务。本发明通过若干无人潜航器的集群，使得在集群中无人潜航器具备信息共享、任务协同的能力，解决单一无人潜航器救援效率有限的问题，是执行深海救援任务的有效方式。