CN111324128A - 一种有助于跨河架空线路避障船只航行方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有助于跨河架空线路避障船只航行方法及系统，方法包括：步骤1、通过一系列传感器构建感知单元处理实时输出帆船的基本信息，自动检测周围环境的障碍物并输出障碍物方位信息；步骤2、根据实时的气象信息和地图信息，规划长途航线路径；步骤3、综合考虑障碍物、帆船航行特性以及风向等信息规划帆船的局部路径，每隔十米输出相对应的路径点；步骤4、利用船只控制模块控制帆船在既定轨迹附近运动，该方法结合单目标跟踪算法实现障碍物的检测与跟踪，不仅能够实时给出障碍物的方位信息，有效的控制船只在既定路径附近航行，而且通过ROS系统连接网络，将电网设备信息录入系统，使得电网安全得到保障，船只航行更加安全。

Description

一种有助于跨河架空线路避障船只航行方法及系统

技术领域

本发明涉及船只航行系统技术领域，具体涉及一种有助于跨河架空线路避障船只航行方法及系统。

背景技术

在电网系统中，输电线路故障不但会降低电网供电的可靠性，还会严重影响电网的安全稳定运行，造成重大损失。随着现代电网规模的不断扩大，对故障检测的快速性也提出更高要求，因此，探索检测新方案，快速发现并消除高阻故障，具有重要的研究价值。

目前，帆船在规定水域进行监测或者巡逻任务时，由于一些电线铁塔会建设与河道中，船只在夜晚航行时由于视线受阻会经常与电线铁塔发生碰撞，或者与横跨河道的架空线路发生碰撞，对电网造成一定的损害坏，但由于帆船推力严重依赖于风(速度和方向)以及由于空气和水动力作用造成的船体本身复杂的动态特性，帆船的操纵有其内在的缺陷，故对于帆船的避障系统的研究极具挑战性。

目前用于跨河架空线路避障船只航行方法的关键问题主要有：

(1)如何提前检测出环境中的未知障碍物：

(2)如何根据障碍物信息、风场条件规划出适合帆船航行特性的局部路径；

(3)如何控制帆船在规划好的局部路径上航行。

发明内容

为此，本发明提供一种有助于跨河架空线路避障船只航行方法及系统，通过传感器采集障碍物、风场等信息数据，结合单目标跟踪算法实现对简单障碍物的检测与跟踪，能够实时给出障碍物的方位信息，并通过避障算法实时掌握帆船的航行路径，能够有效的控制船只在既定路径附近航行，以解决现有技术中由于与横跨河道的架空线路碰撞导致的电路损害问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种有助于跨河架空线路避障船只航行方法，包括以下几个步骤：

步骤1、通过一系列传感器构建感知单元处理实时输出帆船的基本信息，并利用摄像头监控帆船周围环境，自动检测周围环境的障碍物并输出障碍物方位信息；

步骤2、根据实时的气象信息和地图信息，每隔一定时间规划长途航线路径，每隔一千米输出设定间距之间的目标点；

步骤3、综合考虑障碍物、帆船航行特性以及风向等信息规划帆船的局部路径，每隔十米输出相对应的路径点；

步骤4、利用船只控制模块的风帆控制器和循迹控制器，根据当前的相对风向并结合帆船速度来实时地调节风帆角度，结合局部路径规划输出的路径点、距离以及风向等误差输出舵角，控制帆船在既定轨迹附近运动。。

作为本发明的一种优选方案，根据所述步骤1中感知单元输出的帆船实时信息以及障碍区构建航行地图，通过相应间隔之间的起始点和目标点构成的矩形并向外扩张后得到栅格化地图。

作为本发明的一种优选方案，在所述栅格化地图中选取并计算某一节点的损失F，包括起始节点到该节点的损失G和该节点到目标节点的损失H，其计算公式如下所示：

F＝G+H

G＝G_p+k₁G_ω+k₂G_t+k₃G_do+G_f

H＝k₄||p_g-p_c||k₂

其中，G_p为起始点到父节点的损失；G_ω为风向损失；G_t为转向损失；G_do为方向型障碍物损失；G_f为一步路程的固定损失；H为当前节点到目标节点的欧式距离，k₁，k₂，k₃，k₄为比例系数，p_g为目标节点坐标，p_c为当前节点坐标。

作为本发明的一种优选方案，根据所述栅格化地图中任一节点的损失F执行如下步骤：

首先，初始化开放列表、关闭列表，计算平均风向与帆船平均速度，并将起始节点加入到开放列表中；

其次，当开放列表未出现目标节点时，将开放列表中损失F最小的节点设置为当前节点，并将其加入到关闭列表中；当开放列表出现目标节点时，对当前节点相邻的8个节点中的每一个节点进行依次查询；

再者，若当前节点相邻的8个节点中有障碍物或已在关闭列表中，直接继续下一个点，若其不在开启列表中，加入到开启列表，设置父节点为当前节点，并计算F、G、H；若其已在开启列表中，以当前节点为父节点计算G，若G变小，则将父节点设置为当前节点，重新计算F，否则保持不变；

最后，判断最终开启列表是否为空，若为空，则说明路径不存在。

作为本发明的一种优选方案，根据所述开启列表中的节点损伤F判定障碍物方位信息，通过所述方位信息构建相应的航线路径，。

作为本发明的一种优选方案，根据所述航线路径信息规划线性控制器，所述线性控制器通过负反馈以及误差变量算法得到舵角s_r：

其中，e_d为路径偏离误差，

为首向误差，K_p，K_i，K_d为线性控制器的比例项系数，积分项系数和微分项系数。

作为本发明的一种优选方案，根据所述线性控制器提供的帆船位置信息，风向信息以及目标路径信息，构建循迹控制算法：

首先，在算法初始化或路径更新时，遍历路点找到距离当前帆船位置最近的一个，否则从上一个最近路点附近寻找新的最近点，令最近点为P′，做P到P′与后一路点连线的垂线，垂足为F，距离即为路径偏移误差e_d；

其次，从F点向路径前方延伸，直到延伸距离S满足

其中R为搜索半径，得到首向投影点P^*；

再者，连接PP^*，与帆船当前首向夹角即为首向误差

最后，根据计算公式得到舵角或根据逆风转向规则得到舵角。

作为本发明的一种优选方案，根据所述线性控制器在每一时刻的当前相对风向、风速以及风帆的升阻力系数，计算在不同帆角下沿船首方向的推力分量，并将最大推力分量的那个角度作为帆角。

作为本发明的一种优选方案，将所述线性控制器以节点形式运行在ROS系统中，通过所述ROS系统构建连接到所述感知模块、航线路径规划、局部路径规划以及船只控制模块的局域网络，通过所述局域网络共享其他节点信息。

本发明还提供了一种有助于跨河架空线路避障船只航行系统，包括：

感知模块，通过一系列传感器的处理实时输出帆船的基本信息，包括帆船姿态、位置、风向风速等信息，并利用摄像头监控帆船周围环境，自动检测周围环境的障碍物并输出障碍物方位信息；

航线路径规划，根据实时的气象信息和地图信息，每隔一定时间规划长途路径，每隔一千米输出设定间距之间的目标点；

局部路径规划，综合考虑障碍物、帆船航行特性以及风向等信息规划帆船的局部路径，每隔十米输出相对应的路径点；

船只控制模块，主要包括船只的风帆控制器和循迹控制器，风帆控制主要是根据当前的相对风向并结合帆船速度来实时地调节风帆角度，使当前时刻风帆上的推力分量是最大的；循迹控制器则是根据局部路径规划输出的路径点，结合距离与风向等误差输出舵角，控制帆船在既定轨迹附近运动

本发明的实施方式具有如下优点：

本发明实质上通过传感器采集障碍物、风场等信息数据，并根据当前环境信息规划适合帆船的航行路线，并结合单目标跟踪算法实现了对简单障碍物的检测与跟踪，能够实时给出障碍物的方位信息，并通过避障算法实时掌握帆船的航行路径，能够有效的控制船只在既定路径附近航行，在航行过程中能够有效避免跨河架空线路，并将航行过程的控制模块设置在ROS系统中，能够通过ROS系统构建连接到感知模块、航线路径规划、局部路径规划以及船只控制模块的局域网络，通过所述局域网络共享其他节点信息，将海航局中的系统与船只系统进行联合，并将含有电网设备的信息录入系统，使得船只能够预先避开障碍，使得船只航行更加安全，为帆船航行过程的实时监测提供了安全保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明中一种有助于跨河架空线路避障船只航行方法的流程图；

图2为本发明中一种有助于跨河架空线路避障船只航行系统的结构框图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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做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。

如图1所示，本发明提供了一种有助于跨河架空线路避障船只航行方法，通过传感器采集障碍物、风场等信息数据，并根据当前环境信息规划适合帆船的航行路线，并结合单目标跟踪算法实现了对简单障碍物的检测与跟踪，能够实时给出障碍物的方位信息，并通过避障算法实时掌握帆船的航行路径，能够有效的控制船只在既定路径附近航行，在航行过程中能够有效避免跨河架空线路。

包括以下几个步骤：

步骤1、通过一系列传感器构建感知单元处理实时输出帆船的基本信息，包括帆船姿态、位置、风向风速等信息，并利用摄像头监控帆船周围环境，自动检测周围环境的障碍物并输出障碍物方位信息；

步骤2、根据实时的气象信息和地图信息，每隔一定时间规划长途航线路径，每隔一千米输出设定间距之间的目标点；

步骤3、综合考虑障碍物、帆船航行特性以及风向等信息规划帆船的局部路径，每隔十米输出相对应的路径点；

步骤4、利用船只控制模块的风帆控制器和循迹控制器，根据当前的相对风向并结合帆船速度来实时地调节风帆角度，结合局部路径规划输出的路径点、距离以及风向等误差输出舵角，控制帆船在既定轨迹附近运动。

根据所述步骤1中感知单元输出的帆船实时信息以及障碍区构建航行地图，通过相应间隔之间的起始点和目标点构成的矩形并向外扩张后得到栅格化地图。

本实施例中，障碍区初始位置检测标定过程如下：

首先，从摄像机提供的图片的饱和度以及形状入手，将输入图像截取感兴趣区域ROI；

其次，将RGB图像转换到HSV空间并取出饱和度分量，保留高饱和度的区域；

再次进行高斯模糊并用Ganny算子提取边缘；

最后，对边缘图进行Hough圆变换，将类似圆形的位置检测出来，通过多帧过滤得到较为可靠的障碍物初始位置。

在所述栅格化地图中选取并计算某一节点的损失F，包括起始节点到该节点的损失G和该节点到目标节点的损失H，其计算公式如下所示：

F＝G+H

G＝G_p+k₁G_ω+k₂G_t+k₃G_do+G_f

H＝k₄||p_g-p_c||k₂

其中，G_p为起始点到父节点的损失；G_ω为风向损失；G_t为转向损失；G_do为方向型障碍物损失；G_f为一步路程的固定损失；H为当前节点到目标节点的欧式距离，k₁，k₂，k₃，k₄为比例系数，p_g为目标节点坐标，p_c为当前节点坐标。

根据所述栅格化地图中任一节点的损失F执行如下步骤：

首先，初始化开放列表、关闭列表，计算平均风向与帆船平均速度，并将起始节点加入到开放列表中；

其次，当开放列表未出现目标节点时，将开放列表中损失F最小的节点设置为当前节点，并将其加入到关闭列表中；当开放列表出现目标节点时，对当前节点相邻的8个节点中的每一个节点进行依次查询；

再者，若当前节点相邻的8个节点中有障碍物或已在关闭列表中，直接继续下一个点，若其不在开启列表中，加入到开启列表，设置父节点为当前节点，并计算F、G、H；若其已在开启列表中，以当前节点为父节点计算G，若G变小，则将父节点设置为当前节点，重新计算F，否则保持不变；

最后，判断最终开启列表是否为空，若为空，则说明路径不存在。

根据所述开启列表中的节点损伤F判定障碍物方位信息，通过所述方位信息构建相应的航线路径，。

根据所述航线路径信息规划线性控制器，所述线性控制器通过负反馈以及误差变量算法得到舵角s_r：

其中，e_d为路径偏离误差，

为首向误差，K_p，K_i，K_d为线性控制器的比例项系数，积分项系数和微分项系数。

根据所述线性控制器提供的帆船位置信息，风向信息以及目标路径信息，构建循迹控制算法：

首先，在算法初始化或路径更新时，遍历路点找到距离当前帆船位置最近的一个，否则从上一个最近路点附近寻找新的最近点，令最近点为P′，做P到P′与后一路点连线的垂线，垂足为F，距离即为路径偏移误差e_d；

其次，从F点向路径前方延伸，直到延伸距离S满足

其中R为搜索半径，得到首向投影点P^*；

再者，连接PP^*，与帆船当前首向夹角即为首向误差

最后，根据计算公式得到舵角或根据逆风转向规则得到舵角。

根据所述线性控制器在每一时刻的当前相对风向、风速以及风帆的升阻力系数，计算在不同帆角下沿船首方向的推力分量，并将最大推力分量的那个角度作为帆角。

将所述线性控制器以节点形式运行在ROS系统中，通过所述ROS系统构建连接到所述感知模块、航线路径规划、局部路径规划以及船只控制模块的局域网络，通过所述局域网络共享其他节点信息。

本实施例中，将海航局中的系统与船只系统进行联合，将含有电网设备的信息录入系统，使得船只能够预先避开障碍，使得电网安全得到保障，船只航行更加安全。

本实施例中，在100*100m的范围内设置一个目标点(-70，83)，起始点设置为原点(0，0)，在起始点与目标点之间设置两个位置型障碍物(-30，10)，(-50，37)，另外再设置一个方向型障碍物，该障碍物用静态障碍物(-30，25)来模拟，通过所述感知模块设定的系列传感器以及摄像头检测环境信息，在距离障碍物10m处开始检测障碍物，并计算坐标系下障碍物相对于帆船的角度，将该角度输入给避障规划模块。

将环境风场设置为定常风，风向西风，风速3m/s规划模块中网格大小设置为2m，地图每一侧向外扩张1m，位置型障碍物向4领域范围膨胀，帆船速度取2秒平均，每两秒更新一次路径；LOS循迹控制模块，首向投影点搜索半R取5m，线性控制器K_p＝0.5，K_i＝0.001，K_d＝0.45，模拟在不同时刻船只的航行轨迹：

在时刻1，帆船从原点出发还未进入到方向型障碍物探测范围，根据当前真风风向与位置型障碍物规划路径；

在时刻2，帆船开始进入到方向型障碍物探测范围，根据当前方向型障碍物方向、位置型障碍物位置以及真风风向规划路径，会使帆船避开该不可航行方向；

在时刻3，随着帆船位置改变，方向型障碍物的相对方向也在改变，故帆船继续变换路径；

在时刻4，方向型障碍物渐渐到达帆船侧向位置，该方向对于帆船驶向目标点的影响不大，帆船路径再次变化并之后一直保持该路径。

为实现上述方法，本发明实施例提供一种有助于跨河架空线路避障船只航行系统，其特征在于，包括：

感知模块，通过一系列传感器的处理实时输出帆船的基本信息，包括帆船姿态、位置、风向风速等信息，并利用摄像头监控帆船周围环境，自动检测周围环境的障碍物并输出障碍物方位信息；

航线路径规划，根据实时的气象信息和地图信息，每隔一定时间规划长途路径，每隔一千米输出设定间距之间的目标点；

局部路径规划，综合考虑障碍物、帆船航行特性以及风向等信息规划帆船的局部路径，每隔十米输出相对应的路径点；

船只控制模块，主要包括船只的风帆控制器和循迹控制器，风帆控制主要是根据当前的相对风向并结合帆船速度来实时地调节风帆角度，使当前时刻风帆上的推力分量是最大的；循迹控制器则是根据局部路径规划输出的路径点，结合距离与风向等误差输出舵角，控制帆船在既定轨迹附近运动。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种有助于跨河架空线路避障船只航行方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1、通过一系列传感器构建感知单元处理实时输出帆船的基本信息，并利用摄像头监控帆船周围环境，自动检测周围环境的障碍物并输出障碍物方位信息；

步骤2、根据实时的气象信息和地图信息，每隔一定时间规划长途航线路径，每隔一千米输出设定间距之间的目标点；

步骤3、综合考虑障碍物、帆船航行特性以及风向等信息规划帆船的局部路径，每隔十米输出相对应的路径点；

步骤4、利用船只控制模块的风帆控制器和循迹控制器，根据当前的相对风向并结合帆船速度来实时地调节风帆角度，结合局部路径规划输出的路径点、距离以及风向等误差输出舵角，控制帆船在既定轨迹附近运动。

2.根据权利要求1所述的一种有助于跨河架空线路避障船只航行方法，其特征在于，根据所述步骤1中感知单元输出的帆船实时信息以及障碍区构建航行地图，通过相应间隔之间的起始点和目标点构成的矩形并向外扩张后得到栅格化地图。

3.根据权利要求2所述的一种有助于跨河架空线路避障船只航行方法，其特征在于，在所述栅格化地图中选取并计算某一节点的损失F，包括起始节点到该节点的损失G和该节点到目标节点的损失H，其计算公式如下所示：

F＝G+H

G＝G_p+k₁G_ω+k₂G_t+k₃G_do+G_f

H＝k₄||p_g-p_c||k₂

其中，G_p为起始点到父节点的损失；G_ω为风向损失；G_t为转向损失；G_do为方向型障碍物损失；G_f为一步路程的固定损失；H为当前节点到目标节点的欧式距离，k₁，k₂，k₃，k₄为比例系数，p_g为目标节点坐标，p_c为当前节点坐标。

4.根据权利要求3所述的一种有助于跨河架空线路避障船只航行方法，其特征在于，根据所述栅格化地图中任一节点的损失F执行如下步骤：

首先，初始化开放列表、关闭列表，计算平均风向与帆船平均速度，并将起始节点加入到开放列表中；

其次，当开放列表未出现目标节点时，将开放列表中损失F最小的节点设置为当前节点，并将其加入到关闭列表中；当开放列表出现目标节点时，对当前节点相邻的8个节点中的每一个节点进行依次查询；

再者，若当前节点相邻的8个节点中有障碍物或已在关闭列表中，直接继续下一个点，若其不在开启列表中，加入到开启列表，设置父节点为当前节点，并计算F、G、H；若其已在开启列表中，以当前节点为父节点计算G，若G变小，则将父节点设置为当前节点，重新计算F，否则保持不变；

最后，判断最终开启列表是否为空，若为空，则说明路径不存在。

5.根据权利要求4所述的一种有助于跨河架空线路避障船只航行方法，其特征在于，根据所述开启列表中的节点损伤F判定障碍物方位信息，通过所述方位信息构建相应的航线路径。

6.根据权利要求5所述的一种有助于跨河架空线路避障船只航行方法，其特征在于，根据所述航线路径信息规划线性控制器，所述线性控制器通过负反馈以及误差变量算法得到舵角s_r：

其中，e_d为路径偏离误差，

为首向误差，K_p，K_i，K_d为线性控制器的比例项系数，积分项系数和微分项系数。

7.根据权利要求6所述的一种有助于跨河架空线路避障船只航行方法，其特征在于，根据所述线性控制器提供的帆船位置信息，风向信息以及目标路径信息，构建循迹控制算法：

首先，在算法初始化或路径更新时，遍历路点找到距离当前帆船位置最近的一个，否则从上一个最近路点附近寻找新的最近点，令最近点为P′，做P到P′与后一路点连线的垂线，垂足为F，距离即为路径偏移误差e_d；

其次，从F点向路径前方延伸，直到延伸距离S满足

其中R为搜索半径，得到首向投影点P^*；

再者，连接PP^*，与帆船当前首向夹角即为首向误差

最后，根据计算公式得到舵角或根据逆风转向规则得到舵角。

8.根据权利要求6所述的一种有助于跨河架空线路避障船只航行方法，其特征在于，根据所述线性控制器在每一时刻的当前相对风向、风速以及风帆的升阻力系数，计算在不同帆角下沿船首方向的推力分量，并将最大推力分量的那个角度作为帆角。

9.根据权利要求6所述的一种有助于跨河架空线路避障船只航行方法，其特征在于，将所述线性控制器以节点形式运行在ROS系统中，通过所述ROS系统构建连接到所述感知模块、航线路径规划、局部路径规划以及船只控制模块的局域网络，通过所述局域网络共享其他节点信息。

10.一种有助于跨河架空线路避障船只航行系统，其特征在于，包括：

感知模块，通过一系列传感器的处理实时输出帆船的基本信息，包括帆船姿态、位置、风向风速等信息，并利用摄像头监控帆船周围环境，自动检测周围环境的障碍物并输出障碍物方位信息；

航线路径规划，根据实时的气象信息和地图信息，每隔一定时间规划长途路径，每隔一千米输出设定间距之间的目标点；

局部路径规划，综合考虑障碍物、帆船航行特性以及风向等信息规划帆船的局部路径，每隔十米输出相对应的路径点；

船只控制模块，主要包括船只的风帆控制器和循迹控制器，风帆控制主要是根据当前的相对风向并结合帆船速度来实时地调节风帆角度，使当前时刻风帆上的推力分量是最大的；循迹控制器则是根据局部路径规划输出的路径点，结合距离与风向等误差输出舵角，控制帆船在既定轨迹附近运动。

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