水下自动驾驶设备的近距离避障方法及水下自动驾驶设备与流程

本发明涉及无人船技术领域，尤其涉及水下自动驾驶设备的近距离避障技术。

背景技术：

水下无人船和水下机器人有着广阔的应用前景。在水下勘探，捕鱼，和水下打捞等领域均具有突出的优势。而随着水域内无人驾驶设备的增多，随之而来的安全问题也需要引起足够的重视。

与大型的船只不同，大部分的小型无人船主要是依靠船载摄像的远程传输或地面操作人员的肉眼判断，而水面的情况通常会比较复杂，通过远程或人工的方式很难准确快速的发现无人船附近的障碍物。从而导致无人船撞上障碍物，导致无人船产生一些不必要的损害。

针对上述问题，亟需一种全新的水下自动驾驶设备的近距离避障技术。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种水下自动驾驶设备的近距离避障方法及水下自动驾驶设备，至少部分的解决现有技术中存在的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种水下自动驾驶设备的近距离避障方法，包括：

获取所述水下自动驾驶设备的位置信息及航向信息；

基于所述水下自动驾驶设备的当前环境信息，确定TOF模块的避障信息扫描策略；

基于所述扫描策略，得到与所述水下自动驾驶设备相关的扫描信息；

通过所述位置信息、所述航向信息及所述扫描信息，确定与所述水下自动驾驶设备相关的障碍物的位置。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述获取所述水下自动驾驶设备的位置信息及航向信息，包括：

使用所述水下自动驾驶设备的GPS模块实时监测所述水下自动驾驶设备的经纬度信息，以串口通信方式将所述经纬度信息发送给所述水下自动驾驶设备的MCU。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述获取所述水下自动驾驶设备的位置信息及航向信息，还包括：

使用所述水下自动驾驶设备的磁传感器获取所述水下自动驾驶设备的航向信息，以I2C或SPI通信方式将所述航向信息发送给所述水下自动驾驶设备的MCU。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述基于所述水下自动驾驶设备的当前环境信息，确定TOF模块的避障信息扫描策略，包括：

在深水环境下或所述水下自动驾驶设备的波动小于第一阈值时，采用水平扫描的方式扫描障碍物。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述采用水平扫描的方式扫描障碍物，包括：

利用水平电机控制TOF模块在360°范围内进行旋转。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述基于所述水下自动驾驶设备的当前环境信息，确定TOF模块的避障信息扫描策略，还包括：

在浅水环境下或所述水下自动驾驶设备的波动大于第二阈值时，同时采用水平扫描及垂直扫描的方式扫描障碍物。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述同时采用水平扫描及垂直扫描的方式扫描障碍物，包括：

利用水平电机控制TOF模块在360°范围内进行旋转，利用俯仰电机控制TOF模块在预设角度范围内进行转动。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述基于所述扫描策略，得到与所述水下自动驾驶设备相关的扫描信息，包括：

获取所述水平电机及所述俯仰电机的转动位置信息。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述通过所述位置信息、所述航向信息及所述扫描信息，确定与所述水下自动驾驶设备相关的障碍物的位置，包括：

利用所述航向信息、TOF探测目标的位置信息以及所述转动位置信息，计算障碍物的精确位置和方位信息。

第二方面，本发明实施例还提供了一种水下自动驾驶设备，包括：

GPS模块，所述GPS模块获取所述水下自动驾驶设备的位置信息；

磁传感器，所述磁传感器获取所述水下自动驾驶设备的航向信息；

TOF模块，所述TOF对所述水下自动驾驶设备相关的障碍物进行扫描；

水平电机，所述水平电机在水平方向上驱动所述TOF模块；

俯仰电机，所述俯仰电机在垂直方向上驱动所述TOF模块；

MCU模块，所述MCU模块基于所述水下自动驾驶设备的当前环境信息，确定TOF模块的避障信息扫描策略，通过所述位置信息、所述航向信息及所述扫描信息，确定与所述水下自动驾驶设备相关的障碍物的位置。

本发明实施例提供的水下自动驾驶设备的近距离避障方法及水下自动驾驶设备，通过在无人船上加载GPS、磁传感器、水平电机、俯仰电机、TOF模块等设备，并结合MCU对各个模块采集的信息进行融合，能够在近距离内采取必要避让行动，提高了航行的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种水下自动驾驶设备的近距离避障流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种水下自动驾驶设备进行避障识别的示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种水下自动驾驶设备进行避障识别的示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种水下自动驾驶设备进行避障识别的示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种水下自动驾驶设备进行避障识别的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种水下自动驾驶设备控制电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一般小型无人船在公共水域或海域航行时无自动避让功能，而主要是依靠船载摄像的远程传输或地面操作人员的肉眼判断。本专利通过在无人船上加装水平和俯仰方向可旋转的激光雷达，能自动识别周围近距离障碍物，从而采取必要的避让行动以保证无人船航行时的自身安全。

本发明实施例提供的近距离无人船避障方案，利用基于飞行时间TOF原理的船载激光雷达测量无人船近距离范围内目标距离和方位，提前预警并进行有效地避让。该激光雷达发射和接收信号可为红外光、毫米波或超声等测距信号。参见图1，本发明实施例提供了一种水下自动驾驶设备的近距离避障方法，包括如下步骤：

S101，获取所述水下自动驾驶设备的位置信息及航向信息。

为了能够使水下自动驾驶设备(例如，无人船)获得较多的信息，参见图6无人机的控制电路中包括主板、电池、电机驱动、电机(水平和俯仰)、定位器和TOF(Time-of-Flight)模块，其中电机、定位器和TOF模块组成激光雷达，在主板上集成磁传感器和图传模块。

为了能够采集位置信息，无人机的控制电路中还可以包括GPS模块以及磁传感器，使用GPS模块实时监测水下自动驾驶设备的经纬度信息，以串口通信方式发送给MCU；为了能够采集航向信息，使用磁传感器获取水下自动驾驶设备的航向信息，以I2C或SPI通信方式发送给MCU。

S102，基于所述水下自动驾驶设备的当前环境信息，确定TOF模块的避障信息扫描策略。

使用TOF模块测量目标相对传感器位置的距离和方位信息，以I2C或其它通信方式发送给MCU，该TOF模块可以通过各种测距传感器实现，如红外摄像头、毫米波雷达、超声波探头等，不同传感器可能环境性能和探测距离指标不同，可根据选择的传感器性能实现目标的一维距离信息、二维平面信息(距离和角度值)或3D成像显示。

利用俯仰和水平电机可控制TOF模块的旋转角度，可实现方位360°和俯仰一定角度范围内扫描周围目标，由MCU与电机驱动芯片交互通信从而输出PWM信号控制电机转动。

S103，基于所述扫描策略，得到与所述水下自动驾驶设备相关的扫描信息。

使用定位器或霍尔传感器等相关电机位置反馈器件，可得到电机转动的位置信息，以ADC信号输出给MCU，MCU结合船航向位置信息、TOF探测目标的位置信息和电机转动位置信息，计算目标相对船的精确位置和方位信息。

避航识别示意如图2-5所示，针对不同障碍物使用不同的探测策略可完成无人船在水面上的自动巡航和避障，具体控制方案如下：

1、在良好水文或深水环境下，一般船附近障碍物较少，在距离船2m-5m范围外的障碍物，针对比船较高的障碍物1，激光雷达水平转动即可进行目标定位；针对比船较矮的障碍物2，因距离较远且TOF模块具备一定的广角，也仅水平转动即可进行目标定位。

2、在较差水文或浅水环境下(如海浪大造成船起伏大、周围礁石或浅滩较多的水域)，(如图3及图4所示)或较多类似障碍物2进入船2m或更近范围内(如图5所示)，此时目标可能超出TOF模块的广角范围，因此需控制俯仰电机以调整TOF的视角能够扫描到障碍物，保证目标准确定位。

S104，通过所述位置信息、所述航向信息及所述扫描信息，确定与所述水下自动驾驶设备相关的障碍物的位置。

MCU通过获得水下自动驾驶设备的位置信息、航向信息以及通过扫描信息定位得到的障碍物信息，便可以确定障碍物的位置。水下自动驾驶设备可以提前避让这些障碍物，也可以通过发送提醒信号的方式告诉操控无人机的用户。

与上面的控制方法相对应，参见图6，本发明实施例还提供了一种水下自动驾驶设备，包括：

GPS模块，所述GPS模块获取所述水下自动驾驶设备的位置信息；

磁传感器，所述磁传感器获取所述水下自动驾驶设备的航向信息；

TOF模块，所述TOF对所述水下自动驾驶设备相关的障碍物进行扫描；

水平电机，所述水平电机在水平方向上驱动所述TOF模块；

俯仰电机，所述俯仰电机在垂直方向上驱动所述TOF模块；

MCU模块，所述MCU模块基于所述水下自动驾驶设备的当前环境信息，确定TOF模块的避障信息扫描策略，通过所述位置信息、所述航向信息及所述扫描信息，确定与所述水下自动驾驶设备相关的障碍物的位置。

水下自动驾驶设备具体工作过程如下：

1、使用磁力计获取无人船的航向信息，以I2C通信方式发送给MCU；

2、使用TOF模块测量目标相对传感器位置的距离和方位信息，以I2C或其它通信方式发送给MCU，该TOF模块可以通过各种测距传感器实现，如红外摄像头、毫米波雷达、超声波探头等，不同传感器可能环境性能和探测距离指标不同，可根据选择的传感器性能实现目标的一维距离信息、二维平面信息(距离和角度值)或3D成像显示；

3、利用俯仰和水平电机可控制TOF模块的旋转角度，可实现方位360°和俯仰一定角度范围内扫描周围目标，由MCU与电机驱动芯片交互通信从而输出PWM信号控制电机转动；

4、使用定位器或霍尔传感器等相关电机位置反馈器件，可得到电机转动的位置信息，以ADC信号输出给MCU，MCU结合船航向位置信息、TOF探测目标的位置信息和电机转动位置信息，计算目标相对船的精确位置和方位信息。

避航识别示意如图2-5所示，针对不同障碍物使用不同的探测策略可完成无人船在水面上的自动巡航和避障，具体控制方案如下：

1、在良好水文或深水环境下，一般船附近障碍物较少，在距离船2m-5m范围外的障碍物，针对比船较高的障碍物1，激光雷达水平转动即可进行目标定位；针对比船较矮的障碍物2，因距离较远且TOF模块具备一定的广角，也仅水平转动即可进行目标定位；

2、在较差水文或浅水环境下(如海浪大造成船起伏大、周围礁石或浅滩较多的水域)，(如图3及图4所示)或较多类似障碍物2进入船2m或更近范围内(如图5所示)，此时目标可能超出TOF模块的广角范围，因此需控制俯仰电机以调整TOF的视角能够扫描到障碍物，保证目标准确定位。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将

一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些。

实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，″计算机可读介质″可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。

在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。