CN109240315A - 一种新型水下自主避障系统及水下避障方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型水下自主避障系统及水下避障方法，采用声纳测距系统对水下障碍物进行扫描，结合捷联惯导系统得到的水下航行器的姿态信息与位置信息，工业控制计算机运用避障算法，进行避障路径规划，从而能够在水下情况复杂的环境进行作业。还将姿态信息、位置信息与测距信息结合水下建图系统得到的图像信息叠加输出，实现环境建模，一方面可以进一步减小对周围环境的判断错误几率，提高路径规划的准确性，另一方面还可以将水下宝贵的三维环境建模数据回传到地面站，用以对水下环境进行更深层次的研究。
Description
技术领域
本发明属于水下航行器领域，尤其涉及一种新型水下自主避障系统及水下避障方法。
背景技术
20世纪90年代以来，海洋工程与科技的发展受到广泛的关注与研究。水中的无人航行器作为一种低风险的自主作业产品，在军事生产等各个方面都有着广泛的应用。目前，无人航行器包括水面水下航行器，遥控式水下航行器，自主式水下航行器等很多种。这些航行器可以实现水上水下的信息采集监测任务，在具有较高的工作效率的同时还可以避免海洋中的巡航监测任务所带来的风险。目前，自主式巡航船主要依靠激光进行水面避障，而水下航行器主要通过工业级的视频传输，由地面进行路径规划与避障，因此，目前的水下航行器缺乏一定的自主判断能力，在执行任务时也需要更高的人力物力成本，工作难度显著提升。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了解决现有技术在水下航行器上的缺陷，本发明决定设计出一种能在水下可靠的进行障碍规避与航迹规划的自主避障系统及避障方法，从而大大增加水下航行器的自主性，降低水下水下航行器航行检测成本。
本发明的技术方案是：一种新型水下自主避障系统，包括声纳测距系统、水下二维建图模块、捷联惯导模块、核心处理模块和核心控制模块；声纳测距模块测得障碍物与水下航行器之间的距离信息、水下二维建图模块得到水下二维广角图像数据、捷联惯导模块得到水下航行器的姿态信息与位置信息，三个模块将信息共同传至核心处理模块中；核心处理模块根据距离信息、二维图像信息和姿态信息与位置信息，确实障碍物的位置，通过避障算法进行路径规划，实现避障，同时以根据水下二维图像信息、姿态信息及GPS信息，实现水下环境三维建模，并将建模数据回传至地面站。
本发明的进一步技术方案是：所述声纳测距系统包括超声波声纳测距仪、发射换能模块与声纳控制仪。所述发射换能模块用以将电能转化为声波；所述超声波声纳测距器为矢量声波测距器，用以发射超声波测量与障碍物之间的距离；所述声纳控制仪用以开关超声波声纳测距仪并且储存测距数据。所述声纳测距系统的工作方式为，声纳测距系统接收指令后，声纳控制仪打开超声波声纳测距仪，发射换能模块提供声波后，得到测距信息并通过声纳控制仪将之储存。
本发明的进一步技术方案是：所述水下二维建图模块为两台位于水下航行器前端的广角相机，可以得到水下航行器前端270度的海底景象，并将得到的水下二维图像数据传输至核心处理系统。
本发明的进一步技术方案是：所述捷联惯导模块为基于MEMS与GPS的组合导航技术。
本发明的进一步技术方案是：所述核心处理模块为工业控制计算机，一方面用以接收测距数据与姿态数据，并进行避障路径规划；另一方面用于接收二维图像数据，姿态数据以及GPS数据，实现水下环境三维建模。
本发明的进一步技术方案是：一种基于权利要求1所述的新型水下避障系统的水下避障方法，包括以下步骤：
步骤一：上位机初始化数据，并为水下航行器规定航迹路线；
步骤二：声纳测距系统与捷联惯导模块收集到水下航行器的实时姿态信息，位置信息，测距信息之后，通过I/O口、RS232串口通信协议将数据信息传至核心处理系统；水下二维图像信息通过USB2.0标准连接传输至核心处理系统；
步骤三：核心处理系统对收集到的信息进行信号转换与数据处理，路径规划与三维水下环境模型；
步骤四：地面站上位机根据三维水下环境数据进行路径优化，通过遥控天线对水下航行器发送指令，也使水下航行器停止或返航。
发明效果
与现有技术相比，本发明具有以下增益效果：
1、本发明采用声纳测距系统对水下障碍物进行扫描，之后结合捷联惯导系统得到的水下航行器的姿态信息与位置信息，工业控制计算机运用避障算法，进行避障路径规划，从而能够在水下情况复杂的环境进行作业。
2、本发明还可以将姿态信息、位置信息与测距信息结合水下建图系统得到的图像信息叠加输出，实现环境建模，一方面可以进一步减小对周围环境的判断错误几率，提高路径规划的准确性，另一方面还可以将水下宝贵的三维环境建模数据回传到地面站，用以对水下环境进行更深层次的研究。
附图说明
图1为自动避障系统的工作流程图
具体实施方式
参见图1，一种水下航行器的自主避障系统，包括信息收集系统、水下建图系统、核心处理系统、核心控制系统和数据传输系统。
所述信息收集系统包括声纳测距模块、发射换能模块和捷联惯导系统。捷联惯导系统包括GPS导航系统与IMU惯性测量单元，具体包括陀螺仪、加速度计和微型计算机。声纳测距模块与发射换能模块共同进行超声波测距工作，对水下航行器周围的障碍物进行测距；
所述水下建图系统为水下全景摄像模块，安装在水下航行器的前部；
所述核心处理模块为小型工业控制计算机，同时配备内部储存器；
所述核心控制系统使用STM32单片机；
所述数据传输系统为无线数传图传系统，与地面站的上位机进行通信。
所述信息收集系统中声纳测距模块包含超声波声纳测距器与声纳控制仪，超声波声纳测距器为矢量声波测距器，声纳控制仪可以开关声纳测距器并且储存测距数据。发射换能模块为声纳测距模块的辅助模块，用以将电能转化为声波。发射换能模块与声纳测距器都与声纳控制仪连接。捷联惯导系统中GPS系统用以监测水下航行器的地理位置信息，IMU惯性测量单元为基于MEMS技术的陀螺仪与加速度计。最终信息收集系统中收集到的测距数据，姿态数据以及地理位置数据都会传输至核心处理系统进行处理；
所述水下建图系统为水下全景摄像模块，由两台广角相机组成，位于水下航行器的前端，得到的水下二维图像数据会传输至核心处理系统。
所述核心处理系统使用的是工业控制计算机，目的是能够在水下复杂的环境中对数据进行准确的处理。核心处理系统一方面可以根据信息收集系统中的测距数据、姿态数据等，融合后利用实时环境建模法确定出障碍物的位置，之后通过避障算法进行路径规划，从而实现避障。另一方面可以根据水下二维图像数据、姿态数据以及GPS数据，利用pix4dmapper实现水下环境三维建模，提高路径规划的准确性并将建模数据回传至地面站；
所述核心控制系统使用的是STM32单片机，核心控制系统主要进行底层控制，即根据路径规划指令控制水下航行器的动力设备，从而使水下航行器按照避障路线行驶；
所述数据传输系统可采用WiFi模块、蓝牙模块、ZigBee模块、或者sub-IG模块实现，主要用于向地面传输环境建模数据，也用于地面向水下航行器发送指令。
一种新型的自主避障系统的避障方法，包括以下步骤：
地面站上位机为水下航行器规定航迹路线后，水下航行器开始航行。信息收集系统收集水下航行器的实时姿态，实时位置，障碍物测距信息，之后，通过I/0口、RS232串口通信协议实现数据传输，将数据信息传输至核心处理系统。水下建图系统采集水下图像信息通过USB2.0标准连接传输至核心处理系统。核心处理系统对得到的数据进行数据处理：1、工业控制计算机对位置信息、姿态信息与声纳声波信息进行信号转化与数据处理，通过时间差定位算法确定水下障碍物的方位与距离，之后进行路径规划；2、工业控制计算机利用pix4d mapper将图像信息与姿态信息叠加输出，生成三维水下环境模型，之后利用数据传输系统将水下环境模型回传至地面站上位机。地面站上位机通过对水下环境建模数据分析后也可直接向水下航行器发出控制指令，实现有效避障。由核心控制系统受到运动控制指令，来控制水下航行器上的动力装置，如舵机与电机，从而使水下航行器按照避障航迹航行。
Claims (6)
1.一种新型水下自主避障系统，其特征在于，包括声纳测距系统、水下二维建图模块、捷联惯导模块、核心处理模块和核心控制模块；声纳测距模块测得障碍物与水下航行器之间的距离信息、水下二维建图模块用于得到水下二维广角图像数据、捷联惯导模块得到水下航行器的姿态信息与位置信息，三个模块将信息共同传至核心处理模块中；核心处理模块根据距离信息、二维图像信息和姿态信息与位置信息，确实障碍物的位置，通过避障算法进行路径规划，实现避障，同时以根据水下二维图像信息、姿态信息及GPS信息，实现水下环境三维建模，并将建模数据回传至地面站。
2.如权利要求1所述的一种新型水下自主避障系统，其特征在于，所述声纳测距系统包括超声波声纳测距仪、发射换能模块与声纳控制仪。所述发射换能模块用以将电能转化为声波；所述超声波声纳测距器为矢量声波测距器，用以发射超声波测量与障碍物之间的距离；所述声纳控制仪用以开关超声波声纳测距仪并且储存测距数据。所述声纳测距系统的工作方式为，声纳测距系统接收指令后，声纳控制仪打开超声波声纳测距仪，发射换能模块提供声波后，得到测距信息并通过声纳控制仪将之储存。
3.如权利要求1所述的一种新型水下自主避障系统，其特征在于，所述水下二维建图模块为两台位于水下航行器前端的广角相机，可以得到水下航行器前端270度的海底景象，并将得到的水下二维图像数据传输至核心处理系统。
4.如权利要求1所述的一种新型水下自主避障系统，其特征在于，所述捷联惯导模块为基于MEMS与GPS的组合导航技术。
5.如权利要求1所述所述的一种新型水下自主避障系统，其特征在于，所述核心处理模块为工业控制计算机，一方面用以接收测距数据与姿态数据，并进行避障路径规划；另一方面用于接收二维图像数据，姿态数据以及GPS数据，实现水下环境三维建模。
6.一种基于权利要求1所述新型水下避障系统的水下避障方法，其特征在于，包含以下工作步骤：
步骤一：地面站上位机初始化数据，并为水下航行器规定航迹路线；
步骤二：声纳测距系统与捷联惯导模块收集到水下航行器的实时姿态信息，位置信息，测距信息之后，通过I/O口、RS232串口通信协议将数据信息传至核心处理系统；水下二维图像信息通过USB2.0标准连接传输至核心处理系统；
步骤三：核心处理系统对收集到的信息进行信号转换与数据处理，实现路径规划与三维水下环境模型；
步骤四：地面站上位机可根据三维水下环境数据进行路径优化，通过遥控天线对水下航行器发送指令，也可以使水下航行器停止或返航。
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