CN111142108B - 一种基于毫米波雷达的船艇环境感知系统和感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于毫米波雷达的船艇环境感知系统和感知方法，解决船艇的主动环境感知能力存在缺陷的技术问题。包括一个主雷达和六个辅雷达，以船艇投影建立平面直角坐标系，平面坐标系的x轴与船艏至船艉的船艇轴线重合，方向为船艉指向船艏，y轴位于船艉在船艇的左侧船舷上顺序间隔安装第一、第二、第五辅雷达，第五辅雷达位于船艉，在船艇的对称船舷上对称安装第三、第四、第六辅雷达，第六辅雷达位于船艉，主雷达安装在船艇轴线上且位于第一、第二、第三、第四辅雷达之间，距离船艏的垂直距离为4.8m。形成水平面船艇360度主动探测覆盖。利用重叠区域进一步提高了船艇主动环境感知的准确性和可靠性，进而增强船艇的避碰自动化水平。

Description

一种基于毫米波雷达的船艇环境感知系统和感知方法

技术领域

本发明涉及环境感知技术领域，具体涉及一种基于毫米波雷达的船艇环境感知系统和感知方法。

背景技术

现有技术中，随着世界经济和航海业的快速发展，水上船艇交通量日益增加，使得海上和内河航运密度增加，水域交通更为复杂，船艇碰撞事故时有发生，严重威胁着人员的生命安全和财产损失，客观上要求提高船艇避碰的自动化水平。对于无人船艇而言，自主避障能力是无人艇完成规划任务的关键。

要实现避碰自动化，具备环境感知能力是前提条件。目前，随着科学技术的发展，越来越多的先进导航设备已应用到航海中，如GPS/北斗高精度定位仪，ARPA雷达和AIS(船舶自动识别系统)等等。这些先进设备的使用，不仅能预先探知对方船只的当前状态，而且还能帮助我们及时预测或预报目标船只的未来时刻相对于本船艇所构成的威胁态势。这些均为本船艇提前采取预警和避碰，提供了重要的辅助决策作用。然而，GPS/北斗高精度定位仪只能用于本船艇定位和测速，无法探知障碍物的信息，雷达系统虽然可探测远处障碍物，但是却在本船艇附近存在一定范围的盲区，AIS可以获得本船艇周围船只的航行信息，但是其只能接收到已安装AIS设备且正常发送信息的船只，不具备主动探知周围船只信息的能力。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供一种基于毫米波雷达的船艇环境感知系统和感知方法，解决现有船艇的环境感知存在盲区，主动探测船艇周围障碍物能力的不足，船艇主动环境感知能力存在缺陷的技术问题。

本发明实施例的基于毫米波雷达的船艇环境感知系统，包括：

一个主雷达和六个辅雷达，以船艇投影建立平面坐标系，所述平面坐标系的x轴与船艏至船艉的船艇轴线重合，方向为船艉指向船艏，y轴位于船艉所在的平面，并与x轴垂直，在所述船艇的左侧船舷上由船艏至船艉的顺序间隔安装第一辅雷达、第二辅雷达和第五辅雷达，第一辅雷达距离船艏的垂直距离为2m，第二辅雷达距离船艉的垂直距离为1.7m，第五辅雷达位于所述船艉，在所述船艇的对称船舷上对称安装第三辅雷达、第四辅雷达和第六辅雷达，第六辅雷达位于所述船艉，所述主雷达安装在所述船艇轴线上且位于所述第一辅雷达、所述第二辅雷达、所述第三辅雷达和所述第四辅雷达之间，距离船艏的垂直距离为4.8m。

本发明实施例的基于毫米波雷达的船艇环境感知方法，包括：

确认毫米波雷达分布设置的覆盖区域；

确认所述覆盖区域的重叠区域边界；

获得所述覆盖区域内障碍物相对毫米波雷达的相对坐标位置；

根据所述相对坐标位置获得所述障碍物在统一坐标空间内的参考坐标；

本发明实施例的基于毫米波雷达的船艇环境感知系统和感知方法在360°主动探测覆盖区域内利用重叠区域缩小了探测覆盖衔接易出现的内侧近场盲区，形成水平面船艇360°主动探测覆盖。雷达配置数量、性能参数和船型适应性上降低成本，保证感知效果。利用重叠区域保证了探测覆盖无死角的同时采用位置-坐标的变换相似性识别实现对障碍物的去重，进一步提高了船艇主动环境感知的准确性和可靠性，进而增强船艇的避碰自动化水平。

附图说明

图1所示为本发明一实施例基于毫米波雷达的船艇环境感知系统的架构示意图。

图2所示为本发明一实施例基于毫米波雷达的船艇环境感知方法的架构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一实施例基于毫米波雷达的船艇环境感知系统中毫米波雷达设置参数如图1所示。在图1中，以8.5米长船艇的设计标准为基础，共设置七个毫米波雷达，包括一个主雷达和六个辅雷达，以船艇的俯视图为准建立平面坐标系，平面坐标系的x轴与船艏至船艉的船艇轴线重合，方向为船艉指向船艏，在船艇的左侧船舷上由船艏至船艉的顺序间隔安装第一辅雷达r1、第二辅雷达r2和第五辅雷达r5，第一辅雷达距离船艏的垂直距离为2m，第二辅雷达距离船艉的垂直距离为1.7m，第五辅雷达r5位于船艉，在船艇的对称船舷上对称安装第三辅雷达r3、第四辅雷达r4和第六辅雷达r6，第六辅雷达r6位于船艉，主雷达r0安装在船艇轴线上且位于第一辅雷达r1、第二辅雷达r2、第三辅雷达r3和第四辅雷达r4之间，距离船艏的垂直距离为4.8m。

如图1所示，在本发明一实施例中，辅雷达参数为探测距离40m，探测方位角度范围100°，主雷达参数为探测距离100m，探测方位角度范围31°。

如图1所示，在本发明一实施例中，第二辅雷达r2覆盖区域指向y轴正半轴方向且与y轴正半轴平行，第四辅雷达r4覆盖区域指向y轴负半轴方向且与y轴负半轴平行，第五辅雷达r5覆盖区域指向x轴负半轴方向且偏向y轴正半轴20°，第六辅雷达r6覆盖区域指向x轴负半轴方向且偏向y轴负半轴20°，主雷达r0覆盖区域指向x轴正半轴方向与x轴正半轴重合，第一辅雷达r1覆盖区域指向y轴正半轴方向且偏向x轴正半轴30°，第三辅雷达r3覆盖区域指向y轴负半轴方向且偏向x轴正半轴30°。

第一辅雷达覆盖区域a03与主雷达覆盖区域a01形成二号重叠区域a02，第一辅雷达覆盖区域a03与第二辅雷达覆盖区域a05形成四号重叠区域a04，第二辅雷达覆盖区域a05与第五辅雷达覆盖区域a07形成六号重叠区域a06，第五辅雷达覆盖区域a07与第六辅雷达覆盖区域a09形成八号重叠区域a08，第六辅雷达覆盖区域a09与第四辅雷达覆盖区域a11形成十号重叠区域a10，第四辅雷达覆盖区域a11与第三辅雷达覆盖区域a13形成十二号重叠区域a12，第三辅雷达覆盖区域a13与主雷达覆盖区域a01形成十四号重叠区域a14。

本发明实施例的基于毫米波雷达的船艇环境感知系统通过一主六辅毫米波雷达在360°主动探测覆盖内利用重叠区域缩小了探测覆盖衔接易出现的内侧近场盲区，形成水平面船艇360°主动探测覆盖。雷达配置数量、性能参数和船型适应性上降低成本，保证感知效果。

本发明一实施例基于毫米波雷达的船艇环境感知方法如图2所示。在图2中，利用上述实施例的基于毫米波雷达的船艇环境感知系统，本发明实施例方法包括：

步骤10：确认毫米波雷达分布设置的覆盖区域。

毫米波雷达指向性能好、分辨率高，波长为1～10mm，适于在船艇较高的运动变化范围内识别距离变化的障碍物。针对船艇的航行波动特点障碍物存在持续相对位置变化，本领域技术人员可以理解，通过多个毫米波雷达进行水平面船艇360°主动探测覆盖有利于降低毫米波雷达制造成本，提高覆盖区域内识别精度，降低雷达旁瓣干扰。

本领域技术人员可以理解，毫米波雷达可以根据雷达馈元位置判断障碍物相对位置，根据毫米波雷达在船艇体积轮廓上的确定设置位置确定障碍物相对船艇的位置，进而根据毫米波雷达在船艇体积轮廓上的确定设置位置形成统一平面坐标空间确定各覆盖区域内障碍物的相对位置。

步骤20：确认覆盖区域的重叠区域边界。

为了保证水平面船艇360°探测覆盖，毫米波雷达覆盖区域存在重叠区域，重叠区域中的障碍物会被不同的毫米波雷达识别形成障碍物出现重复识别，因此需要确定出现重复识别的重叠区域的边界。

本领域技术人员可以理解，根据各毫米波雷达在船艇体积轮廓上的确定设置位置、确定覆盖角度和确定覆盖距离，可以量化重叠区域的边界范围，包括重叠区域的边界距离和边界角度。

步骤30：获得覆盖区域内障碍物相对毫米波雷达的相对坐标位置。

本领域技术人员可以理解，以毫米波雷达设置位置为基点可以量化障碍物相对位置。

步骤40：根据相对坐标位置获得障碍物在统一坐标空间内的参考坐标。

本领域技术人员可以理解，在船艇体积轮廓上设置基点，可以根据毫米波雷达设置位置将障碍物相对船艇基点位置进行统一坐标范围内的位置量化。

步骤50：比较障碍物的参考坐标对重叠区域内的障碍物去重处理。

在重叠区域内，同一障碍物在不同毫米波雷达探测范围内形成单独的障碍物反馈，通过对比单独的障碍物间的坐标相似性可以过滤障碍物重复识别。

本发明实施例的基于毫米波雷达的船艇环境感知方法利用分布设置毫米波雷达形成测量精度和分辨率的水平面船艇360度障碍物探测覆盖。利用重叠区域保证了探测覆盖无死角的同时采用位置-坐标的变换相似性识别实现对障碍物的去重，进一步提高了船艇主动环境感知的准确性和可靠性，进而增强船艇的避碰自动化水平。

在本发明一实施例中，基于上述实施例基于毫米波雷达的船艇环境感知方法，重叠区域边界的确定包括：

进入二号重叠区域a02边界的判断条件如下：

L₀≥6.17(m),θ₀＝15.5°

L₁≥3.20(m),θ₁＝-50°

其中，L₀为主雷达探测到障碍物距离其自身的距离，θ₀为障碍物相对主雷达的方位；L₁为第一辅雷达探测到障碍物距离其自身的距离，θ₁为障碍物相对第一辅雷达的方位。

进入四号重叠区域a04边界的判断条件如下：

L₁≥3.29(m),θ₁＝50°

L₂≥4.76(m),θ₂＝-50°

其中，L₂为第二辅雷达探测到障碍物距离其自身的距离，θ₂为障碍物相对第二辅雷达的方位。

进入六号重叠区域a06边界的判断条件如下：

L₂≥3.43(m),θ₂＝50°

L₅≥2.70(m),θ₅＝-50°

其中，L₅为第五辅雷达探测到障碍物距离其自身的距离，θ₅为障碍物相对第五辅雷达的方位。

进入八号重叠区域a08边界的判断条件如下：

L₅≥1.53(m),θ₅＝50°

L₆≥1.53(m),θ₆＝-50°

其中，L₆为第六辅雷达探测到障碍物距离其自身的距离，θ₆为障碍物相对第六辅雷达的方位。

进入十号重叠区域a10边界的判断条件如下：

L₆≥2.70(m),θ₆＝50°

L₄≥3.43(m),θ₄＝-50°

其中，L₄为第四辅雷达探测到障碍物距离其自身的距离，θ₄为障碍物相对第四辅雷达的方位。

进入十二号重叠区域a12边界的判断条件如下：

L₄≥4.76(m),θ₄＝50°

L₃≥3.29(m),θ₃＝-50°

其中，L₃为第三辅雷达探测到障碍物距离其自身的距离，θ₃为障碍物相对第三辅雷达的方位。

进入十四号重叠区域a14边界的判断条件如下：

L₃≥3.20(m),θ₃＝50°

L₀≥6.17(m),θ₀＝-15.5°

在本发明一实施例中，基于上述实施例基于毫米波雷达的船艇环境感知方法，参考坐标位置的确定包括：

主雷达探测障碍物的参考坐标变换如下：

x₀＝L₀cosθ₀+3.7(m),-15.5°＜θ₀≤15.5°

y₀＝L₀sinθ₀(m)

第一辅雷达探测障碍物的参考坐标变换如下：

x′₁＝-L₁sinθ₁,-50°＜θ₁≤50°

y′₁＝L₁cosθ₁

x₁＝x′₁cos30°+y′₁sin30°+6.5(m)

y₁＝-x′₁sin30°+y′₁cos30°+1(m)

第二辅雷达探测障碍物的参考坐标变换如下：

x₂＝-L₂sinθ₂+1.7(m),-50°＜θ₂≤50°

y₂＝L₂cosθ₂+1.025(m)

第三辅雷达探测障碍物的参考坐标变换如下：

x′₃＝-L₃sinθ₃,-50°＜θ₃≤50°

y′₃＝L₃cosθ₃

x₃＝-x′₃cos30°+y′₃sin30°+6.5(m)

y₃＝-x′₃sin30°-y′₃cos30°-1(m)

第四辅雷达探测障碍物的参考坐标变换如下：

x₄＝L₄sinθ₄+1.7(m),-50°＜θ₄≤50°

y₄＝-L₄cosθ₄-1.025(m)

第五辅雷达探测障碍物的参考坐标变换如下：

x′₅＝-L₅sinθ₅,-50°＜θ₅≤50°

y′₅＝L₅cosθ₅

x₅＝x′₅sin20°-y′₅cos20°(m)

y₅＝x′₅cos20°+y′₅sin20°+0.767(m)

第六辅雷达探测障碍物的参考坐标变换如下：

x′₆＝-L₆sinθ₆,-50°＜θ₆≤50°

y′₆＝L₆cosθ₆

x₆＝-x′₆sin20°-y′₆cos20°(m)

y₆＝x′₆cos20°-y′₆sin20°-0.767(m)

在本发明一实施例中，基于上述实施例基于毫米波雷达的船艇环境感知方法，障碍物去重处理包括：

相同重叠区域内障碍物i和障碍物j的参考坐标比对满足

时，则障碍物i和障碍物j为同一个障碍物，只需输出一个经过坐标变换后的障碍物信息，否则输出两个障碍物经过坐标变换后的信息。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于毫米波雷达的船艇环境感知方法，基于的船艇环境感知系统包括：

一个主雷达和六个辅雷达，以船艇投影建立准建立平面坐标系，所述平面坐标系的x轴与船艏至船艉的船艇轴线重合，方向为船艉指向船艏，y轴位于船艉所在的平面，并与x轴垂直，在所述船艇的左侧船舷上由船艏至船艉的顺序间隔安装第一辅雷达、第二辅雷达和第五辅雷达，第一辅雷达距离船艏的垂直距离为2m，第二辅雷达距离船艉的垂直距离为1.7m，第五辅雷达位于所述船艉，在所述船艇的对称船舷上对称安装第三辅雷达、第四辅雷达和第六辅雷达，第六辅雷达位于所述船艉，所述主雷达安装在所述船艇轴线上且位于所述第一辅雷达、所述第二辅雷达、所述第三辅雷达和所述第四辅雷达之间，距离船艏的垂直距离为4.8m；

所述第二辅雷达覆盖区域指向y轴正半轴方向且与y轴正半轴平行，第四辅雷达覆盖区域指向y轴负半轴方向且与y轴负半轴平行，第五辅雷达r5覆盖区域指向x轴负半轴方向且偏向y轴正半轴20°，第六辅雷达覆盖区域指向x轴负半轴方向且偏向y轴负半轴20°，主雷达覆盖区域指向x轴正半轴方向与x轴正半轴重合，第一辅雷达覆盖区域指向y轴正半轴方向且偏向x轴正半轴30°，第三辅雷达覆盖区域指向y轴负半轴方向且偏向x轴正半轴30°；

所述第一辅雷达覆盖区域与主雷达覆盖区域形成二号重叠区域，第一辅雷达覆盖区域与第二辅雷达覆盖区域形成四号重叠区域，第二辅雷达覆盖区域与第五辅雷达覆盖区域形成六号重叠区域，第五辅雷达覆盖区域与第六辅雷达覆盖区域形成八号重叠区域，第六辅雷达覆盖区域与第四辅雷达覆盖区域形成十号重叠区域，第四辅雷达覆盖区域与第三辅雷达覆盖区域形成十二号重叠区域，第三辅雷达覆盖区域与主雷达覆盖区域形成十四号重叠区域；

所述船艇8.5米长，所述辅雷达参数为探测距离40m，探测方位角度范围100°，主雷达参数为探测距离100m，探测方位角度范围31°；

其特征在于，包括：

确认毫米波雷达分布设置的覆盖区域；

确认所述覆盖区域的重叠区域边界；

获得所述覆盖区域内障碍物相对毫米波雷达的相对坐标位置；

根据所述相对坐标位置获得所述障碍物在统一坐标空间内的参考坐标；

比较障碍物的所述参考坐标对所述重叠区域内的障碍物去重处理；

所述重叠区域边界的确定包括：

进入所述二号重叠区域边界的判断条件如下：

L₀≥6.17(m),θ₀＝15.5°

L₁≥3.20(m),θ₁＝-50°

其中，L₀为主雷达探测到障碍物距离其自身的距离，θ₀为障碍物相对主雷达的方位；L₁为第一辅雷达探测到障碍物距离其自身的距离，θ₁为障碍物相对第一辅雷达的方位；

进入所述四号重叠区域边界的判断条件如下：

L₁≥3.29(m),θ₁＝50°

L₂≥4.76(m),θ₂＝-50°

其中，L₂为第二辅雷达探测到障碍物距离其自身的距离，θ₂为障碍物相对第二辅雷达的方位；

进入所述六号重叠区域边界的判断条件如下：

L₂≥3.43(m),θ₂＝50°

L₅≥2.70(m),θ₅＝-50°

其中，L₅为第五辅雷达探测到障碍物距离其自身的距离，θ₅为障碍物相对第五辅雷达的方位；

进入所述八号重叠区域边界的判断条件如下：

L₅≥1.53(m),θ₅＝50°

L₆≥1.53(m),θ₆＝-50°

其中，L₆为第六辅雷达探测到障碍物距离其自身的距离，θ₆为障碍物相对第六辅雷达的方位；

进入所述十号重叠区域边界的判断条件如下：

L₆≥2.70(m),θ₆＝50°

L₄≥3.43(m),θ₄＝-50°

其中，L₄为第四辅雷达探测到障碍物距离其自身的距离，θ₄为障碍物相对第四辅雷达的方位；

进入所述十二号重叠区域边界的判断条件如下：

L₄≥4.76(m),θ₄＝50°

L₃≥3.29(m),θ₃＝-50°

其中，L₃为第三辅雷达探测到障碍物距离其自身的距离，θ₃为障碍物相对第三辅雷达的方位；

进入所述十四号重叠区域边界的判断条件如下：

L₃≥3.20(m),θ₃＝50°

L₀≥6.17(m),θ₀＝-15.5°

所述参考坐标位置的确定包括：

所述主雷达探测障碍物的参考坐标变换如下：

x₀＝L₀cosθ₀+3.7(m),-15.5°＜θ₀≤15.5°

y₀＝L₀sinθ₀(m)

所述第一辅雷达探测障碍物的参考坐标变换如下：

x′₁＝-L₁sinθ₁,-50°＜θ₁≤50°

y′₁＝L₁cosθ₁

x₁＝x′₁cos30°+y′₁sin30°+6.5(m)

y₁＝-x′₁sin30°+y′₁cos30°+1(m)

所述第二辅雷达探测障碍物的参考坐标变换如下：

x₂＝+L₂sinθ₂+1.7(m),-50°＜θ₂≤50°

y₂＝L₂cosθ₂+1.025(m)

所述第三辅雷达探测障碍物的参考坐标变换如下：

x′₃＝-L₃sinθ₃,-50°＜θ₃≤50°

y′₃＝L₃cosθ₃

x₃＝-x′₃cos30°+y′₃sin30°+6.5(m)

y₃＝-x′₃sin30°-y′₃cos30°-1(m)

所述第四辅雷达探测障碍物的参考坐标变换如下：

x₄＝L₄sinθ₄+1.7(m),-50°＜θ₄≤50°

y₄＝-L₄cosθ₄-1.025(m)

所述第五辅雷达探测障碍物的参考坐标变换如下：

x′₅＝-L₅sinθ₅,-50°＜θ₅≤50°

y′₅＝L₅cosθ₅

x₅＝x′₅sin20°y′₅cos20°(m)

y₅＝x′₅cos20°+y′₅sin20°+0.767(m)

所述第六辅雷达探测障碍物的参考坐标变换如下：

x′₆＝-L₆sinθ₆,-50°＜θ₆≤50°

y′₆＝L₆cosθ₆

x₆＝-x′₆sin20°-y′₆cos20°(m)

y₆＝x′₆cos20°-y′₆sin20°-0.767(m)。

2.如权利要求1所述的基于毫米波雷达的船艇环境感知方法，其特征在于，所述障碍物去重处理包括：

相同重叠区域内障碍物i和障碍物j的参考坐标比对满足

|x_i-x_j|≤1(m)

|y_i-y_j|≤1(m)时，则障碍物i和障碍物j为同一个障碍物，只需输出一个经过坐标变换后的障碍物信息，否则输出两个障碍物经过坐标变换后的信息。

3.如权利要求1所述的基于毫米波雷达的船艇环境感知方法，其特征在于，所述毫米波雷达波长为1～10mm。