CN106933232A - 一种基于协同无人艇群的环境感知系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于协同无人艇群的环境感知系统和方法，包括单艇感知、协同控制系统、无线通信、GPS/IMU和单艇控制系统模块。单艇感知模块包括摄像头和激光雷达，激光雷达用于获取目标物的位置和运动信息，摄像头用于识别目标。协同控制系统包括协同控制单元和协同感知单元，协同控制单元负责运行协同控制算法来指挥无人艇群的运动，协同感知单元负责协调各艇感知模块的状态。无线通信模块负责将各艇的状态信息以及环境感知信息上传至所述协同控制系统，同时又能传输协同控制系统的指令。GPS/IMU模块用来获取各单艇的位置信息和姿态信息，辅助其他系统的正常运行。本系统设计合理、系统层次性强，在硬件和软件方面都易于实现。

Description

一种基于协同无人艇群的环境感知系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于协同无人艇群的环境感知系统和方法，属于无人艇环境感知领域和多传感器技术融合领域。

背景技术

水面无人艇(unmanned surface vessel，简称USV)，是近些年来新兴的一种小型无人水面平台，其上搭载GPS、惯导、雷达、声呐、超声等传感设备，能够实现自主导航、自主避障、自主追踪等功能，并能完成扫雷、猎雷、反潜等特殊任务。水面无人艇要实现上述各种自主功能，就必须具备良好的环境感知能力，用以获取障碍物和目标物的位置信息和运动信息。但是由于单艇的环境感知能力较为有限，极大的限制了水面无人艇的应用范围。最近随着“蜂群”技术的提出和发展，协同无人艇群的研究慢慢兴起。为了使各单艇感知到的环境信息可以发挥更大的作用，需要对各单艇的传感器信息进行融合，从而形成一个整体的、多维度、多层次的环境感知系统。

目前无人艇环境感知的传感器大致可以分为两类：感知周围物体的激光雷达、摄像头和毫米波雷达；实现无人艇自主定位的GPS、IMU。在环境感知系统中主要涉及到的传感器就是感知无人艇周围物体的激光雷达、摄像头和毫米波雷达。激光雷达和毫米波雷达的主要任务是障碍物检测和辅助定位，两者的主要区别是检测距离的不同。摄像头的工作包括目标的检测和识别，能够提供目标物更多的信息。但是，单目摄像头很难准确的估计目标的距离信息和运动信息，所以有效的融合激光雷达和摄像头的信息可以获取更好的感知环境信息，从而能够更好的指导无人艇的工作。

目前，环境感知传感器融合技术主要局限于单艇，感知范围很有限。随着无人艇群的发展，融合多艇的感知信息可以使无人艇的感知范围和精度都有所提高，能够为控制系统做出正确决策提供更有效的信息保障。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于协同无人艇群的环境感知系统和方法，解决单艘无人艇的环境感知能力有限、感知到的信息准确性不足等问题。可以有效的扩大无人艇的应用范围，同时环境感知能力的提升也会提高无人艇的自主能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于协同无人艇群的环境感知系统，包括GPS/IMU模块、单艇感知模块、协同控制系统模块、无线传输模块和单艇控制系统模块；所述GPS/IMU模块安装在无人艇上，能够实时检测出无人艇的位置和姿态信息；所述单艇感知模块包括激光雷达和摄像头，激光雷达用于障碍物检测和辅助定位，安装在无人艇的前部；摄像头用于目标检测和目标识别，安装在无人艇的后上方；所述协同控制系统模块包括协同控制单元和协同感知单元，协同控制单元运行协同控制算法来指挥无人艇群的运动，协同感知单元协调各无人艇单艇感知模块的状态，用以感知更加广泛的环境信息；所述无线传输模块将各无人艇的状态信息以及环境感知信息上传至所述协同控制系统模块，同时将协同控制系统模块的控制指令传输至各无人艇。

一种基于协同无人艇群的环境感知方法，使用上述的基于协同无人艇群的环境感知系统，具体步骤如下：

S01，发布任务：将控制中心的任务指令发送给协同控制系统模块，指示协同无人艇群执行指定的任务；

S02，运行协同控制算法：协同控制系统模块的协同控制单元运行协同控制算法，通过无线传输模块输出指令至单艇控制系统，让无人艇群执行任务；

S03，上传单艇信息：单艇控制系统接收到协同控制系统模块的指令后指挥各无人艇运动到指定位置，同时通过GPS/IMU模块获取各自位置信息和姿态信息，并将这些信息利用无线传输模块上传至协同控制系统模块；

S04，单艇感知环境信息：协同控制系统模块指挥无人艇利用单艇感知模块中的激光雷达和摄像头感知环境信息，具体的环境搜索方式是直线搜索、曲线搜索，或环形搜索；

S05，环境信息融合：各无人艇的单艇感知模块感知到的环境信息通过无线传输模块传至协同控制系统模块，协同控制系统模块对各无人艇感知到的环境信息进行融合；

S06，上传环境信息：获得融合后的环境信息后，将其上传至控制中心，用于做出正确的决策。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该基于协同无人艇群的环境感知系统设计合理、系统层次性强，在硬件和软件方面都易于实现；单艇的环境感知能力较弱，协同无人艇群的环境感知系统可以有效的增强无人艇的环境感知能力，有利于扩大无人艇技术的应用领域。同时，基于协同无人艇群的环境感知系统不仅可以合成一个整体来增强无人艇群的环境感知范围和准确度，而且在执行各自任务时，可以分开感知环境信息，在后端进行融合，操作灵活多变，适合于无人艇执行各种特殊任务。整个系统完全是自主完成，无需任何的人为干预，可以提高无人艇的自主性和智能化，有利于无人艇技术的进一步发展。

附图说明

图1为本发明基于无人艇群的环境感知系统示意图。

图2为本发明中单艇感知模块示意图。

图3为本发明中多艇感知融合示意图。

图4为本发明方法的工作流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

如图1所示，一种基于协同无人艇群的环境感知系统，包括单艇感知模块7、协同控制系统模块3、无线传输模块4、GPS/IMU模块1和单艇控制系统模块8。如图2所示，所述GPS/IMU模块1安装在无人艇2上，用来实时获取各无人艇的位置信息和姿态信息，辅助其他系统的正常运行，是无人艇自主控制的重要单元。所述单艇感知模块7包括摄像头6和激光雷达5，激光雷达5用于障碍物检测和辅助定位，安装在无人艇2的前部；摄像头6可以用于目标检测和目标识别，安装在无人艇2的后上方。两者的结合能够更好的检测并定位出目标，同时能够提升检测的精确度。所述协同控制系统模块3包括协同控制单元和协同感知单元，协同控制单元负责运行协同控制算法来指挥无人艇群的运动，而协同感知单元负责协调各艇感知模块的状态用以感知更加广泛的环境信息。所述无线传输模块4将各无人艇的状态信息以及环境感知信息上传至所述协同控制系统模块3，同时将协同控制系统模块3的控制指令传输至各无人艇2。这种模块化的设计很灵活，方便调试和更换。

如图4所示，一种基于协同无人艇群的环境感知方法，使用上述的基于协同无人艇群的环境感知系统，具体步骤如下：

S01，发布任务：将控制中心的任务指令发送给协同控制系统模块3，指示协同无人艇群执行指定的任务；

S02，运行协同控制算法：协同控制系统模块3的协同控制单元运行协同控制算法，通过无线传输模块4输出指令至单艇控制系统8，让无人艇群执行任务；

S03，上传单艇信息：单艇控制系统8接收到协同控制系统模块3的指令后指挥各无人艇2运动到指定位置，同时通过GPS/IMU模块1获取各自位置信息和姿态信息，并将这些信息利用无线传输模块4上传至协同控制系统模块3；

S04，单艇感知环境信息：协同控制系统模块3指挥无人艇2利用单艇感知模块7中的激光雷达5和摄像头6感知环境信息，具体的环境搜索方式是直线搜索、曲线搜索，或环形搜索；如图3所示，多无人艇协同的环境感知系统在执行任务时需要按照具体的搜索方式进行。方式一，如图3A所示：多艘无人艇2根据其位置排列成一条直线，进行直线式的遍历搜索，这样搜索方式使用在无人艇群处在运动的模式中，可以实现动态的环境感知过程。方式二，如图3B所示：多艘无人艇按照环形区域进行排列，从中心向四周扩展搜索，这种搜索方式用于无人艇群守护静态目标时的静态环境感知。这种多模式的环境感知模式可以充分的利用协同智能的多艇架构扩展无人艇的感知范围；

S05，环境信息融合：各无人艇2的单艇感知模块7感知到的环境信息通过无线传输模块4传至协同控制系统模块3，协同控制系统模块3对各无人艇2感知到的环境信息进行融合；

S06，上传环境信息：获得融合后的环境信息后，将其上传至控制中心，用于做出正确的决策。

Claims (2)

1.一种基于协同无人艇群的环境感知系统，其特征在于，包括GPS/IMU模块（1）、单艇感知模块（7）、协同控制系统模块（3）、无线传输模块（4）和单艇控制系统模块（8）；所述GPS/IMU模块（1）安装在无人艇（2）上，能够实时检测出无人艇的位置和姿态信息；所述单艇感知模块（7）包括激光雷达（5）和摄像头（6），激光雷达（5）用于障碍物检测和辅助定位，安装在无人艇（2）的前部；摄像头（6）用于目标检测和目标识别，安装在无人艇的后上方；所述协同控制系统模块（3）包括协同控制单元和协同感知单元，协同控制单元运行协同控制算法来指挥无人艇群的运动，协同感知单元协调各无人艇单艇感知模块（7）的状态，用以感知更加广泛的环境信息；所述无线传输模块（4）将各无人艇的状态信息以及环境感知信息上传至所述协同控制系统模块（3），同时将协同控制系统模块（3）的控制指令传输至各无人艇（2）。

2.一种基于协同无人艇群的环境感知方法，使用权利要求1所述的基于协同无人艇群的环境感知系统，其特征在于，具体步骤如下：

S01，发布任务：将控制中心的任务指令发送给协同控制系统模块（3），指示协同无人艇群执行指定的任务；

S02，运行协同控制算法：协同控制系统模块（3）的协同控制单元运行协同控制算法，通过无线传输模块（4）输出指令至单艇控制系统（8），让无人艇群执行任务；

S03，上传单艇信息：单艇控制系统（8）接收到协同控制系统模块（3）的指令后指挥各无人艇（2）运动到指定位置，同时通过GPS/IMU模块（1）获取各自位置信息和姿态信息，并将这些信息利用无线传输模块（4）上传至协同控制系统模块（3）；

S04，单艇感知环境信息：协同控制系统模块（3）指挥无人艇（2）利用单艇感知模块（7）中的激光雷达（5）和摄像头（6）感知环境信息，具体的环境搜索方式是直线搜索、曲线搜索，或环形搜索；

S05，环境信息融合：各无人艇（2）的单艇感知模块（7）感知到的环境信息通过无线传输模块（4）传至协同控制系统模块（3），协同控制系统模块（3）对各无人艇（2）感知到的环境信息进行融合；

S06，上传环境信息：获得融合后的环境信息后，将其上传至控制中心，用于做出正确的决策。