一种具有环境感知能力的水上运输装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水上运输领域，具体涉及一种具有环境感知能力的水上运输装置。
【背景技术】
[0002] 水上运输具有吞吐量达等优点，传统的运输船不具备环境感知能力，对人的依赖 性大，航行过程中不确定因素多。
[0003] 智能环境感知系统的主要功能是通过传感器获取船只以及环境信息，具体为船只 的位姿及状态信息获取、船只周围障碍物的识别与跟踪(其中包括动态及静态障碍物，如船 只、礁石等）以及船只行驶水面的交通状况分析等。
[0004]水上运输装置，主要指运输船作为一种公共的移动性服务设备，在其上设置智能 环境感知系统以提高其安全、多功能化等综合性能是目前必然的发展趋势。但是，现在的环 境感知系统往往存在感知维度不足、计算精度不高、实时性不强等问题。
【发明内容】
[0005] 针对上述问题，本发明提供一种具有环境感知能力的水上运输装置。
[0006] 本发明的目的采用以下技术方案来实现：
[0007] -种具有环境感知能力的水上运输装置，包括运输船和安装在运输船上的毫米波 雷达三维环境感知系统;毫米波雷达三维环境感知系统包括毫米波雷达、旋转机械装置、控 制单元和数据处理单元;旋转机械装置包括第一旋转轴、旋转盘和第二旋转轴，第一旋转轴 竖直布置且与旋转盘的中心固接，所述第一旋转轴通过第一步进电机驱动旋转；由第二步 进电机驱动旋转的第二旋转轴水平套装在轴承座内，所述轴承座通过2个竖直布置的支撑 轴固接在旋转盘上;所述第二旋转轴的中点处设置有连接部，所述连接部垂直于第二旋转 轴且与第二旋转轴一体成型，毫米波雷达与连接部垂直固接;所述毫米波雷达的自身固有 扫描平面垂直于旋转盘所在平面，且扫描范围角为± 30° ;所述旋转盘在布置支撑轴的一侧 有切口，切口所在的直线平行于第二旋转轴所在的直线，且任一支撑轴与切口所在直线的 距离小于50mm;所述第一步进电机和第二步进电机均通过单片机来控制，单片机用于接收 控制命令，并将控制命令转化为控制信号发送给电机，同时根据装置的初始位置和两个步 进电机转过的角度计算出旋转机械装置的当前位置，并将旋转机械装置的当前位置状态反 馈给数据处理单元;所述旋转机械装置整体在第一步进电机的带动下面向船只前进方向做 水平180°的周期往返运动，同时毫米波雷达在第二步进电机的带动下面向船只前进方向做 竖直180°的周期往返运动；
[0008] 数据处理单元包括数据采集子单元、延时修正子单元和坐标输出子单元;数据采 集子单元接收毫米波雷达测量得到的其与目标的距离值P，同时接收单片机发送的垂直旋 转角a和水平旋转角0，以及毫米波雷达的自身扫描角0 ;设激光雷达对某一目标的读数为 &，<1，0，0)，并定义：当雷达处于水平位置时< 1 = 〇°，当雷达处于水平位置上方时<1值为正，雷 达处于水平位置下方时a值为负，当第二旋转轴与运输船正前方方向垂直时0 = 0°，当雷达 位于0 = 0°的右侧时0为正值，当雷达位于0 = 0°的左侧时0为负值；当毫米波雷达的自身扫 描方向与毫米波雷达所在平面垂直时9 = 0°，当自身扫描方向位于9 = 0°的上方时0为正值， 当自身扫描方向位于9 = 0°的下方时9为负值；
[0009]优选地，延时修正子单元包括距离测量修正模块、水平扫描修正模块和垂直扫描 修正模块:距离测量修正模块，用于对距离值P的测量值进行针对雷达检测波往返过程中延 时效应的修正，其输出的修正因子为：
[0011 ] 当I cn+e: I > I a2+021且I I > I & I时，上式取正号，否则取负号；
[0012] 垂直旋转修正模块，用于对垂直旋转角a进行针对雷达检测波往返过程中延时效 应的修正，其输出的修正因子
；当| W | > | a21时，上式取正号，否则 取负号；
[0013] 水平旋转修正模块，用于对水平旋转角0进行针对雷达检测波往返过程中延时效 应的修正，其输出的修正因子
：当| & | > | |时，上式取正号，否则 取负号；
[0014] 其中m为毫米波雷达的最大可探测距离，且！
用于反应检测目标和毫米波雷 达之间距离对延时效应的影响，目标越靠近雷达则延时越小，反之延时越大;t为对该目标 雷达检测波发出的时间，t2为雷达检测波返回的时间；| ti-ts |代表了雷达检测波往返于目 标和雷达之间所需的时间;Ti为毫米波雷达的水平旋转周期，T2为毫米波雷达的竖直旋转周 期抑为以时的a值，a 2为t2时的a值办为t时的0值，为t2时的0值;eAt时的0值，02为t 2时 的9值毫米波雷达的采样间隔为2°/s;
[0015] 坐标输出子单元:经延时修正子单元修正后输出的目标空间坐标为：
[0018] 数据处理单元还包括目标RCS起伏特性测量子单元，用于对目标的RCS序列变异系 数进行测量：
[0019] 对于处在光学区域的复杂目标，假设由N个散射中心构成，则多散射中心目标的 RCS表示为目标方位角的函数：
[0021] 其中，〇1表示第i个散射中心RCS，a+0表示目标相对毫米波雷达的方位角，心表示第 i个散射中心相对雷达中心距离必为人为设定的参数；
[0022] 则RCS序列变异系数表示为：
，其中〇(k)表示第k次探测 目标的RCS值，RCS序列均僧
[0023]本水上运输装置的有益效果为：设计了新的毫米波雷达三维环境感知系统，从而 实现前方水平180°和竖直方向180°的无死角扫描覆盖，且结构简单经济耐用，抗干扰能力 强;利用步进式电动机配合其它部件实现全自动控制功能，控制方便精确;针对新式旋转雷 达系统的特点以及延时效应设计了距离测量修正模块、水平扫描修正模块、垂直扫描修正 模块等修正模块，使得雷达的坐标定位功能更精确，且实时性更强;给出了精确的坐标计算 方法，为自动控制和误差控制提供了基础;针对该新型旋转机械装置，采用了新的RCS起伏 特性测量装置，使得RCS变异系数的测量更加精准，对目标识别更有利;旋转盘、旋转轴等部 件的尺寸可根据具体情况灵活选取，为各种不同大小的水上运输装置的适用性提供了条 件;用毫米波雷达取代传统的光波雷达，利用大气窗口传播时的衰减小，受自然光和热辐射 源影响小，能够在恶劣的天气状况下对水面进行有效识别并躲避障碍物，为安全行驶提供 可靠保障，具有高分辨力、高精度、小天线口径等优越性。
【附图说明】
[0024]利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限 制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得 其它的附图。
[0025]图1是一种具有环境感知能力的水上运输装置的结构框图；
[0026]图2是旋转机械装置的结构示意图；
[0027]图3是毫米波雷达自身扫描示意图；
[0028]图4是雷达检测目标时的不意图；
[0029]图5是数据处理单元的结构框图。
[0030]附图标记:毫米波雷达-1;旋转盘-2;第一旋转轴-3;第二旋转轴-4;轴承座-5;支 撑轴-6;连接部-7;第一步进电机-8;第二步进电机-9;旋转机械装置-10;控制单元-11;数 据处理单元-12;数据采集子单元13;延时修正子单元-14;坐标输出子单元-15;切口-16;目 标 -17;船只前进方向-18。
【具体实施方式】
[0031]结合以下实施例对本发明作进一步描述。
[0032] 实施例1:
[0033]如图1-4所示的一种具有环境感知能力的水上运输装置，包括运输船和安装在运 输船上的毫米波雷达三维环境感知系统;毫米波雷达三维环境感知系统包括毫米波雷达1、 旋转机械装置10、控制单元11和数据处理单元12;旋转机械装置包10括第一旋转轴3、旋转 盘2和第二旋转轴4，第一旋转轴3竖直布置且与旋转盘2的中心固接，所述第一旋转轴3通过 第一步进电机8驱动旋转；由第二步进电机9驱动旋转的第二旋转轴4水平套装在轴承座5 内，所述轴承座5通过2个竖直布置的支撑轴6固接在旋转盘2上;所述第二旋转轴4的中点处 设置有连接部7,所述连接部7垂直于第二旋转轴4且与第二旋转轴4 一体成型，毫米波雷达1 与连接部7垂直固接;所述毫米波雷达1的自身固有扫描平面垂直于旋转盘2所在平面，且扫 描范围角为±30° ;所述旋转盘2在布置支撑轴6的一侧有切口 16，切口 16所在的直线平行于 第二旋转轴4所在的直线，且任一支撑轴6与切口 16所在直线的距离小于50mm;所述第一步 进电机8和第二步进电机9均通过单片机来控制，单片机用于接收控制命令，并将控制命令 转化为控制信号发送给电机，同时根据装置的初始位置和两个步进电机转过的角度计算出 旋转机械装置的当前位置，并将旋转机械装置10的当前位置状态反馈给数据处理单元12; 所述旋转机械装置10整体在第一步进电机8的带动下面向船只前进方向18做水平180°的周 期往返运动，同时毫米波雷达1在第二步进电机9的带动下面向船只前进方向20做竖直180° 的周期往返运动；
[0034]如图5所示，数据处理单元12包括数据采集子单元13、延时修正子单元14和坐标输 出子单元15,数据采集子单元13接收毫米波雷达1测量得到的其与目标的距离值P，同时接 收单片机发送的垂直旋转角a和水平旋转角0，以及毫米波雷达1自身的扫描角9,从而获得 完整的毫米波雷达数据和扫描平面的位置;如图5所示，设毫米波雷达1测得的某一目标17 的读数为&，<1，0，0)，并定义 ：当毫米波雷达1处于水平位置时(1 = 〇°，当毫米波雷达1处于水 平位置上方时a值为正，毫米波雷达1处于水平位置下方时a值为负；当第二旋转轴4与运