专业赛赛事规则及要求

1. 赛事背景

专业赛作为2021年全国水下机器人大赛的高端技术赛,通过赛事遴选与引领优秀人才、团队及技术项目,助力创新人才探索基础科学和前沿核心技术,推进技术向产业赋能,牵引海洋智能装备技术和水下通信技术发展。

本届专业赛的比赛设备是自主水下航行器(AUV)。AUV作为智能水下机器人的一个种类,是一个复杂的系统,集成了水下通信、人工智能、水下目标探测与识别、数据融合、智能控制以及组合导航等各子系统,是一个可以在复杂海洋环境中执行各种军用和民用任务的智能化无人作业平台,涉及广泛的技术领域,包括通信、机械电子工程、智能控制技术、多传感器信息融合、计算机图形学、人工智能、机器人学等。大赛响应国家海洋强国和“一带一路”战略,主要针对海洋国防、海洋资源开采、海产养殖、海洋环境监测、海上防险救生等海洋应用需求,推动水下机器人技术和水下通信技术发展,在真实开放的海洋环境条件下对水下机器人作业性能和水下通信性能进行评测,考察水下机器人水下通信、精准巡航与智能作业等关键技术与设备的研发与应用能力。

2. 竞赛项目

本次专业赛为单航行器水下比赛,比赛载体为自主水下航行器(AUV)。比赛设置水下通信、水下精准导航定位和水下目标探测等三个竞赛项目。

3. 参赛航行器要求

3.1. 参赛单体航行器要求

参加比赛的水下航行器(AUV)空气中重量不超过300公斤,其它方面不做限制。

3.2. 能源要求

参赛航行器使用内部配备的电池作为能源,并报备电池容量、额定功率、额定电压、额定电流、充电电压、充电功率、充电时长、有无BMS、有无过充保护等信息。

3.3. 自主性要求

(1)在比赛过程中,参赛航行器必须设置为自主控制工作状态。

(2)自主工作状态定义为:在比赛过程中,参赛航行器按预设程序运行;参赛航行器操作员仅可通过竞赛测评系统监视比赛航行器运行情况;参赛航行器操作员不得在规定外使用无线通信、有线通信等链路对参加比赛的航行器进行控制。

3.4. 安全性要求

(1)参赛队对参赛航行器自身安全负责。

(2)参赛航行器应设有紧急上浮功能,能够自检测航行器航行状态,在航行器航行处于异常航行状态时可实现航行器紧急上浮。

(3)参赛航行器可设置单次任务水下最长航行时间,超过科目规定时间上限时,无论是否完成比赛均需紧急上浮。

(4)参赛航行器外部如螺旋桨、载荷等重要部件,应妥善保护。

(5)参赛航行器应自备艇架、吊具、索具等设备;若需使用组委会提供的吊机进行转运时,需提前一周向组委会提出详细需求并申请。

(6)在参赛航行器拖曳、起吊等各类操作过程中,参赛航行器技术人员必须全程参与,并对参赛航行器采取必要的防护措施,以防损伤。

3.5. 其他要求

(1)参赛航行器最大工作深度应不低于 50 米。

(2)参赛航行器应具备搭载组委会统一提供的外挂式合作信标的能力,规格尺寸见附件1。

(3)参赛航行器必须涂装颜色鲜明,具备醒目标识,表明参赛单位、艇型等信息;航行器醒目位置应留有空间供张贴赛事标识或悬挂赛事旗帜,便于赛事期间统一管理。

(4)参赛队自备航行器电源充电器以及转接接口设备、备用电池等。

4. 项目设定

4.1. 性能测试

4.1.1. 赛前适配性训练

参赛前,参赛航行器可在检录码头附近的比赛区域,如下图所示,开展赛前适配性训练。各赛队仅提供一次适配性训练机会,时长约20分钟。

图1 专业赛比赛水域示意图

4.1.2. 航行安全性测试

各赛队航行安全性测试结合赛前适配性训练同步开展,各参赛航行器在进入测试区15分钟内自主完成航行安全展示(不低于10分钟),并从指定出场区上浮。

4.2. 比赛科目

4.2.1. 情景设定

如图1所示,在150m×100m范围的任务水域内随机布置若干个水中目标物(具体数量赛前不提供,可提供目标物形状种类,如球型或矩形等类型目标物形状),每个目标物尺寸大小、外观形状等可以彼此差异。任务区域内布置一个打卡点(给定经纬度坐标)。水域入场区布置水面门(由两个间距6m的水面浮漂物组成),任务水域边界点A和D组成下潜线,水域出场区为上浮区。


4.2.2. 基本流程

参赛AUV经入场区水面布放,待现场裁判下达“开始”口令后,AUV出发并在水面上经过水面门后在下潜线附近完成下潜动作,AUV在任务水域内自主进行路径规划完成水中目标物探测及打卡点打卡两个任务,并实时汇报探测到的目标物的坐标及打卡点坐标等信息,以及AUV本体的GPS位置信息。待全部遍历完任务水域后驶出任务区域,浮出水面后最终完成科目比赛。

4.2.3. 术语定义

(1)“完成目标物探测”是指:在航行过程中,AUV至少能提供目标物的经纬度坐标,且误差在以目标物真实经纬度坐标为圆心半径15米范围以内,并提供带有时间戳的声学或者光学图像进行佐证。

(2)“穿过水面门”是指:AUV水面航行时从两段水面浮漂杆之间穿过。

(3)“水面门”是指:浮于水面上的两段间隔宽度为6米的浮漂物。

(4)“上浮区”是指:浮于水面上的两段间隔宽度为30米,长度为15米的两互相平行的浮漂物之间围成的区域。

(5)“AUV本体GPS信息实时上传”是指:AUV在水下作业时通过无线通信方式实时上传AUV本体的GPS信息等给上位机,上位机可以实时接收并显示相关信息。

(6)“目标物信息实时上传”是指:AUV通过搭载的声学设备或光学设备探测到水底目标物,并通过水下无线通信方式将目标物位置坐标等信息上报给上位机,上位机可以实时接收并显示相关信息。AUV完赛后60分钟内向裁判组提供带有时间戳的佐证材料。

(7)“完成打卡点打卡”是指:裁判系统显示AUV航行轨迹与以打卡点坐标为圆心半径15米范围以内区域有重合。

(8)“实时上报打卡点坐标”是指:AUV航行至指定打卡坐标为圆心,半径15米的圆形区域内时,上报至少一条抵达打卡点信息至上位机,上位机可以实时接收并显示相关信息。同时依据裁判系统评判上报信息时刻AUV是否正航行在该打卡区域。

5. 赛前提供信息清单

(1)赛场水域边界坐标、入场区边界坐标

(2)赛区水深范围、水下能见度

(3)水底目标物尺寸及形状、离水面距离高度,目标物的总数量不提供

(4)水面门几何中心经纬度坐标,水面门方向

(5)水面门到下潜线的距离

(6)上浮区(出场区)边界坐标

6. 评定规则

6.1. 考核指标

(1)水下巡航

(2)抵达打卡点

(3)成功探测到目标物个数

(4)水下通信能力

6.2. 评分规则

6.2.1比赛准备

比赛前准备时间为10分钟,超时未能准备好则结束比赛,成绩无效。

6.2.2比赛要求

参赛队准备好之后,参赛队队长告知裁判,裁判下达“开始”口令后,开始比赛计时,比赛时间为30分钟,裁判下达“开始”口令时刻开始计时,AUV浮出水面时刻结束计时。若AUV在超过5分钟后仍未下潜,则结束比赛,成绩无效;若AUV水下航行时间小于5分钟,则成绩无效;若AUV在超过30分钟后仍然没有上浮,则成绩无效。

6.2.3评分标准

设置如下8个累计得分项,具体见表1所示。特别要求:冠军总得分最高且必须至少发现1个水中目标,且判读位置误差<10m。

表1评分标准表

序号

指标种类

评分方法

判定规则

1

水下巡航

AUV在水面上航行通过水面门并在下潜线附近完成下潜,在水下航行时间不少于10分钟,并在30分钟内浮出水面,可加100分;若从指定上浮区浮出水面,可另加100分。

完成所有指定动作。

2

到达水下打卡点(非实时上报)

航行器轨迹坐标落在以打卡点为圆心,R≤15米的区域获得加分。落在R≤5米区域加100分,落在5<R≤15米的区域加50分。

外测轨迹与以打卡点坐标为中心一定半径范围内存在重合区域。

3

到达水下打卡点(实时上报)

航行器轨迹坐标落在以打卡点为圆心,R≤15米的区域获得加分。落在R≤5米区域的加200分,落在5<R≤15米的区域加100分。

实时传回上位机的航行器坐标,与打卡点实际位置范围存在重合区域。实际位置范围以打卡点坐标为中心一定半径范围的区域。

4

实时水下无线通信能力

1. 入水期间,上位机未能收到有效航行器本体坐标,则不得分;

2. 入水期间,平均每分钟收发有效航行器本体坐标越多,得分越高;

2.第一名得分200,后续排名依次递减10分。

航行器下潜开始计时,浮出水面结束计时,计时期间平均每分钟上位机收到有效航行器本体坐标个数。参赛队向裁判提供带有时间戳的坐标信息。实时上报的打卡点坐标和探测到水底目标物坐标也计为有效个数。

5

完成海底目标探测个数(实时上传)

1.探测个数越多,得分越高;

2.自主探测并实时传回,每多探测一个目标,加分200分。

 

航行器探测的目标坐标在有效探测范围内,并实时传回上位机,则视为完成目标探测。

6

完成海底目标探测个数(自主探测)

1.探测个数越多,得分越高;

2.自主探测,每多探测一个目标,加分150分。

 

航行器探测的目标坐标在有效探测范围内 ,并在目标上方做出明显轨迹动作,或提供自主探测佐证材料,则视为完成目标探测。

7

完成海底目标探测个数(非自主)

1.探测个数越多,得分越高;

2. 每多探测一个目标,加100分。

航行器驶出比赛区域后60分钟内向裁判组提供的目标坐标在有效探测范围内,则视为完成目标探测。

8

重量得分

1.重量越轻,得分越高;

2.重量最轻的航行器加1分,最重的加0分,重量处中间的按等比1/n分。

裁判统一对航行器称重。n为总参赛航行器数量。




6.3. 测评条件

(1) 航行器搭载合作信标,通过竞赛测评系统实时采集航行器坐标、深度等信息

(2) 赛场有外测系统经纬度校准点,赛队可对自身航行器经纬度信息进行校核。


6.4. 数据来源

根据实际测评条件,各考核指标数据来源如表所示

序号

考核指标

数据来源

计算方法

1

打卡点精度偏差

竞赛测评系统

6.5.1

2

完成目标探测个数

竞赛测评系统

6.5.2

3

实时水下无线通信能力

竞赛测评系统

6.5.3

6.5. 计算方法

6.5.1. 打卡点精度偏差

针对航行器的实际航迹,与目标坐标点最近的直线距离视为打卡点探测精度偏差。如图2所示

图2精度偏差示意图

6.5.2. 完成目标探测个数

参赛队提供的目标坐标在有效探测范围内,则视为完成目标探测,目标探测个数计算方法如下:



式中,表示航行器完成第i个目标探测的结果,成功探测目标则=1,反之则为0。

有效探测范围如图3:

图3有效探测范围示意图

6.5.3. 实时水下无线通信能力

裁判跟参赛队一起,监控岸基实时收到的AUV本体GPS坐标个数。水下实时通信能力是指平均每分钟收到AUV本体的GPS坐标个数K,计算方法如下:

K=N/T

式中,N表示航行器入水后,岸基收到总的AUV本体GPS坐标个数,T表示当次航行器入水时间,单位是分钟。

7. 技术环境搭建

(1)现场提供GPS基准点给参赛队校准;

(2)现场随机布放6-10个高87cm,直径68cm的铁桶到水面下1m的位置,如图4所示;

图4铁桶示意图

(3)做四根长10m,直径10cm的PVC管,一段加重物固定在水中,位于水面门两侧的位置,PVC管可露出水面,PVC管上涂黄色圆环状的油漆; 水面门如图5所示:

图5水面门示意图   

(4)做四根长10m,直径10cm的PVC管,一段加重物固定在水中,位于出水区的四个顶点。PVC管可露出水面,PVC管上涂黄色圆环状的油漆;出水区如图6所示:

图6出水区示意图

(5)下潜线做两根长10m,直径10cm的PVC管,一段加重物固定在水中,位于下潜线的两个顶点。PVC管可露出水面,PVC管上涂黄色圆环状的油漆;下潜线如图7所示:

图7下潜线示意图

(6)布置防护带,防止上浮区附近AUV失控撞向岸边。

8. 安全细则

(1)所有人员按照湛江市新冠防疫要求;

(2)组织赛前安全会议,加强人员、设备安全管理和培训,提高意识。如:海边人员安全和设备安全,及海边用电和室内用电安全;

(3)提前查看天气预报,合理安排赛队调试时间,避免现场调试遇到恶劣的天气。同时让会务公司准备应对恶劣天气的应急方案;

(4)比赛赛场安排潜水员水下垃圾检查及清理,尤其清理掉渔网;

(5)各个赛队有实验室专门的人跟踪,遇到紧急事件必须第一时间反馈给领导;

(6)距离比赛终点的岸边设置防护带,防止AUV失控撞向岸边时损坏设备;

(7)AUV下水前必须安装声信标追踪等辅助设备;

(8)AUV必须保证在解开安全绳之前已经执行验证过,而不是在修改AUV控制程序之后直接在解开安全绳的状态下首次执行,可考虑为选手增设一个测试水池;

(9)现场厕所必须清理干净,比赛和调试期间有人实时维护;

(10)配备药品和水,防止人员中暑;

(11)保障现场中午的饮食卫生。

附件1  合作信标初步技术方案

1、概述

图8信标外形图

该信标可通过向船载超短基线平台发送简单脉冲信号实现水下定位,具有典型的轻量化、小型化等特点,在小范围内定位精度优势突出。信标平行外挂与航行器壳体表面,无外部电缆连接,如图9所示。

图9信标安装示意图

2、基本指标

工作频率: Sonardyne MF (19-34 kHz)

深度: 500m

发射声源级:184dB

能源形式:无线充电锂电池

重量:不大于458g,水中重量:不大于140g

外形尺寸:圆柱体,直径不大于55mm,长度不大于154mm


*大赛组委会技术委员会有权对技术规则及要求进行调整,敬请及时关注!


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