CN109029465A - 一种无人艇基于毫米波雷达的跟踪和避障系统 - Google Patents

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Abstract

一种无人艇基于毫米波雷达的跟踪和避障系统，包括无人艇和设置在无人艇上的毫米波雷达、卫星定位系统、惯性导航系统、主控计算机，其中，毫米波雷达均匀安装在无人艇的周围，测量无人艇前方、后方和左右两侧的环境相对于无人艇的位置、速度和加速度信息，所述卫星定位系统和惯性导航系统检测无人艇的位置、速度和加速度信息，所述卫星定位系统、惯性导航系统、毫米波雷达通过电缆与主控计算机连接。本发明构思新颖，检测准确可靠性高，成本低廉，算法简单，很适合小型的无人设备进行无人操作的自主运动。

Description

一种无人艇基于毫米波雷达的跟踪和避障系统
技术领域
本发明涉及无人艇技术领域，尤其为一种应用在无人艇上的环境感知系统，具体为一种基于毫米波雷达的跟踪和避障系统。
背景技术
在现有技术中，无人艇在实际使用过程中，其对所处周边环境的感知是一个技术难点。现有的无人艇的环境感知大多采用激光雷达扫描或者视觉检测的方式，来完成无人艇对周边环境的感知，实现无人艇对周边环境的建模，从而进一步完成跟踪和避障等动作。这两种方法都具备各自的优势，但缺点一样明显：（1）激光雷达扫描的方法，对海面环境扫描距离不够远，而且线束较少的激光雷达在使用时根本不能满足准确性的要求，线束较多的激光雷达拥有不错的扫描准确性，但价格非常昂贵，市面上40线的雷达价格普遍都要30万以上，同时随着线束的增加，雷达采集的信息量大，又会带来另外一个问题，处理庞大的点云数据需要强大的处理平台，一些简单的场景都会带来数以百万计的数据，处理起来效率很低，很难达到实用性的要求；（2）视觉检测的方式，是使用价格相对较低的摄像头进行检测，其探测距离较远，但其受环境影响严重，在光照不足或者光照过强的情况下都是无法正常工作的，另外使用视觉检测检测运动物体时，检测精度很低，误差很大，很难实现精准跟踪，而且视觉检测在进行图像分割时常常会受到海面波浪的影响，分离小型移动船体和静置物体效果很差。因此，需要低成本、高效率的环境感知系统，以应对无人艇上的需求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于无人艇的低成本、高效率、简单场景下的环境感知系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种无人艇基于毫米波雷达的跟踪和避障系统，包括无人艇和设置在无人艇上的毫米波雷达、卫星定位系统、惯性导航系统、主控计算机，其中，毫米波雷达均匀安装在无人艇的周围，测量无人艇前方、后方和左右两侧的环境相对于无人艇的位置、速度和加速度信息，所述卫星定位系统和惯性导航系统检测无人艇的位置、速度和加速度信息，所述卫星定位系统、惯性导航系统、毫米波雷达通过电缆与主控计算机连接。
在本发明中，所述卫星定位系统包括接收天线和处理器，其中接收天线设置在无人艇的甲板最高处，处理器设置在无人艇内，接收天线与处理器电连接。
在本发明中，所述惯性导航系统安装在无人艇的船体中心处。
在本发明中，所述毫米波雷达通过总线与主控计算机进行通信连接。
在本发明中，所述卫星定位系统和惯性导航系统配合使用，由于卫星定位系统需要卫星信号，而惯性导航系统不需要，因此在本发明中，卫星定位系统的信号强度大的时候以卫星定位系统采集的信息为主，惯性导航系统辅助，在卫星定位系统的信号强度小的时候以惯性导航系统的信息为主，卫星定位系统辅助。
在本发明中，所述卫星定位系统和惯性导航系统采集到的信息实时传到主控计算机，主控计算机将该信息实时传到毫米波雷达，以采集到的无人艇自身的位置、速度和加速度信息来比对毫米波雷达采集到的环境相对于无人艇的位置、速度和加速度信息。
在本发明中，所述主控计算机利用卡尔曼滤波算法，将毫米波雷达、卫星定位系统、惯性导航系统串联起来，利用毫米波雷达、卫星定位系统、惯性导航系统采集环境及无人艇船体的位置、速度和加速度信息，计算环境中各因素的位置、速度和加速度信息，并进行预判，以实现无人艇的跟踪和避障。
在本发明中，所述卫星定位系统采用的为GPS系统。
在本发明中，所述主控计算机将所有的环境信息转换到以无人艇为中心的同一坐标系内，方便识别和计算。
在本发明中，所述毫米波雷达能够检测动态和静态的障碍物，因此在无人艇的船体均匀安装若干个毫米波雷达，即可有效的观测无人艇前方、后方和左右两侧的环境中的障碍物相对于毫米波雷达的位置、速度和加速度信息；由于毫米波雷达安装的高度会高于水平面，使得毫米波雷达观测到的环境范围为一个立体的范围，有效的降低了障碍物之间的相互影响，使得毫米波雷达识别障碍物更加精确。卡尔曼滤波算法是一种滤波方法，其基本思想是：以最小均方误差为最佳估计准则，采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻的估计值和当前时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出当前时刻的估计值，算法根据建立的系统方程和观测方程对需要处理的信号做出满足最小均方误差的估计。具体而言，在本发明中，毫米波雷达采集无人艇周围环境中的障碍物信息，卫星定位系统和惯性导航系统确定无人艇的信息，主控计算机将复数的障碍物信息介入到同一以无人艇为中心的坐标系内后，作为某一时刻的障碍物信息，通过卡尔曼滤波的方法对下一时刻的位置、速度、方向进行确定，可以实现障碍物的位置跟踪，即使毫米波雷达检测时出现障碍物丢失，也可以通过卡尔曼滤波对下一时刻障碍物的运动速度、位置、方向进行预判。在此基础之上，对无人艇的方向、速度和加速度信息进行调整，即可实现无人艇相对于障碍物的追踪或者避障。
与现有技术相比，本发明构思新颖，成本很低，检测可靠性很高，与以前的激光雷达的检测方式相比，大大的减少了算法的复杂性和整套系统的设备成本，同比大大提高了检测的准确性，很适合小型的无人设备进行无人操作的自主运动。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2 为本发明的检测系统原理图。
图中：无人艇1、卫星定位系统2、毫米波雷达3。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
参见图1和2所示的无人艇基于毫米波雷达的跟踪和避障系统，包括无人艇1和设置在无人艇上的毫米波雷达3、卫星定位系统2、惯性导航系统、主控计算机，其中，毫米波雷达均匀安装在无人艇的周围，检测无人艇1前方、后方和左右两侧的环境相对于无人艇的位置、速度和加速度信息，卫星定位系统2包括接收天线和处理器，其中接收天线设置在无人艇的甲板最高处，处理器设置在无人艇内，接收天线与处理器电连接，惯性导航系统安装在无人艇1的船体中心处，卫星定位系统2和惯性导航系统检测无人艇的位置、速度和加速度信息，所述卫星定位系统2、惯性导航系统、毫米波雷达3通过电缆与主控计算机连接，毫米波雷达3通过总线与主控计算机进行通信连接。
在本发明中，所述卫星定位系统和惯性导航系统配合使用，卫星定位系统的信号强度大的时候以卫星定位系统采集的信息为主，惯性导航系统辅助，在卫星定位系统的信号强度小的时候以惯性导航系统的信息为主，卫星定位系统辅助。
在本发明中，所述卫星定位系统和惯性导航系统采集到的信息实时传到主控计算机，主控计算机将该信息实时传到毫米波雷达，以采集到的无人艇自身的位置、速度和加速度信息来比对毫米波雷达采集到的环境相对于无人艇的位置、速度和加速度信息。
在本发明中，所述主控计算机利用卡尔曼滤波算法，计算环境中各因素的位置、速度和加速度信息，并进行预判，以实现无人艇的跟踪和避障。
在本发明中，所述卫星定位系统采用的为GPS系统。
在本发明中，所述主控计算机将所有的环境信息转换到以无人艇为中心的同一坐标系内，方便识别和计算。
本发明的检测策略在于：①在船身对称垂直布置多个毫米波雷达3，根据不同的测量范围需要，可以适当的调整毫米波雷达3之间的间距和数量，并且布置卫星定位系统2、惯性导航系统，然后将所有毫米波雷达3、卫星定位系统2、惯性导航系统通过电缆接入主控计算机；②通过卫星定位系统2和惯性导航系统测量所述无人艇1的实时速度，然后由主控计算机5将所述卫星定位系统2和惯性导航系统测量的速度传入毫米波雷达3，标定所述船体当前的运动信息，对于所述船体行进方向上布置的毫米波雷达3和侧向布置的毫米波雷达3，分别传入相对应的速度；③完成毫米波雷达3自身速度标定之后，控制其进行障碍物检测，当某一个毫米波雷达3检测到障碍物之后，将障碍物的绝对速度、相对于无人艇1船体的相对速度、加速度、相对船体的角度和距离等信息传入主控计算机；④主控计算机根据传入的障碍物位置信息，将它们全部转换到以无人艇1中心为原点的同一坐标系下；⑤主控计算机根据检测的障碍物信息，通过卡尔曼滤波的方法对下一时刻的位置、速度、方向进行确定，可以实现障碍物的位置跟踪，即使毫米波雷达检测时出现障碍物丢失，也可以通过卡尔曼滤波对下一时刻障碍物的运动速度、位置、方向进行预判；⑥在此基础之上，对无人艇的方向、速度和加速度信息进行调整，即可实现无人艇相对于障碍物的追踪或者避障。
综上，结合上述构造和原理的无人艇基于毫米波雷达的跟踪和避障系统，可以发现，本发明构思新颖，检测准确可靠性高，成本低廉，算法简单，很适合小型的无人设备进行无人操作的自主运动。

Claims (7)

1.一种无人艇基于毫米波雷达的跟踪和避障系统，其特征在于，包括无人艇和设置在无人艇上的毫米波雷达、卫星定位系统、惯性导航系统、主控计算机，其中，毫米波雷达均匀安装在无人艇的周围，测量无人艇前方、后方和左右两侧的环境相对于无人艇的位置、速度和加速度信息，所述卫星定位系统和惯性导航系统检测无人艇的位置、速度和加速度信息，所述卫星定位系统、惯性导航系统、毫米波雷达通过电缆与主控计算机连接。
2.根据权利要求1所述的无人艇基于毫米波雷达的跟踪和避障系统，其特征在于，所述卫星定位系统包括接收天线和处理器，其中接收天线设置在无人艇的甲板最高处，处理器设置在无人艇内，接收天线与处理器电连接。
3.根据权利要求1所述的无人艇基于毫米波雷达的跟踪和避障系统，其特征在于，所述惯性导航系统安装在无人艇的船体中心处。
4.根据权利要求1所述的无人艇基于毫米波雷达的跟踪和避障系统，其特征在于，所述毫米波雷达通过总线与主控计算机进行通信连接。
5.根据权利要求1所述的无人艇基于毫米波雷达的跟踪和避障系统，其特征在于，所述卫星定位系统和惯性导航系统配合使用。
6.根据权利要求1所述的无人艇基于毫米波雷达的跟踪和避障系统，其特征在于，所述卫星定位系统和惯性导航系统采集到的信息实时传到主控计算机，主控计算机将该信息实时传到毫米波雷达。
7.根据权利要求1所述的无人艇基于毫米波雷达的跟踪和避障系统，其特征在于，所述主控计算机采用卡尔曼滤波算法，将毫米波雷达、卫星定位系统、惯性导航系统串联起来，利用毫米波雷达、卫星定位系统、惯性导航系统采集环境及无人艇船体的位置、速度和加速度信息，计算环境中各因素的位置、速度和加速度信息，并进行预判，以实现无人艇的跟踪和避障。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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