CN110580045A - 一种无人艇避障方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无人艇避障方法，包括扫描无人艇周围获取点云数据，对数据校正，根据校正后数据点的距离、方位和无人艇的姿态角度生成微地图；获取微地图并对微地图中的障碍物进行膨胀处理，获取微地图中障碍物的位置和大小；对障碍物进行识别和跟踪获取障碍物的速度信息，并构建和保存障碍物信息；根据障碍物信息以及无人艇位置、速度和姿态角度生成局部避障策略；根据避障策略得出无人艇下一时刻的虚拟航点和时间片，控制无人艇航行。本发明利用无人艇的姿态角度对障碍物与无人艇之间的距离进行校正，降低因无人艇颠簸带来的测量误差；障碍物被记录在微地图中，方便识别与跟踪。
Description
技术领域
本发明涉及无人艇避障技术领域，具体涉及一种无人艇避障方法。
背景技术
随着智能时代的到来，无人艇在环境监测、水域测绘、安防救援、水上航运、军事等方面的应用前景越来越广阔。无人艇航行在复杂的水域环境中，可能会遇到各种各样的障碍物，包括来往船只、暗礁、堤坝、浮标、小岛、大中型水上漂浮物、桥梁等，因此，需要有效的避障方法来确保无人艇高效、安全、顺利地完成任务。
无人艇航行过程中会受风浪的影响发生颠簸，导致激光雷达扫描障碍物发生偏差，甚至偶尔扫描不到障碍物导致障碍物跟踪中断，现有的无人艇避障策略大都实时改变航向角进行避障，容易发生左右摇摆震荡航行问题。
发明内容
本发明提供一种无人艇避障方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种无人艇避障方法，包括如下步骤：
扫描无人艇周围获取点云数据，对数据校正，根据校正后数据点的距离、方位和无人艇的姿态角度生成微地图；
获取微地图并对微地图中的障碍物进行膨胀处理，获取微地图中障碍物的位置和大小；
对障碍物进行识别和跟踪获取障碍物的速度信息，并构建和保存障碍物信息；
根据障碍物信息以及无人艇位置、速度和姿态角度生成局部避障策略；
根据避障策略得出无人艇下一时刻的虚拟航点和时间片，控制无人艇航行。
进一步地，所述姿态角度包括偏航角、俯仰角和横滚角。
进一步地，所述对数据校正，根据校正后数据点的距离、方位和无人艇的姿态角度生成微地图的具体方法为：
获取数据点的距离、方位，以及无人艇的姿态角度；
根据数据点相对于无人艇的方位和无人艇的偏航角确定数据点映射到微地图中相对无人艇的方位；
根据无人艇的俯仰角、横滚角以及数据点的距离，计算数据点的俯仰角、横滚角在水面上的映射位置，对障碍物与无人艇之间的距离进行校正；
结合校正后数据点的距离、方位和无人艇的偏航角生成微地图。
进一步地，所述对微地图中的障碍物进行膨胀处理，获取微地图中障碍物的位置和大小的具体方法为：
S1、对微地图中的障碍物统一扩大相同的阈值；
S2、对膨胀处理后的障碍物求连通域，将微地图中距离近的不同物体视为同一个障碍物；距离远的不同物体视为不同障碍物；
S3、获取连通域后微地图中障碍物的经纬度和大小。
进一步地，所述对障碍物进行识别和跟踪获取障碍物的速度信息，并构建和保存障碍物信息的具体方法为：
对障碍物进行卡尔曼滤波，评估下一时刻该障碍物可能出现的位置；
通过障碍物与评估下一时刻该位置可能出现的障碍物之间的距离判断是否为同一个障碍物，得出障碍物生存状态并记录；
检测下一时刻障碍物实际出现的位置，并将其与评估下一时刻该障碍物可能出现的位置进行判断，得出障碍物生存状态并记录；
根据障碍物生存状态计算其运行速度；
获取障碍物的生存状态、位置、大小和速度，生成障碍物信息并保存。
进一步地，所述根据障碍物信息以及无人艇位置、速度和姿态角度生成局部避障策略的具体方法为:
根据障碍物信息设计避障范围的上限和下限；
根据无人艇的位置、速度、姿态角度和避障范围的上限、下限控制无人艇正常航行、避障绕行或者紧急制动；
根据障碍物信息以及无人艇位置、速度和姿态角度计算和选出最优的无人艇下一时刻的速度和方向。
进一步地，所述根据避障策略得出无人艇下一时刻的虚拟航点和时间片，控制无人艇航行的具体方法为：将最优的无人艇下一时刻的速度和方向转化为虚拟航点和时间片，控制无人艇在时间片规定的时间内向临时虚拟航点航行。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明利用无人艇的姿态角度对障碍物与无人艇之间的距离进行校正，降低因无人艇颠簸带来的测量误差；障碍物被记录在微地图中，方便识别与跟踪；设置障碍物不同的生存状态，降低了无人艇颠簸对障碍物识别与跟踪的影响，对时隐时现的障碍物也能进行有效跟踪，有利于减少跟踪中断，充分考虑了障碍物和无人艇的动态信息，有效进行避碰操作，提出临时虚拟航点概念，相比于其他通过直接下发速度和角度的方法有效降低了震荡抖动航行的发生。
附图说明
图1为本发明流程结构图；
图2为本发明生成微地图流程结构图；
图3为本发明障碍物生存状态转化示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
如图1-3所示，一种无人艇避障方法，包括
步骤一、激光雷达扫描无人艇周围获取点云数据，获取数据点的距离、方位，以及无人艇的姿态角度，姿态角度包括偏航角、俯仰角和横滚角（通过无人艇偏航角我们可以获知无人艇船首方向与正北方向的夹角，通过无人艇俯仰角我们可以获知无人艇船首方向与水平面夹角，通过无人艇横滚角我们可以获知无人艇侧面与水平面的夹角），微地图中选一个位置为无人艇的位置，则微地图中其他位置相对于该位置确定了方向和距离，即以无人艇为中心，上北下南左西右东。根据数据点相对于无人艇的方位和无人艇的偏航角确定数据点映射到微地图中相对无人艇的方位（比如无人艇偏航角为20°，激光雷达某数据点相对于无人艇的方位为10°，那么该数据点映射到微地图中无人艇北偏东30°的位置）；根据无人艇的俯仰角和横滚角以及数据点的距离，可以计算出该数据点的俯仰角和横滚角（无人艇俯仰角为4°，则激光雷达数据点的俯仰角从-4°~4°逐渐变化，比如无人艇正前方的数据点俯仰角为4°，无人艇正后方的数据点俯仰角为-4°，横滚角的计算方式和俯仰角一样），根据数据点的俯仰角和横滚角计算其在水平面上的映射位置，修正障碍物距离船的水平距离，计算获得障碍物距离无人艇的水平距离，作为激光雷达点云数据在微地图中的校正，忽略高度大于一定阈值（例如1.5倍船高，则忽略该数据点）的点云数据，因为该高度的物体一般为飞鸟，对无人艇航行不会产生影响；结合校正后数据点的距离、方位和无人艇的偏航角生成微地图。有数据区域为障碍物，其他区域表示暂无障碍物，通过数据点形成的区域判断障碍物的大小，通过微地图的比例尺算出障碍物对显示在微地图的具体位置，可以通过微地图清晰明了看出障碍物的具体方位。
步骤二、获取微地图并对微地图中的障碍物统一扩大相同的阈值，进行膨胀处理，能够有效降低障碍物的离散度；对膨胀处理后的障碍物求连通域，将微地图中距离近的不同物体视为同一个障碍物，距离远的不同物体视为不同障碍物，获取连通域后微地图中障碍物的轮廓包含了经纬度和大小信息；
步骤三、对障碍物进行卡尔曼滤波，评估下一时刻该障碍物可能出现的位置，障碍物的生存状态可以分为出现、持续、暂时消失和消失；设定一个阈值，通过障碍物与评估下一时刻该位置可能出现的障碍物之间的距离判断是否为同一个障碍物，若当前位置和卡尔曼滤波评估的位置距离小于设定阈值，则判断为同一个障碍物，障碍物生存状态为持续状态，对障碍物生存状态记录，若当前位置和卡尔曼滤波评估的位置距离大于该阈值，则判断为不同障碍物，其生存状态记录为出现状态，对障碍物生存状态记录；检测下一时刻障碍物实际出现的位置，并将其与评估下一时刻该障碍物可能出现的位置进行判断，得出障碍物生存状态并记录，若卡尔曼滤波评估的某个障碍物可能出现的位置与下一时刻实际检测到的所有障碍物的位置都大于设定阈值，则该被评估的障碍物生存状态设为暂时消失，暂时消失的次数大于设定阈值时，其生存状态转化为消失状态；设定处于产生状态和暂时消失状态的障碍物速度为零，根据处于持续状态的障碍物的位置变化计算其速度；通过对所有障碍物的识别与跟踪，得到障碍物的位置、大小和速度，通过障碍物的状态、位置、大小和速度，生成障碍物信息并保存；
步骤四、根据障碍物信息设计避障范围的上限和下限；根据无人艇的位置、速度、姿态角度和避障范围的上限、下限控制无人艇正常航行、避障绕行或者紧急制动，当周围无障碍物或者当无人艇和障碍物的距离大于该避障范围的上限时，无人艇都正常航行，不进行避障操作，当无人艇和障碍物的距离小于避障范围的下限时立即进行紧急制动，防止无人艇无法绕开而碰撞障碍物，避免或降低损失，当无人艇和障碍物的距离处于避障范围的上限和下限之间时，无人艇进行绕行操作，绕开障碍物，障碍物在安全距离以外时继续正常航行；避障模块接收到障碍物信息后，需要对每个障碍物进行计算，采用速度障碍法，根据障碍物的当前位置、大小、速度以及无人艇的位置、速度、姿态角度（包括偏航角、俯仰角和横滚角），求出下一时刻无人艇的速度和方向的集合，在所有集合的交集中选择最优的速度和方向；
步骤五、将最优的无人艇下一时刻的速度和方向转化为虚拟航点和时间片，控制无人艇在时间片规定的时间内向临时虚拟航点航行。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种无人艇避障方法，其特征在于，包括如下步骤：
扫描无人艇周围获取点云数据，对数据校正，根据校正后数据点的距离、方位和无人艇的姿态角度生成微地图；
获取微地图并对微地图中的障碍物进行膨胀处理，获取微地图中障碍物的位置和大小；
对障碍物进行识别和跟踪获取障碍物的速度信息，并构建和保存障碍物信息；
根据障碍物信息以及无人艇位置、速度和姿态角度生成局部避障策略；
根据避障策略得出无人艇下一时刻的虚拟航点和时间片，控制无人艇航行。
2.根据权利要求1所述的无人艇避障方法，其特征在于，所述姿态角度包括偏航角、俯仰角和横滚角。
3.根据权利要求2所述的无人艇避障方法，其特征在于，所述对数据校正，根据校正后数据点的距离、方位和无人艇的姿态角度生成微地图的具体方法为：
获取数据点的距离、方位，以及无人艇的姿态角度；
根据数据点相对于无人艇的方位和无人艇的偏航角确定数据点映射到微地图中相对无人艇的方位；
根据无人艇的俯仰角、横滚角以及数据点的距离，计算数据点的俯仰角、横滚角在水面上的映射位置，对障碍物与无人艇之间的距离进行校正；
结合校正后数据点的距离、方位和无人艇的偏航角生成微地图。
4.根据权利要求1所述的无人艇避障方法，其特征在于，所述对微地图中的障碍物进行膨胀处理，获取微地图中障碍物的位置和大小的具体方法为：
S1、对微地图中的障碍物统一扩大相同的阈值；
S2、对膨胀处理后的障碍物求连通域，将微地图中距离近的不同物体视为同一个障碍物；距离远的不同物体视为不同障碍物；
S3、获取连通域后微地图中障碍物的经纬度和大小。
5.根据权利要求1所述的无人艇避障方法，其特征在于，所述对障碍物进行识别和跟踪获取障碍物的速度信息，并构建和保存障碍物信息的具体方法为：
对障碍物进行卡尔曼滤波，评估下一时刻该障碍物可能出现的位置；
通过障碍物与评估下一时刻该位置可能出现的障碍物之间的距离判断是否为同一个障碍物，得出障碍物生存状态并记录；
检测下一时刻障碍物实际出现的位置，并将其与评估下一时刻该障碍物可能出现的位置进行判断，得出障碍物生存状态并记录；
根据障碍物生存状态计算其运行速度；
获取障碍物的生存状态、位置、大小和速度，生成障碍物信息并保存。
6.根据权利要求1所述的无人艇避障方法，其特征在于，所述根据障碍物信息以及无人艇位置、速度和姿态角度生成局部避障策略的具体方法为:
根据障碍物信息设计避障范围的上限和下限；
根据无人艇的位置、速度、姿态角度和避障范围的上限、下限控制无人艇正常航行、避障绕行或者紧急制动；
根据障碍物信息以及无人艇位置、速度和姿态角度计算和选出最优的无人艇下一时刻的速度和方向。
7.根据权利要求1所述的无人艇避障方法，其特征在于，所述根据避障策略得出无人艇下一时刻的虚拟航点和时间片，控制无人艇航行的具体方法为：将最优的无人艇下一时刻的速度和方向转化为虚拟航点和时间片，控制无人艇在时间片规定的时间内向临时虚拟航点航行。
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