CN107621639B - 一种基于连续线性和证据累加准则的水下障碍检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于连续线性和证据累加准则的水下障碍检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、将三台回声测距仪安装在海洋航行器艏部的最前方，沿中纵轴线的左、中、右布置，回声测距仪最大量程200米，距离分辨率1mm，相互间的安装夹角为10°，其自身的波束宽度也是10°，确保在100米重点探测区域回声测距仪的作用范围可重叠；步骤二、基于连续线性和证据累加准则，对水下障碍物进行检测。本发明的有益效果为：提供一种水下障碍物的检测方法，能够有效消除水声信号检测中的多途杂波噪声干扰和减小虚警误报概率，提供可靠的障碍物判断与距离估计，提高海洋航行器在海洋复杂环境中的安全航行性能。

Description

一种基于连续线性和证据累加准则的水下障碍检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于连续线性和证据累加准则的水下障碍检测方法，属于海洋无人系统在复杂海洋环境下航行时的水下障碍物检测与安全避障技术领域。

背景技术

随着科学技术的进步，运载工具平台的无人化正在成为趋势；而海上无人系统，包括水面无人驾驶的无人船(USV)以及水下自治型的航行器(UUV)，可携带多种任务载荷，执行智能化巡逻与探测作业任务，近年来发展势头迅猛。随着各国对海洋战略的重视及海洋开发力度的加大，USV和UUV都将扮演越来越重要的角色，对人类水上工程应用、海洋军事活动及海洋开发利用等产生深远影响。

海上无人系统在海洋未知复杂环境下的运动过程中，可能存在不明、危险的障碍物。一旦发生碰撞，海上无人系统可能出现严重损坏事故，造成任务失败甚至有可能系统失事。因此，如何低成本而又准确有效快速探测未知而可能存在的障碍物，提前规划躲避障碍物的安全路线，从而保证海上无人系统的作业安全性是当前海上无人系统研制过程中亟待解决的主要技术难点之一。

在特殊的水下环境下，声波是迄今为止唯一可以进行远程信息传输的载体。这就决定了海上无人系统尤其是高速作业时，必须具有高效的声学探测手段。但是，由于水声信道具有水面波浪混响、海底多途反射及水中噪声干扰，障碍物检测很容易发生虚警、漏检或误报，一方面安全性得不到保障，另一方面也严重影响了海上无人系统的工作效率。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明的目的在于提出一种基于连续线性和证据累加准则的水下障碍检测方法，有效消除水声信号检测中的多途杂波噪声干扰和减小虚警误报概率，提供可靠的障碍物判断与距离估计，提高海洋航行器在海洋复杂环境中的安全航行性能。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种基于连续线性和证据累加准则的水下障碍检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将三台回声测距仪安装在海洋航行器艏部的最前方，沿中纵轴线的左、中、右布置，回声测距仪最大量程200米，距离分辨率1mm，相互间的安装夹角为10°，其自身的波束宽度也是10°，确保在100米重点探测区域回声测距仪的作用范围可重叠；

步骤二、基于连续线性和证据累加准则，对水下障碍物进行检测。

前述的一种基于连续线性和证据累加准则的水下障碍检测方法，其特征在于：所述步骤二中水下障碍物检测的具体方法为：

2-1、当回声测距仪反馈的障碍检测距离处于其工作范围内时，判断该检测数据是有效的，进行测距状态的时序更新；

2-2、如果障碍连续检测的数据序列尚不足15次样本，此时证据累加次数不足以做出充分判断，以链表的形式递进补充最新数据；

2-3、当长时间检测数据无效，则前期数据可能存在干扰，必须清除所有前期数据，重新开始数据更新；

2-4、当数据序列超过15次样本，保留最新的15次样本，之前的样本数据被淘汰，并计算最近5次的检测距离平均值；

2-5、然后，比较当前的检测距离与最近5次的检测距离平均值是否存在突变；

2-6、当存在突变时，可能是外界干扰造成的野值，也可能是障碍突然出现，此时不直接取信当前检测距离，而是做置信度修正后进行更新，作为最新证据；

2-7、如果不存在数据突变，则说明检测数据连续正常，计算之前累积证据的线性度；

2-8、具体的，计算当前检测数据与之前证据拟合直线的垂直距离；

2-9、接着，计算当前检测数据更新后与之前证据拟合线性度的差值；

2-10、当所述步骤2-8中的直线垂直距离偏差和步骤2-9中的线性度偏差两个典型指标均满足线性检测要求时，作出综合判断，将检测距离处目标视作障碍物；所述线性检测要求是指当前样本点与拟合直线之间的垂直距离小于0.5米，同时更新数据后的拟合直线与之前的拟合直线的线性度偏差小于0.5m/s；

2-11、重复上述步骤，继续更新回声测距仪检测数据。

前述的一种基于连续线性和证据累加准则的水下障碍检测方法，其特征在于：所述回声测距仪为单波束指向性的声学换能器，根据发射与接收间的时间和声速计算探测距离。

前述的一种基于连续线性和证据累加准则的水下障碍检测方法，其特征在于：所述回声测距仪的型号为Tritech LRPA200。

前述的一种基于连续线性和证据累加准则的水下障碍检测方法，其特征在于：所述回声测距仪的工作模式为应答式轮询工作模式。

前述的一种基于连续线性和证据累加准则的水下障碍检测方法，其特征在于：所述步骤2-10中综合判断的判断标准是垂直距离小于0.5米，线性度偏差小于0.5m/s。

本发明的有益效果为：

1、本发明的海洋航行器水下障碍检测方法，针对USV和UUV在水下复杂环境中的障碍物自主检测与安全引导关键技术，提出一种基于连续线性和证据累加准则的水下障碍检测方法，有效消除水声信号检测中的多途杂波噪声干扰和减小虚警误报概率，提供可靠的障碍物判断与距离估计，提高海洋航行器在海洋复杂环境中的安全航行性能；

2、本发明的海洋航行器水下障碍检测方法，通过了湖上试验，验证了海洋航行器驶向障碍物时的检测可靠性，很好的消除了噪声干扰现象；

3、本发明的海洋航行器水下障碍检测方法具有重要的应用价值，技术可靠实用，能够推广到无人船和水下航行器的水下障碍物检测方面，提高海洋航行器在未知水下环境中的作业安全性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：

图1为3台回声测距仪阵列布置示意图；

图2为大量的测量噪声数据(即伪障碍物)将真正的障碍物数据淹没现象；

图3为回声测距数据的时序变化，线性段为有效障碍，其它凌乱的测距数据点为环境干扰噪声。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

针对某型高速无人水下航行器的安全避障问题，本发明提出了一套基于连续线性和证据累加准则的海洋航行器水下障碍检测方法，具体如下：

(1)声学探测传感器的选型与布置方案

目前，大多数航行器的水下障碍物检测采用了单台回声测距仪或成像声纳的形式。单台回声测距仪(回声测距仪为单波束指向性的声学换能器，根据发射与接收间的时间和声速计算探测距离。)存在大面积的检测盲区，尤其是航行器转向时非常危险。成像声纳可获得二维、大扫描角度的回波图像，但是存在扫描时间长、处理工作量大和障碍物图像理解奇异的麻烦。因此，本发明选用了目前世界上测距量程最大的回声测距仪共计3台作为声学探测传感器。该回声测距仪的技术参数简列如下：

●型号：Tritech LRPA200

●发射频率：200kHz

●波束角：10度

●测距范围：200m

●距离分辨率：1mm

●供电接口：24VDC@90mA

●通信接口：RS485

●工作方式：应答式

●空气中质量：1.3kg

●水中质量：0.95kg

●深度等级：4000m

当然，从处理方法上，也适用于其它型号的回声测距仪，只是型号TritechLRPA200的回声测距仪探测距离最远，水下障碍检测的效果最佳。

将三台回声测距仪安装在海洋航行器艏部的最前方，沿中纵轴线的左、中、右布置。回声测距仪最大量程200米，距离分辨率1mm，相互间的安装夹角为10°，其自身的波束宽度也是10°，确保在100米重点探测区域回声测距仪的作用范围可重叠，如图1所示。

需要说明的是，本发明中回声测距仪的数量不是必须3台，只是3台是适宜的，2台的覆盖范围较小，大于3台后相互间的干扰会比较明显，影响系统性能。

与成像声纳的二维图像解析相比，本发明提出的回声测距仪阵列只需处理一维回波数据，运算量小，可靠性高。与单个回声测距仪相比，三台回声测距仪组成的阵列可覆盖的探测范围更广，因此大幅提高了海洋航行器的安全性。

与此同时，本发明的回声测距仪采取应答式轮询工作模式，可有效消除回声测距仪之间的同频信号干扰。

(2)基于连续线性和证据累加准则的水下障碍物检测

在高速无人水下航行器的水下障碍物原始检测试验中，出现了大量的测量噪声数据将真正的障碍物数据淹没现象。

如图2所示，白色标记为障碍物位置，黑色标记为伪障碍物位置，即黑色数据均为噪声数据。根据几何关系分析，由于试验水域水深远小于200米回声测距仪的量程，而回声测距仪存在10度的波束角度，因此回声测距仪的声波直接打到试验水底或多途反射回波。

因此，针对水下障碍物检测的大量噪声干扰，本发明提出了基于连续线性和证据累加准则的检测方法。其主要依据是：水底和水中检测噪声具有随机性，随着声波信号的发射方向不同，会时而出现、时而消失，数据值也是没有统计规律的随机分布。而真正的障碍物是固定存在的，偶有检测数据丢失，但大多数情况下无论声波发射方向如何，测量数据是稳定的，障碍物的距离一般不会发生突变，即障碍物的检测距离应具有连续线性特点。当障碍物连续线性的检测证据累加达到门限后，可以认为障碍物检测是正确的，其检测数据可以取信，并用于自主避障规划。我们通过对原始障碍物检测数据的处理，也验证了连续线性假设的合理性，如图3所示，存在多段线性区间。

水下障碍物检测的具体方法为：

2-1、当回声测距仪反馈的障碍检测距离处于其工作范围内时，判断该检测数据是有效的，进行测距状态的时序更新；

2-2、如果障碍连续检测的数据序列尚不足15次样本，此时证据累加次数不足以做出充分判断，以链表的形式递进补充最新数据；

2-3、当长时间检测数据无效，则前期数据可能存在干扰，必须清除所有前期数据，重新开始数据更新；

2-4、当数据序列超过15次样本，保留最新的15次样本，之前的样本数据被淘汰，并计算最近5次的检测距离平均值；

2-5、然后，比较当前的检测距离与最近5次的检测距离平均值是否存在突变；

2-6、当存在突变时，可能是外界干扰造成的野值，也可能是障碍突然出现，此时不直接取信当前检测距离，而是做置信度修正后进行更新，作为最新证据；

2-7、如果不存在数据突变，则说明检测数据连续正常，计算之前累积证据的线性度；

2-8、具体的，计算当前检测数据与之前证据拟合直线的垂直距离；

2-9、接着，计算当前检测数据更新后与之前证据拟合线性度的差值；

2-10、当所述步骤2-8中的直线垂直距离偏差和步骤2-9中的线性度偏差两个典型指标均满足线性检测要求时，作出综合判断，将检测距离处目标视作障碍物；所述线性检测要求是指当前样本点与拟合直线之间的垂直距离小于0.5米，同时更新数据后的拟合直线与之前的拟合直线的线性度偏差小于0.5m/s；综合判断的判断标准是垂直距离小于0.5米，线性度偏差小于0.5m/s；

2-11、重复上述步骤，继续更新回声测距仪检测数据。

具体的水下障碍物检测程序如下：

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于连续线性和证据累加准则的水下障碍检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将三台回声测距仪安装在海洋航行器艏部的最前方，沿中纵轴线的左、中、右布置，回声测距仪最大量程200米，距离分辨率1mm，相互间的安装夹角为10°，其自身的波束宽度也是10°，确保在100米重点探测区域回声测距仪的作用范围可重叠；

步骤二、基于连续线性和证据累加准则，对水下障碍物进行检测；

所述步骤二中水下障碍物检测的具体方法为：

2-1、当回声测距仪反馈的障碍检测距离处于其工作范围内时，判断该检测数据是有效的，进行测距状态的时序更新；

2-2、如果障碍连续检测的数据序列尚不足15次样本，此时证据累加次数不足以做出充分判断，以链表的形式递进补充最新数据；

2-3、当长时间检测数据无效，则前期数据可能存在干扰，必须清除所有前期数据，重新开始数据更新；

2-4、当数据序列超过15次样本，保留最新的15次样本，之前的样本数据被淘汰，并计算最近5次的检测距离平均值；

2-5、然后，比较当前的检测距离与最近5次的检测距离平均值是否存在突变；

2-6、当存在突变时，可能是外界干扰造成的野值，也可能是障碍突然出现，此时不直接取信当前检测距离，而是做置信度修正后进行更新，作为最新证据；

2-7、如果不存在数据突变，则说明检测数据连续正常，计算之前累积证据的线性度；

2-8、具体的，计算当前检测数据与之前证据拟合直线的垂直距离；

2-9、接着，计算当前检测数据更新后与之前证据拟合线性度的差值；

2-10、当所述步骤2-8中的直线垂直距离偏差和步骤2-9中的线性度偏差两个典型指标均满足线性检测要求时，作出综合判断，将检测距离处目标视作障碍物；所述线性检测要求是指当前样本点与拟合直线之间的垂直距离小于0.5米，同时更新数据后的拟合直线与之前的拟合直线的线性度偏差小于0.5m/s；

2-11、重复上述步骤，继续更新回声测距仪检测数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于连续线性和证据累加准则的水下障碍检测方法，其特征在于：所述回声测距仪为单波束指向性的声学换能器，根据发射与接收间的时间和声速计算探测距离。

3.根据权利要求1所述的一种基于连续线性和证据累加准则的水下障碍检测方法，其特征在于：所述回声测距仪的型号为Tritech LRPA200。

4.根据权利要求1所述的一种基于连续线性和证据累加准则的水下障碍检测方法，其特征在于：所述回声测距仪的工作模式为应答式轮询工作模式。

5.根据权利要求1所述的一种基于连续线性和证据累加准则的水下障碍检测方法，其特征在于：所述步骤2-10中综合判断的判断标准是垂直距离小于0.5米，线性度偏差小于0.5m/s。

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