CN109460035A - 一种无人艇高速状态下的二级自主避障系统及避障方法 - Google Patents

Abstract

一种无人艇高速状态下的二级自主避障系统及避障方法，提供了了一种设置在无人艇上的AIS设备、微波雷达、毫米波雷达、激光雷达、无人艇的嵌入式工程控制机和船体控制模块，以及分别利用AIS设备和微波雷达、毫米波雷达和激光雷达探测远距离和近距离的障碍物目标，并采用不同的避障方法的选择。本发明能够在保证无人艇安全行驶的前提下，减少无人艇因避障而带来的额外消耗，进而有效的提高无人艇的有效航速和航程，效果显著。

Description

一种无人艇高速状态下的二级自主避障系统及避障方法

技术领域

本发明涉及无人艇技术领域，尤其是一种无人艇避障系统，具体是一种无人艇在高速状态下的二级自主避障系统。

背景技术

近年来，随着无人设备技术的不断发展，无人艇作为主要用于水面工作的无人设备也有了很高的研究程度，国内外公司和科研机构相继研制出许多型号的无人艇，来应对各种方面的需求。常见的无人艇多用于水质监测、海底测绘、海底掩埋物探测等，对无人艇速度要求不高，但在海面巡逻、可疑船只跟随等领域，就需要高速无人艇来完成相应工作，而对于高速状态下的无人艇来说，自主避障功能一直是一个难点。

传统无人艇避障，一般采用激光等设备，监测到障碍物，就放弃原有航线重新规划，绕过障碍物来继续前行，但由于高速无人艇速度较快，激光传感器监测障碍物的有效距离较近，如果采用传统方案，在激光传感器监测到障碍物时，已经很难避开障碍物，容易引发事故带啦危险。因此现在迫切需要一种高速状态下的无人艇自主避障系统，来解决这个难题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出一种无人艇二级自主避障系统，来应对无人艇高速状态下的避障难题。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的，

一种无人艇高速状态下的二级自主避障系统，包括设置在无人艇上的AIS（AutomaticIdentification System，船舶自动识别系统）设备、微波雷达、毫米波雷达、激光雷达，以及无人艇的嵌入式工程控制机和船体控制模块，所述AIS设备和微波雷达安装在无人艇的桅杆上，位于无人艇的高处，用于探测远距离的障碍物目标，所述毫米波雷达和激光雷达设置在无人艇的前端，用于探测近距离的障碍物目标，所述工程计算机里设置有巡航航线规划模块、导航计算模块和GPS全球定位系统，其中巡航航线规划模块用于定位无人艇的位置以及规划高速无人艇的航线，包括远程界面和电子海图，所述导航计算模块用于接收AIS设备、微波雷达、毫米波雷达、激光雷达的信号进行处理，结合巡航航线规划模块的航线信息，通过船体控制模块控制无人艇的航行，所述导航计算模块分别与AIS设备、微波雷达、毫米波雷达、激光雷达、巡航航线规划模块和船体控制模块通过数据连接。

在本发明中，所述船体控制模块包括设置在无人艇尾部的喷泵、舵和倒斗，分别用于无人艇的加速、转向和减速运动。

一种无人艇高速状态下的自主避障方法，基于上述二级自主避障系统，具体为：

无人艇上的AIS设备和微波雷达探测到障碍物目标位于远距离范围内时，采用路径重新规划的办法，具体包括：①确定目标：通过AIS设备和微波雷达确定障碍物的位置信息和移动数据，将位置信息和移动数据传输给工程计算机的导航计算模块；②路径重规划：导航计算模块将障碍物信息发送给巡航航线规划模块，投射到电子海图中，计算出绕开障碍物所需要的转向角度，重新规划出无人艇的航线，然后将这些信息发送给导航计算模块；③路径修正：导航计算模块根据重规划的路径，计算出修正路径需要船体控制模块的舵转向角度和时间，控制船体控制模块工作，使船体按照重规划的路径行驶；④对照：船体在继续行驶中AIS设备和微波雷达继续探测障碍物信息，与重规划的路径进行对照，并及时修正，如障碍物已经到达距离船体近距离范围内，开启毫米波雷达和激光雷达的协同跟踪，并视具体情况来判断是否切换到近距离范围内障碍物应对办法，直到绕过障碍物；

无人艇上的毫米波雷达和激光雷达探测到障碍物目标位于近距离范围内时，采用自主避障办法，具体包括：①确定目标：通过毫米波雷达和激光雷达确定障碍物的位置信息和移动数据，将位置信息和移动数据传输给工程计算机的导航计算模块；②避障规划：导航计算模块根据障碍物信息计算出绕开障碍物所需要的最低转向角度和转向时的速度，然后进一步计算出需要船体控制模块的减速的加速度、舵转向的角度和时间，控制船体控制模块工作，使船体减速转向行驶；③对照：船体在继续行驶中毫米波雷达和激光雷达继续探测障碍物信息，与正在减速的船体路径进行对照，并及时修正，直到绕过障碍物。

在本发明中，所述远距离范围与近距离范围的分界点为15海里，障碍物距离无人艇的距离超过15海里时视为远距离范围，障碍物距离无人艇的距离不超过15海里时视为近距离范围。

在本发明中，由于AIS设备和微波雷达相对于毫米波雷达和激光雷达而言，信号衰减相对较慢，使得在识别较远距离的物体时，成像较好，而毫米波雷达和激光雷达则在近距离范围内识别物体更为清晰，因此本发明中，障碍物距离无人艇还有远超15海里时，AIS设备和微波雷达即开始识别到障碍物信息，随着距离的不断接近而明确该障碍物并非噪声，即可开始控制无人艇避障，由于障碍物距离无人艇距离较远，通过转舵调整航向即可有效的避开障碍物。而当无人艇距离障碍物15海里范围内后，障碍物才被毫米波雷达和激光雷达发现和识别后，再保持速度转向可能会来不及，转舵转向过大可能会影响船体的安全行驶，因此只能先进行减速，边减速边调整航向，进而避开障碍物。

与现有技术相比，本发明通过AIS设备和各种雷达组成的障碍物立体识别阵列有效的识别出障碍物所在位置，并根据其位置选择避障方法，有效提高无人艇高速行驶的安全性能，还能在保证无人艇安全行驶的前提下，减少无人艇因避障而带来的额外消耗，进而有效的提高无人艇的有效航速和航程，效果显著。

附图说明

图1 为本发明的设备安装位置示意图；

图2 为本发明的算法框架流程图。

图中：AIS设备1、微波雷达2、毫米波雷达3、激光雷达4、喷泵5、舵6、倒斗7。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

参见图1和2所示的一种无人艇高速状态下的二级自主避障系统，包括设置在无人艇上的AIS设备1、微波雷达2、毫米波雷达3、激光雷达4，以及无人艇的嵌入式工程控制机（以下称工控机）和船体控制模块，所述AIS设备1和微波雷达安装在无人艇的桅杆上，位于无人艇的高处，用于探测远距离的障碍物目标，毫米波雷达3和激光雷达4设置在无人艇的前端，用于探测近距离的障碍物目标；所述工控机内设置有巡航航线规划模块、导航计算模块和GPS全球定位系统，其中巡航航线规划模块用于定位无人艇的位置以及规划高速无人艇的航线，包括远程界面和电子海图，导航计算模块用于接收AIS设备、微波雷达、毫米波雷达、激光雷达的信号进行处理，结合巡航航线规划模块的航线信息，通过船体控制模块控制无人艇的航行，所述导航计算模块分别与AIS设备、微波雷达、毫米波雷达、激光雷达、巡航航线规划模块和船体控制模块通过数据连接；所述船体控制模块包括设置在无人艇尾部的喷泵5、舵6和倒斗7，分别用于无人艇的加速、转向和减速运动。

在本发明中，所述远距离范围和近距离单位的分界点为15海里，障碍物距离无人艇的距离超过15海里时视为远距离范围，障碍物距离无人艇的距离不超过15海里时视为近距离范围。

本发明所述的无人艇高速状态下的二级自主避障系统的使用方法及避障方法，作为实施案例一，对远距离范围内的障碍物目标躲避方法，具体为：

无人艇上的AIS设备和微波雷达探测到障碍物目标位于远距离范围内时，采用路径重新规划的办法，具体包括：①确定目标：通过AIS设备和微波雷达确定障碍物的位置信息和移动数据，将位置信息和移动数据传输给工程计算机的导航计算模块；②路径重规划：导航计算模块将障碍物信息发送给巡航航线规划模块，投射到电子海图中，计算出绕开障碍物所需要的转向角度，重新规划出无人艇的航线，然后将这些信息发送给导航计算模块；③路径修正：导航计算模块根据重规划的路径，计算出修正路径需要船体控制模块的舵转向角度和时间，控制船体控制模块工作，使船体按照重规划的路径行驶；④对比判断：船体在继续行驶中AIS设备和微波雷达继续探测障碍物信息，与重规划的路径进行对照，并及时修正，如障碍物已经到达距离船体近距离范围内，开启毫米波雷达和激光雷达的协同跟踪，判断按照修正的路径继续行驶有没有实现避障，如果可以做到避障，则继续行驶知道绕过障碍物，如果难以避障，则按照近距离范围内的障碍物目标对应办法进行避障；⑤避障规划：导航计算模块根据障碍物信息计算出绕开障碍物所需要的最低转向角度和转向时的速度，然后进一步计算出需要船体控制模块的减速的加速度、舵转向的角度和时间，控制船体控制模块工作，使船体减速转向行驶；⑥对照：船体在继续行驶中毫米波雷达和激光雷达继续探测障碍物信息，与正在减速的船体路径进行对照，并及时修正，直到绕过障碍物。

作为实施案例二，对突然发现在近距离范围内的障碍物目标躲避方法，具体为：

无人艇上的毫米波雷达和激光雷达探测到障碍物目标位于近距离范围内时，采用自主避障办法，具体包括：①确定目标：通过毫米波雷达和激光雷达确定障碍物的位置信息和移动数据，将位置信息和移动数据传输给工程计算机的导航计算模块；②避障规划：导航计算模块根据障碍物信息计算出绕开障碍物所需要的最低转向角度和转向时的速度，然后进一步计算出需要船体控制模块的减速的加速度、舵转向的角度和时间，控制船体控制模块工作，使船体减速转向行驶；③对照：船体在继续行驶中毫米波雷达和激光雷达继续探测障碍物信息，与正在减速的船体路径进行对照，并及时修正，直到绕过障碍物。

综合上述系统构造、使用方法可以发现，本发明能够能够提高无人艇高速行驶的安全性能，还能减少无人艇因避障而带来的额外消耗，进而有效的提高无人艇的有效航速和航程，效果显著。

Claims (4)

1.一种无人艇高速状态下的二级自主避障系统，其特征在于：包括设置在无人艇上的AIS设备、微波雷达、毫米波雷达、激光雷达，以及无人艇的嵌入式工程控制机和船体控制模块，所述AIS设备和微波雷达安装在无人艇的桅杆上，位于无人艇的高处，用于探测远距离的障碍物目标，所述毫米波雷达和激光雷达设置在无人艇的前端，用于探测近距离的障碍物目标，所述工程计算机里设置有巡航航线规划模块、导航计算模块和GPS全球定位系统，其中巡航航线规划模块用于定位无人艇的位置以及规划高速无人艇的航线，包括远程界面和电子海图，所述导航计算模块用于接收AIS设备、微波雷达、毫米波雷达、激光雷达的信号进行处理，结合巡航航线规划模块的航线信息，通过船体控制模块控制无人艇的航行，所述导航计算模块分别与AIS设备、微波雷达、毫米波雷达、激光雷达、巡航航线规划模块和船体控制模块通过数据连接。

2.根据权利要求1所述的无人艇高速状态下的二级自主避障系统，其特征在于：所述船体控制模块包括设置在无人艇尾部的喷泵、舵和倒斗，分别用于无人艇的加速、转向和减速运动。

3.一种无人艇高速状态下的自主避障方法，其特征在于：具体为：

无人艇上的AIS设备和微波雷达探测到障碍物目标位于远距离范围内时，采用路径重新规划的办法，具体包括：①确定目标：通过AIS设备和微波雷达确定障碍物的位置信息和移动数据，将位置信息和移动数据传输给工程计算机的导航计算模块；②路径重规划：导航计算模块将障碍物信息发送给巡航航线规划模块，投射到电子海图中，计算出绕开障碍物所需要的转向角度，重新规划出无人艇的航线，然后将这些信息发送给导航计算模块；③路径修正：导航计算模块根据重规划的路径，计算出修正路径需要船体控制模块的舵转向角度和时间，控制船体控制模块工作，使船体按照重规划的路径行驶；④对照：船体在继续行驶中AIS设备和微波雷达继续探测障碍物信息，与重规划的路径进行对照，并及时修正，如障碍物已经到达距离船体近距离范围内，开启毫米波雷达和激光雷达的协同跟踪，并视具体情况来判断是否切换到近距离范围内障碍物应对办法，直到绕过障碍物；

无人艇上的毫米波雷达和激光雷达探测到障碍物目标位于近距离范围内时，采用自主避障办法，具体包括：①确定目标：通过毫米波雷达和激光雷达确定障碍物的位置信息和移动数据，将位置信息和移动数据传输给工程计算机的导航计算模块；②避障规划：导航计算模块根据障碍物信息计算出绕开障碍物所需要的最低转向角度和转向时的速度，然后进一步计算出需要船体控制模块的减速的加速度、舵转向的角度和时间，控制船体控制模块工作，使船体减速转向行驶；③对照：船体在继续行驶中毫米波雷达和激光雷达继续探测障碍物信息，与正在减速的船体路径进行对照，并及时修正，直到绕过障碍物。

4.根据权利要求3所述的无人艇高速状态下的自主避障方法，其特征在于：所述远距离范围与近距离范围的分界点为15海里，障碍物距离无人艇的距离超过15海里时视为远距离范围，障碍物距离无人艇的距离不超过15海里时视为近距离范围。