基于毫米波雷达的船闸内领航-跟随船舶编队目标检测方法与流程

本发明属于水路交通领域，具体涉及一种基于毫米波雷达的船闸内领航-跟随船舶编队目标检测方法。

背景技术：

自三峡船闸通航以来，随着我国经济的高速高质量发展，水运货运量急速增长，过闸货运量持续增加，过闸船舶积压越来越普遍，平均船舶待闸时间也在逐年增加。领航-跟随船舶编队协同过闸是提升船舶过闸效率的重要举措，而如何获取编队内船舶之间的运动状态(相对运动速度和方向)是实现编队控制的基础。三峡-葛洲坝船舶闸室最大水位落差通常能达到20多米，低水位时gnss信号十分微弱，很难通过gnss定位实现船舶间的运动状态感知；采用室内定位技术又存在信号遮挡和高成本问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于毫米波雷达的船闸内领航-跟随船舶编队目标检测方法，能够对船闸内跟随船前方领航船进行准确追踪。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于毫米波雷达的船闸内领航-跟随船舶编队目标检测方法，其特征在于：用于跟随船，包括以下步骤：

s1、信息获取：

1个长距离毫米波雷达获取船舶正前方的障碍物信息；3个短距离毫米波雷达分别安装在船头左侧、船头右侧和船尾中线位置，获取船舶左右两侧及后方的障碍物信息；获取船舶首向与闸室方向的夹角；

s2、障碍物区分：

根据不同材质反射率不同这一特性，区分毫米波雷达接收到的目标是闸壁、领航船、跟随船或其它干扰物；

s3、对没有探测到领航船的雷达进行约束角度处理；

s4、根据s1获取的信息，识别不同情境，计算出前方领航船与本船的相对距离、本船距离左右两侧闸壁的距离、本船距离后方障碍物的距离；

s5、根据s4得到的结果，判断继续航行是否有碰撞的危险或者出现丢失目标的可能性。

按上述方案，s1具体通过罗经获取船舶首向与闸室方向的夹角。

按上述方案，s1在用毫米波雷达获取障碍物信息时，采取最大探测角度的策略探知周围的目标，分析每个毫米波雷达返回的目标信息。

按上述方案，s2中，通过对比反射率和反射面积，来区分接收到的目标。

按上述方案，s4中，所述的不同情境包括：

情景1：本船前进方向与闸壁方向一致，即船舶相对于闸室的前进方向的夹角为0°；装在船头的长距离毫米波雷达监测到前船的距离为d1角度为到两边闸壁的距离为d2、d3，到后方闸室的距离为d4；参数计算如下：

式中，c1为本船到领航船的相对距离，即本船与领航船的直线距离在船舶编队整体前进方向的投影；

情景2：本船航线发生较大偏移，即领航船处于跟随船船头的长距离毫米波雷达检测的盲区，但被一侧的短距离毫米波雷达所检测到，且其前进方向与闸壁方向不一致，船舶相对于闸室的前进方向的夹角为ψ，装在船左侧的短距离毫米波雷达监测到前船的距离为d2、角度为右侧的短距离毫米波雷达测得的障碍物距离为d3，后方障碍物距离为d4；参数计算如下：

b2＝d3cosψ(4)

b4＝b2+lsinψ(5)

b1＝w-b2-wcosψ(6)

b3＝w-b4-wcosψ(7)

式中，c1为本船到领航船的相对距离，c2为本船到后面跟随船的相对距离，b1为本船左前端到左端闸壁的距离，b2为本船右前端到右端闸壁的距离，b3为本船左后端到左端闸壁的距离，b4为本船右后端到左端闸壁的距离，w为闸室的宽度，w、l分别为本船的宽度和长度；

情景3：本船航线发生较大偏移，前进方向与闸壁方向不一致，船舶相对于闸室的前进方向的夹角为ψ，装在船右侧的短距离毫米波雷达监测到前船的距离为d3角度为左侧的短距离毫米波雷达测得的障碍物距离为d2，后方障碍物距离为d4；参数计算如下：

b1＝d2cosψ(10)

b3＝b1+lsinψ(11)

b2＝w-b1-wcosψ(12)

b4＝w-b3-wcosψ(13)

式中，c1、c2、b1、b2、b3、b4、w、w、l参数定义与情景2相同；

情景4：本船航线发生少量偏移，即领航船可以被跟随船船头的长距离毫米波雷达检测到，但其前进方向与闸壁方向不一致，装在船正中的罗经显示船舶相对于闸室的前进方向的夹角为ψ，装在船正前方的长距离毫米波雷达监测到前船的距离为d1角度为右侧的短距离毫米波雷达测得的障碍物距离为d3，后方障碍物距离为d4；参数计算如下：

b2＝d3cosψ(16)

b4＝b2-lsinψ17)

b1＝w-b2-wcosψ(18)

b3＝w-b4-wcosψ(19)

式中，c1、c2、b1、b2、b3、b4、w、w、l参数与情景2相同。

按上述方案，本方法还包括s7：若未检测到领航船目标，则重新进行s1-s6。

按上述方案，本方法还包括s8：如果多次重复检测均不能发现领航船目标，则定义为目标追踪失败，根据船舶首向与闸室方向的夹角矫正船舶的航行角度，然后再检测。

本发明的有益效果为：采用毫米波雷达，适用于闸室内船舶编队目标检测，具有成本低、可靠性高等优势，避免了使用传统定位装置(如gps、北斗等)在闸室特殊环境内出现定位不准和室内定位成本高的缺点；采用的通过区分反射率判断障碍物类别的方式，结合毫米波雷达的探测模式，可以较好的区分测得的障碍物是来自船舶还是来自闸壁；通过雷达探测角度约束的方式，可以排除其他障碍物信息，减少识别难度；所使用的坐标变换公式较为简单，不会造成较大的误差。

附图说明

图1为本发明一实施例安装结构及雷达测量区域示意图。

图2为毫米波雷达测量视角盲区类型一示意图。

图3为毫米波雷达测量视角盲区类型二示意图。

图4为本发明实际使用中出现情景1示意图。

图5为本发明实际使用中出现情景2示意图。

图6为本发明实际使用中出现情景3示意图。

图7为本发明实际使用中出现情景4示意图。

图中：1-领航船，2-本船，3-长距离毫米波雷达，4-短距毫米波雷达，5-罗经。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于毫米波雷达的船闸内领航-跟随船舶编队目标检测方法，如图1所示，用于跟随船，包括以下步骤：

s1、信息获取：

1个长距离毫米波雷达3获取船舶正前方的障碍物信息；3个短距离毫米波雷达4分别安装在船头左侧、船头右侧和船尾中线位置，获取船舶左右两侧及后方的障碍物信息；通过设置在本船2正中间的罗经5获取船舶首向与闸室方向的夹角。

其中各个毫米波雷达的返回信息包括：目标的反射面积、目标反射率、目标相对速度、目标角度、目标相对距离等信息，通过判断反射率的不同可以有效区分不同类别的目标(如闸室的水泥墙壁和船舶的金属拆料反射率不同，在雷达上的显示也不同)。

图1颜色较深的阴影部分为雷达的短距探测区域(增大雷达发射角)，颜色较浅的区域为长距探测区域。领航-跟随编队中，可能会出现的跟随船无法追踪领航船的情况，即领航船处于跟随船雷达扫描的“视角盲区”内，如图1、图2所示。其中颜色较深的阴影部分为雷达的短距探测区域(增大雷达发射角)，颜色较浅的区域为长距探测区域。

当领航船处于跟随船的“视角盲区”内时，跟随船无法通过雷达判别领航船的具体位置和速度。如果如图2所示的情况跟随船可能会丢失目标从而航行发生一定的偏差；如果情况如图3所示，跟随船如继续航行可能会发生碰撞的情况，造成较大的损失。

不约束各个毫米波雷达的发射角度，采取最大探测角度的策略探知周围的目标，分析每个雷达返回的目标信息。如图1所示，当毫米波雷达的发射角度不约束时，可以获得较大的探测角度，其中短距离毫米波雷达的探测角度为±28°，长距离毫米波雷达的探测角度为±60°，这样不约束发射角度可以获得更大的探测区域面积，从而更好的检测到船舶周围的各个目标。

s2、障碍物区分：

根据不同材质反射率不同这一特性，区分毫米波雷达接收到的目标是闸壁、领航船、跟随船或其它干扰物。

本发明主要运用在船闸内部编队检测中，主要出现的雷达反射目标有：领航船(材质主要为钢铁，反射面积较大)、后方跟随船(材质、反射面积同上)、闸壁(材质为水泥，反射面积最大)、其他干扰物(水面垃圾、其他障碍物等，材质不一，反射面积较小)。通过对比反射率和反射面积可以有效区分毫米波雷达感知到的目标是什么。

s3、对没有探测到领航船1的雷达进行约束角度处理，可以有效降低雷达的探测面积，减少其他障碍物对雷达探测的影响，进而提高雷达的探测精度，让测量结果更加可靠。根据毫米波雷达的测量特性可以得知，在毫米波雷达进行集束探测的时候，其测量距离和测量精度都有显著提升，探测角度越小，其探测距离越远。而且探测角度越小，其能探测到的目标也越少，大大降低了其他干扰项。

s4、将各个雷达获得的目标信息及罗经所测得船舶相对于闸室的前进方向的夹角信息发送至船载计算机，根据s1获取的信息，识别不同情境，计算出前方领航船1与本船2的相对距离、本船2距离左右两侧闸壁的距离、本船2距离后方障碍物的距离。

下面列举了在闸室中可能出现的几种情况，并对各个情况进行了定位分析。

情景1：跟随船前进方向与闸壁方向近似一致(即船舶相对于闸室的前进方向的夹角近似为0°)装在船头的长距离毫米波雷达监测到前船的距离为d1角度为到两边闸壁的距离为d2、d3(直接读取船头两侧毫米波雷达测得的距离)，到后方闸室的距离为d4。如图4所示。

参数计算如下：

式中，c1为跟随船到领航船的相对距离(两船直线距离在船舶编队整体前进方向的投影)。

情景2：跟随船航线发生较大偏移(即领航船处于跟随船船头的长距离毫米波雷达检测的盲区，但可以被一侧的短距离毫米波雷达所检测到，且其前进方向于闸壁方向不一致)，装在船正中的罗经显示船舶相对于闸室的前进方向的夹角为ψ，装在船左侧的短距离毫米波雷达监测到前船的距离为d2，角度为右侧的短距离毫米波雷达测得的障碍物距离为d3，后方障碍物距离为d4。如图5所示。参数计算如下：

b2＝d3cosψ(4)

b4＝b2+lsinψ(5)

b1＝w-b2-wcosψ(6)

b3＝w-b4-wcosψ(7)

式中，c1为跟随船到领航船的相对距离，c2为跟随船到后面跟随船的相对距离，b1为跟随船左前端到左端闸壁的距离，b2为跟随船右前端到右端闸壁的距离，b3为跟随船左后端到左端闸壁的距离，b4为跟随船右后端到左端闸壁的距离，w为闸室的宽度，w、l分别为本船的宽度和长度。

情景3：跟随船航线发生较大偏移，其前进方向于闸壁方向不一致，装在船正中的罗经显示船舶相对于闸室的前进方向的夹角为ψ，装在船右侧的短距离毫米波雷达监测到前船的距离为d3角度为左侧的短距离毫米波雷达测得的障碍物距离为d2，后方障碍物距离为d4。如图6所示。参数计算如下：

b1＝d2cosψ(10)

b3＝b1+lsinψ(11)

b2＝w-b1-wcosψ(12)

b4＝w-b3-wcosψ(13)

式中，c1、c2、b1、b2、b3、b4、w、w、l参数定义与情景2相同。

情景4：跟随船航线发生少量偏移(即领航船可以被跟随船船头的长距离毫米波雷达检测到，但其前进方向于闸壁方向不一致)，装在船正中的罗经显示船舶相对于闸室的前进方向的夹角为ψ，装在船正前方的长距离毫米波雷达监测到前船的距离为d1角度为右侧的短距离毫米波雷达测得的障碍物距离为d3，后方障碍物距离为d4。如图7所示。参数计算如下：

b2＝d3cosψ(16)

b4＝b2-lsinψ(17)

b1＝w-b2-wcosψ(18)

b3＝w-b4-wcosψ(19)

式中，c1、c2、b1、b2、b3、b4、w、w、l参数与情景2相同。

s5、根据s4得到的结果，判断继续航行是否有碰撞的危险或者出现丢失目标的可能性。本发明可以根据不同情景设置不同的安全距离，来判定不同场合船舶跟随航线是否安全，如果不安全应当如何调节航线。

可选的，本方法还包括s7：若未检测到领航船目标，则重新进行s1-s6。

本方法还可以包括s8：如果多次重复检测均不能发现领航船目标，则可以定义为目标追踪失败，可以根据罗经的角度信息矫正船舶的航行角度(本发明可以有效感知船舶前方半径20米夹角约为236°扇形区域的各种障碍物，可以有效避免在船舶姿态矫正过程中会出现的一些碰撞问题)，矫正船舶姿态后前方的长距毫米波雷达可以有效监测前方领航船的信息。

本发明利用毫米波雷达作为感知手段，跟随船可以实时获取周围目标距离和相对运动速度，通过设计算法可以准确得到前方领航船与跟随船的相对运动状态，实现对前方领航船目标的可靠与精确检测。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。