无人航道测量船障碍物实时感知避障系统与方法与流程

本发明属于环境感知与路径规划领域，具体涉及一种无人航道测量船障碍物实时避障系统与方法。

背景技术：

近年来，随着科技的进步，越来越多的新技术被应用于航道测量作业中，极大的提高了航道测量的效率。航道测量通过测量水下地形地貌为船舶驾驶人员提供航道的礁石等障碍物的位置及高度，对航运安全畅通至关重要。目前大多数航道测量工作由人工完成，投入的人力物力大，工作效率低，而且在对浅滩、洼地进行测量时容易造成人身安全问题，有的航道测量单位率先使用有人操控的无人船进行航道测量工作，但它需要专人在岸端控制台监视前方是否有障碍物，如果有障碍物则需要转入手动操控，避过障碍物后方可进入自动行驶状态。这种方式离不开人的监督，容易因控制台人员注意力不集中而导致事故，难以实现自主环境感知、自主避障和避障后自主回归航线等功能。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种无人航道测量船障碍物实时避障系统与方法，能够感知定位水面障碍物、自主绕过障碍物并回归测量航线继续测量工作。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种无人航道测量船障碍物实时避障系统，其特征在于：它包括：

船舶定位单元，用于给船舶进行实时定位，获得船舶实时坐标；

环境感知单元，用于利用至少2种环境感知传感器感知一定范围内的障碍物信息，将各环境感知传感器检测的障碍物信息进行数据融合，对检测重合的区域进行目标匹配和叠加，并结合船舶实时坐标，生成障碍物地图，以检测到的障碍物位置为中心，以一定半径设置圆形区域作为路径规划线路不可通过的障碍物影响区，从而构成用于路径规划的地图；

路径规划单元，用于在设定好的航线上，根据用于路径规划的地图，进行规划行驶路径；

控制单元，用于控制船舶按照规划好的行驶路径航行。

按上述系统，所述的路径规划单元具体用于在航线起点和航线终点之间的航线上依次设置若干个节点，船舶从航线起点开始，将当前节点设置为当次起点，下一节点设置为当次终点，更新地图；利用探路算法在当次起点到当次终点之间规划一步，步长为预设值；当船舶到达该步规划的位置时，更新地图并规划下一步，直到船舶行驶到达当次终点；更新当次起点和当次终点，即将当前节点设置为当次起点，下一节点设置为当次终点，继续规划行驶，直到到达航线终点。

按上述系统，所述的路径规划单元规划当前节点到下一个节点的路径中的每一步时，选择最小代价，代价公式如下：

f＝g+h+αw α∈{0,1}，

其中f为代价值，g为从当前节点到下一节点花费的代价，h从当前点到终点的预计代价，w为偏离航线权重，赋值方式为w＝kL，k为比例系数，L为偏离航线的距离；当处于归航状态时α＝1，非归航状态时α＝0；

避障方式为在路径规划过程中对障碍物影响区域设置高的代价权重，对其它区域设置低的代价权重，使规划路线绕过障碍物；当船只避障成功后则进入归航状态，通过赋予地图上各点不同的权重使规划路线回到航线上来。

按上述系统，所述的环境感知单元包括用于感知60米到3200米距离障碍物的雷达、用于感知80米以内距离障碍物的激光雷达、以及用于感知5米到1500米障碍物的摄像头。

一种无人航道测量船障碍物实时避障方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、给船舶进行实时定位，获得船舶实时坐标；

S2、利用至少2种环境感知传感器感知一定范围内的障碍物信息，将各环境感知传感器检测的障碍物信息进行数据融合，对检测重合的区域进行目标匹配和叠加，并结合船舶实时坐标，生成障碍物地图，以检测到的障碍物位置为中心，以一定半径设置圆形区域作为路径规划线路不可通过的障碍物影响区，从而构成用于路径规划的地图；

S3、在设定好的航线上，根据用于路径规划的地图，进行规划行驶路径；

S4、控制船舶按照规划好的行驶路径航行。

按上述方法，所述的S3具体为：在航线起点和航线终点之间的航线上依次设置若干个节点，船舶从航线起点开始，将当前节点设置为当次起点，下一节点设置为当次终点，更新地图；利用探路算法在当次起点到当次终点之间规划一步，步长为预设值；当船舶到达该步规划的位置时，更新地图并规划下一步，直到船舶行驶到达当次终点；更新当次起点和当次终点，即将当前节点设置为当次起点，下一节点设置为当次终点，继续规划行驶，直到到达航线终点。

按上述方法，规划当前节点到下一个节点的路径中的每一步时，选择最小代价，代价公式如下：

f＝g+h+αw α∈{0,1}，

其中f为代价值，g为从当前节点到下一节点花费的代价，h从当前点到终点的预计代价，w为偏离航线权重，赋值方式为w＝kL，k为比例系数，L为偏离航线的距离；当处于归航状态时α＝1，非归航状态时α＝0；

避障方式为在路径规划过程中对障碍物影响区域设置高的代价权重，对其它区域设置低的代价权重，使规划路线绕过障碍物；当船只避障成功后则进入归航状态，通过赋予地图上各点不同的权重使规划路线回到航线上来。

按上述方法，所述的环境感知传感器包括用于感知60米到3200米距离障碍物的雷达、用于感知80米以内距离障碍物的激光雷达、以及用于感知5米到1500米障碍物的摄像头。

本发明的有益效果为：多传感器进行环境感知，获取更为准确的带有障碍物的地图，然后进行合理的路径规划，使无人船能够自主行驶、自主感知、自主规划、自主避障和自主回归航线，提高了无人航道测量船安全系数和工作效率，降低了使用成本，使航道测量船能够在较复杂的环境中安全顺利的工作。

附图说明

图1为航道测量工作设定航线与避障航线示例。

图2为环境感知工作流程。

图3无人航道测量船工作状态系统流程图。

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。

本发明提供一种无人航道测量船障碍物实时避障系统，它包括：

船舶定位单元，用于给船舶进行实时定位，获得船舶实时坐标。本实施例中，采用GPS和惯导系统。

环境感知单元，如图2所示，用于利用至少2种环境感知传感器感知一定范围内的障碍物信息，将各环境感知传感器检测的障碍物信息进行数据融合，对检测重合的区域进行目标匹配和叠加，并结合船舶实时坐标，生成障碍物地图，以检测到的障碍物位置为中心，以一定半径设置圆形区域作为路径规划线路不可通过的障碍物影响区，从而构成用于路径规划的地图。本实施例中，环境感知单元包括用于感知60米到3200米距离障碍物的雷达、用于感知80米以内距离障碍物的激光雷达、以及用于感知5米到1500米障碍物的摄像头。

路径规划单元，用于在设定好的航线上，根据用于路径规划的地图，进行规划行驶路径；具体如图1所示，在航线起点和航线终点之间的航线上依次设置若干个节点，船舶从航线起点开始，将当前节点设置为当次起点，下一节点设置为当次终点，更新地图；利用探路算法在当次起点到当次终点之间规划一步，步长为预设值；当船舶到达该步规划的位置时，更新地图并规划下一步，直到船舶行驶到达当次终点；更新当次起点和当次终点，即将当前节点设置为当次起点，下一节点设置为当次终点，继续规划行驶，直到到达航线终点。在规划当前节点到下一个节点的路径中的每一步时，选择最小代价，代价公式如下：

f＝g+h+αw α∈{0,1}，

其中f为代价值，g为从当前节点到下一节点花费的代价，h从当前点到终点的预计代价，w为偏离航线权重，赋值方式为w＝kL，k为比例系数，L为偏离航线的距离；当处于归航状态时α＝1，非归航状态时α＝0；

避障方式为在路径规划过程中对障碍物影响区域设置高的代价权重，对其它区域设置低的代价权重，使规划路线绕过障碍物；当船只避障成功后则进入归航状态，通过赋予地图上各点不同的权重使规划路线回到航线上来。

控制单元，用于控制船舶按照规划好的行驶路径航行。

一种无人航道测量船障碍物实时避障方法，它包括以下步骤：

S1、给船舶进行实时定位，获得船舶实时坐标。

S2、利用至少2种环境感知传感器感知一定范围内的障碍物信息，将各环境感知传感器检测的障碍物信息进行数据融合，对检测重合的区域进行目标匹配和叠加，并结合船舶实时坐标，生成障碍物地图，以检测到的障碍物位置为中心，以一定半径设置圆形区域作为路径规划线路不可通过的障碍物影响区，从而构成用于路径规划的地图。本实施例中，环境感知传感器包括用于感知60米到3200米距离障碍物的雷达、用于感知80米以内距离障碍物的激光雷达、以及用于感知5米到1500米障碍物的摄像头。

S3、在设定好的航线上，根据用于路径规划的地图，进行规划行驶路径；在航线起点和航线终点之间的航线上依次设置若干个节点，船舶从航线起点开始，将当前节点设置为当次起点，下一节点设置为当次终点，更新地图；利用探路算法在当次起点到当次终点之间规划一步，步长为预设值；当船舶到达该步规划的位置时，更新地图并规划下一步，直到船舶行驶到达当次终点；更新当次起点和当次终点，即将当前节点设置为当次起点，下一节点设置为当次终点，继续规划行驶，直到到达航线终点。

规划当前节点到下一个节点的路径中的每一步时，选择最小代价，代价公式如下：

f＝g+h+αw α∈{0,1}，

其中f为代价值，g为从当前节点到下一节点花费的代价，h从当前点到终点的预计代价，w为偏离航线权重，赋值方式为w＝kL，k为比例系数，L为偏离航线的距离；当处于归航状态时α＝1，非归航状态时α＝0；

避障方式为在路径规划过程中对障碍物影响区域设置高的代价权重，对其它区域设置低的代价权重，使规划路线绕过障碍物；当船只避障成功后则进入归航状态，通过赋予地图上各点不同的权重使规划路线回到航线上来。

如图3所示，本实施例航线由起点、航线终点和之间设置若干个相邻节点(节点1、节点2、……、节点6)的连线组成；然后以当船只在航线两个节点之间时将上一节点设置为起点，下一节点设置为终点；更新地图，在起点到终点之间根据探路算法规划一步；当船只到达该步规划的位置时，更新地图并规划下一步；以此方式直到船只行驶到达终点(即航线上的下一个要到达的节点)；此时更新起点终点，将终点设置为起点，下一节点设置为终点，以此方式直到到达航线终点。

S4、控制船舶按照规划好的行驶路径航行。

本发明将雷达、激光雷达和摄像头三个不同的环境感知设备和GPS、惯导系统用于无人航道测量船避障策略中，使无人船能够自主行驶、自主感知、自主规划、自主避障和自主回归航线，提高了无人航道测量船安全系数和工作效率，降低了使用成本。

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。