专利名称：基于激光传感器和前视声纳的无人艇组合避障装置和方法
技术领域：
本发明涉一种基于激光传感器和前视声纳的无人艇组合避障装置和方法，属于无人艇避障控制领域。
背景技术：
无人艇是实现近海环境实时监测、资源探测、海洋灾害预警和防治等的重要工具，它具有模块化、无人驾驶以及高速智能等优势。为了保证航行安全，无人艇须具有对周围环境做出快速检测、分析和反应的能力，并以此为基础，运用避障控制方法，实现躲避已知或突然出现的障碍物。 目前无人艇大多采用单独使用激光传感器的方式进行避障，这种方法只能对水面障碍物有效，不能兼顾水下障碍物。
发明内容
本发明的目的在于要解决现有技术存在的问题，提供一种基于激光传感器和前视声纳的无人艇组合避障装置和方法，实现水面水下立体避障。为解决上述技术问题，本发明基本思路是利用激光传感器获得无人艇前方一定范围内水面障碍物信息，前视多波束声纳获得无人艇前方一定范围内水下障碍物信息的特点，本方法通过两种传感器栅格数据投影的方法计算无人艇前方障碍物信息，并根据一定的控制策略完成无人艇的组合避障。根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案
一种基于激光传感器和前视声纳的无人艇组合避障装置，包括无人艇、避障控制主板、GPS、激光传感器、前视多波束声纳，主控计算机，所述避障控制主板安装于所述无人艇内部，分别与所述激光传感器、GPS相连，并通过电缆与主控计算机相连；所述激光传感器通过支架安装在无人艇甲板前方，优选在甲板前方正中线上；所述GPS传感器安装于无人艇甲板高处，优选在最高处的正中线上；所述前视多波束声纳固定安装于艇底前方，并与水线成一定倾斜角。本发明避障策略具体过程如下
I)用栅格数组描述激光传感器探测信息及前视多波束声纳探测信息，分别为第一栅格数组和第二栅格数组，将第一栅格数组和第二栅格数组投影到组合第三栅格数组；
2设定当前障碍物距无人艇最小距离为
r，最小可通行半径为4，最小安全距离I ,紧急臂章区最大半径r2，精确规划区最大半径
r3，紧急避障区范围为『Sr2，精确规划区为r2，直接趋向区为<r，当相邻两障碍物
中间距离大于24，视此区域为可通行区域，与当前无人艇最近的可通行区域为最近可通行区域；
3)如果组合第三栅格数组没有障碍物，则沿主航线航行。若上一节组合第三栅格数组中含有障碍物信息，并且当前执行的任务是航渡任务，则以当前位置为起点、航渡目标点为终点重新规划一条新的航线；
4)如果组 合第三栅格数组中有障碍物，但是不阻碍主航线，即主航线在可通行区域内，则沿主航线直线航行；
5)如果组合第三栅格数组中有障碍物，阻碍主航线，且位于紧急避障区，无人艇紧急停止，若此时距离障碍物距离小于最小安全距离，则实现倒车，直到大于或保持最小安全距离
,当大于最小安全距离I,寻找最近可通行区域，然后转入步骤7)；
6)如果组合第三栅格数组中有障碍物，阻碍主航线，且位于精确规划区内，则寻找最近可通行区域；
7)如果组合第三栅格数组中有障碍物，阻碍障碍物，且位于直接趋向区，则无人艇继续沿主航线航行，直至进入精确规划区；
8)寻找到最近可执行区域后，以可执行区域中距离无人艇最近点为目标点，以当前无人艇位置为初始点，重新设定航线进入航渡过程；直至航线中无障碍物信息，以当前位置为起点，航渡目标点为终点重新规划路径。本发明与现有技术相比较，具有如下突出特点和显著进步本发明采用安装在无人艇甲板前方的激光传感器获得水面障碍物信息，通过数据处理，进而得到障碍物与激光传感器之间的关系，所探测的障碍物信息用第一栅格数组表述；所述GPS传感器安装于无人艇甲板高处，用于探测无人艇当前的位置信息；所述前视多波束声纳固定安装于艇底前方，并与水线成一定倾斜角，防止船速过快时露出水面，用于探测水下障碍物信息，所探测的障碍物信息用第二栅格数组表述，通过栅格投影技术进行计算获得组合障碍物信息，同时实现水下水面立体避障。本发明的避障控制系统可广泛适用于各种无人艇的避障控制。
图I是本发明无人艇避障装置平面结构示意图。图2是本发明的控制系统原理图。图3是本发明无人艇障碍物栅格投影图。图4是本发明无人艇避障区域划分图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。本发明的一个优选实施例如下
在图I与图2中，无人艇I内部安装有避障控制主板2，避障控制主板2分别与GPS3、激光传感器4及前视多波束声纳5相连，避障控制主板2通过电缆7与主控计算机6相连，实现无人艇障碍物数据的读取、中心数据交互功能以及系统供电，避障控制主板2根据激光传感器4和前视多波束声纳5探测数据进行障碍物信息提取。在图I与图3中，激光传感器4通过支架安装在无人艇I甲板前方正中线上，用于探测水面障碍物信息，通过数据处理，进而得到障碍物与激光传感器之间的关系，用第一栅格数组描述；GPS3安装于无人艇甲板最高处正中线上，用于检测无人艇当前的位置信息；前视多波束声纳5固定安装于无人艇I底部前方，并与水线成一定倾斜角，防止船速快时露出水面，用于检测水下障碍物信息用第二栅格数组描述。在图3中，用栅格数组描述前视多波束声纳5探测信息及激光传感器4探测信息，分别为第一栅格数组和第二栅格数组，将第一栅格数组和第二栅格数组投影到组合第三栅格数组。在图4中，避障控制主板2根据第三栅格数组进行障碍物提取，进而获得无人艇I障碍物信息，根据障碍物距离无人艇I的距离划定紧急避障层、紧急规划层和直接趋向层，并分析可通行区域，主控计算机6根据障碍物信息完成无人艇I避障，为无人艇I在海洋、湖泊及河流中的作业提供可靠保证。本发明实例的避障策略具体过程如下
1)用栅格数组描述激光传感器4探测信息及前视多波束声纳5探测信息，分别为第一栅格数组和第二栅格数组，将第一栅格数组和第二栅格数组投影到组合第三栅格数组；
2)设定当前障碍物距无人艇I最小距离为，最小可通行半径为4，最小安全距离，
紧急避障区范围为r ，精确规划区为『2，直接趋向区为6<『，当相邻两障碍物中
间距离大于24 ,视此区域为可通行区域，与当前无人艇I最近的可通行区域为最近可通行区域；
3)如果组合第三栅格数组没有障碍物，则沿主航线航行。若上一节组合第三栅格数组中含有障碍物信息，并且当前执行的任务是航渡任务，则以当前位置为起点、航渡目标点为终点重新规划一条新的航线；
4)如果组合第三栅格数组中有障碍物，但是不阻碍主航线，即主航线在可通行区域内，则沿主航线直线航行；
5)如果组合第三栅格数组中有障碍物，阻碍主航线，且位于紧急避障区，无人艇(I)紧急停止，若此时距离障碍物距离小于最小安全距离，则实现倒车，直到大于或保持最小安全
距离^当大于最小安全距离■!，寻找最近可通行区域，然后转入步骤7)；
6)如果组合第三栅格数组中有障碍物，阻碍主航线，且位于精确规划区内，则寻找最近可通行区域；
7)如果组合第三栅格数组中有障碍物，阻碍障碍物，且位于直接趋向区，则无人艇(I)继续沿主航线航行，直至进入精确规划区；
8)寻找到最近可执行区域后，以可执行区域中距离无人艇I最近点为目标点，以当前无人艇I位置为初始点，重新设定航线进入航渡过程；直至航线中无障碍物信息，以当前位置为起点，航渡目标点为终点重新规划路径。以上通过一个具体实施方式
对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种基于激光传感器和前视声纳的无人艇组合避障装置，包括无人艇(I)、避障控制主板(2)、GPS(3)、激光传感器(4)、前视多波束声纳(5)，主控计算机(6)，其特征在于所述避障控制主板(2)安装于所述无人艇(I)内部，分别与所述激光传感器(4)、GPS (3)相连，并通过电缆与主控计算机(6)相连；所述激光传感器(4)通过支架安装在无人艇(I)甲板前方；所述GPS (3)安装于无人艇甲板最高处；所述前视多波束声纳(5)固定安装于无人艇(I)底部前方，并与水线成一定倾斜角。
2.一种基于激光传感器和前视声纳的无人艇组合避障方法，其特征在于避障过程如下 1)用栅格数组描述激光传感器探测信息及前视多波束声纳探测信息，分别为第一栅格数组和第二栅格数组，将第一栅格数组和第二栅格数组投影到组合第三栅格数组； 2)设定当前障碍物距无人艇最小距离为r，最小可通行半径为4，最小安全距离^ ,紧急臂章区最大半径r2，精确规划区最大半径r3，紧急避障区范围为，精确规划区为r2 <r Sr3，直接趋向区为r3 <r ,当相邻两障碍物中间距离大于2式，视此区域为可通行区域，与当前无人艇最近的可通行区域为最近可通行区域； 3)如果组合第三栅格数组没有障碍物，则沿主航线航行；若上一节组合第三栅格数组中含有障碍物信息，并且当前执行的任务是航渡任务，则以当前位置为起点、航渡目标点为终点重新规划一条新的航线； 4)如果第三栅格数组中有障碍物，但是不阻碍主航线，即主航线在可通行区域内，则沿主航线直线航行； 5)如果组合第三栅格数组中有障碍物，阻碍主航线，且位于紧急避障区，无人艇紧急停止，若此时距离障碍物距离小于最小安全距离，则实现倒车，直到大于或保持最小安全距离i当大于最小安全距离L寻找最近可通行区域，然后转入步骤7)； 6)如果组合第三栅格数组中有障碍物，阻碍主航线，且位于精确规划区内，则寻找最近可通行区域； 7)如果组合第三栅格数组中有障碍物，阻碍障碍物，且位于直接趋向区，则无人艇继续沿主航线航行，直至进入精确规划区； 8)寻找到最近可执行区域后，以可执行区域中距离无人艇最近点为目标点，以当前无人艇位置为初始点，重新设定航线进入航渡过程；直至航线中无障碍物信息，以当前位置为起点，航渡目标点为终点重新规划路径。
全文摘要
本发明公开了一种基于激光传感器和前视声纳的无人艇组合避障装置和方法。它包括无人艇、避障控制主板、GPS、激光传感器、前视多波束声纳，主控计算机和连接电缆。避障控制主板安装于无人艇内部，分别与激光传感器和GPS相连，通过电缆与中心计算机相连，GPS天线安装于无人艇甲板最高处，激光传感器安装在无人艇甲板前方，前视多波束声纳固定安装于艇底前方，用于检测水下障碍物信息,避障控制主板用于根据GPS数据、激光数据和前视多波束声纳数据确定障碍物的位置以及形状，并计算相应的可通行区域，将其传送给主控计算机，主控计算机控制无人艇完成避障，为无人艇在海洋、湖泊及河流中的作业提供可靠保证。
文档编号G05D1/02GK102945045SQ20121046523
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月19日 优先权日2012年11月19日
发明者彭艳, 唐智杰, 刘梅, 谢少荣, 罗均 申请人:上海大学