CN112666936A - 一种半潜式无人船智能避障系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半潜式无人船智能避障系统及其方法，涉及水下机器人控制技术领域；传感模块用于接收避障模块检测到的障碍物信息，数据优化处理并传输给控制算法模块；控制算法模块接收传感模块优化处理的数据，并建立半潜式无人船运动模型，规划避障路径，控制半潜式无人船以迂回式路径避开障碍物；压力深度计探测半潜式无人船所处深度，根据设定阈值确定半潜式无人船所使用避障模块；避障系统包括超声波避障模块、声纳避障模块以及机器视觉，通过组合优化算法实现三个模块配合使用，实现高效避障，充分利用各个模块的优势；本发明的避障模块通过设定阈值切换使用，自主配合组成避障系统，以迂回式路径避开障碍物，并且迂回式路径可覆盖所有范围。

Description

一种半潜式无人船智能避障系统及方法

技术领域

本发明涉及水下机器人控制技术领域，提供了一种半潜式无人船智能避障系统及方法。

背景技术

半潜式无人船是一种新型无人船，船身潜伏于水面下，可进行水面及中深层水域探测。半潜式无人船具有活动范围大、机动性强、智能化等优点，以逐步成为探测水域任务的重要无人船之一。

随着人类社会的发展，人类对知识的探索和自然界的认知也上升到了一个新的层面，人类开始对江河、海洋进行探索，并对水体资源进行开发和利用，因此有关于船舶领域的应用发展迅速。面对未知的水域，环境复杂、工作环境危险，所以无人船成为了人类探测和研究未知水域的主要工具。

目前半潜式无人船用途愈加广泛，普通无人船受水域环境因素影响比较大，水下环境复杂且具有多变性，障碍物严重影响无人船的工作，且容易破坏无人船船体，所以一种应对多变环境的避障系统尤其重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半潜式无人船智能避障控制系统及方法，提供三个避障模块，三个模块相互切换配合运行，使半潜式无人船在未知水域工作时能够高效避开障碍物，保证船体安全，从而稳定工作。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种半潜式无人船智能避障系统，包括传感模块，传感模块用于接收避障模块检测到的障碍物信息，对此信息进行数据优化处理并传输给控制算法模块；

控制算法模块接收传感模块优化处理的数据，并建立半潜式无人船运动模型，规划避障路径，控制半潜式无人船航速，与障碍物保持安全距离，以迂回式路径避开障碍物；

压力深度计探测半潜式无人船所处深度，与D/A数模转换器相连接，将半潜式无人船所处深度转化为模拟信号传输给控制算法模块，并根据设定阈值确定半潜式无人船所使用避障模块；

避障系统包括超声波避障模块、声纳避障模块以及机器视觉，通过预先设定的阈值，三个模块配合切换使用，使半潜式无人船高效避障，充分利用各个模块的优势；

半潜式无人船上浮或下潜时，声纳探测仪实时检测半潜式无人船上方水域安全情况，保证半潜式无人船所在水域安全；若出现障碍物，控制算法模块控制半潜式无人船停止上浮或下潜，改变航向以及航速，当声纳探测仪未检测到障碍物时，根据既定路线继续航行，

进一步地，控制算法模块通过多普勒计程仪获取水域水流流速以及流速等信息，控制算法模块根此信息规划航向和速度控制；

进一步地，控制算法模块路径规划为垂直上浮，根据力的合成，通过多普勒计程仪提供的水流信息控制半潜式无人船航速与水流流速相同，航向与水流流向相反，在水平方向抵消半潜式无人船的运动，以实现半潜式无人船垂直上浮，且有效避开障碍物；

步骤1，预先设定深度阈值，压力深度计提供半潜式无人船所处深度，确定半潜式无人船探测装置如何使用；

步骤2，当工作于水下1m及水面上时，通过超声波和机器视觉组成的避障系统进行避障，超声波传感器探测障碍物位置、速度等信息，机器视觉提供障碍物面积、数量等信息，两个模块配合，并将数据传输至传感模块进行数据综合处理；

当工作于水下1m至20m时，利用机器视觉和声纳探测仪组成的避障系统进行避障，通过声纳探测仪测量障碍物位置、速度、加速度等信息，摄像机拍摄障碍物，图像处理器将此转化为数字信息，并抽取障碍物面积、数量、长度等信息；

当半潜式无人船工作于深水区超过20m时，仅使用声纳避障系统，此时水域采光较弱，机器视觉采取图像模糊容易造成误差；

步骤3，传感模块对数据进行综合优化处理，并传输给控制算法模块，控制算法模块根据此信息控制半潜式无人船航速与障碍物保持安全距离；

步骤4，控制算法模块以迂回式路径为主要避障路径，上升或下沉为辅助路径，以规划避障路径，从而实现半潜式无人船避障。

优选的，所述声纳探测仪，还用于半潜式无人船上浮或下沉时的路径规划，具体包括以下步骤：

步骤401，利用声呐探测仪探测无人船上方和下方是否有障碍物，声纳探测仪实时检测与障碍物的距离；

步骤402，通过多普勒计程仪检测水流速度及流向；

步骤403，控制算法模块将声呐探测仪探测到的距离信息与水流速度及流向信息进行整合处理；

步骤404，通过多普勒计程仪提供的水流信息控制半潜式无人船航速与水流流速相同，航向与水流流向相反，根据力的合成在水平方向抵消半潜式无人船的运动，以实现垂直上浮或下潜；

步骤405，上浮或下潜时，声纳探测仪实时检测半潜式无人船上方水域安全情况，保证半潜式无人船所在水域安全；

步骤406，若出现障碍物，控制算法模块控制半潜式无人船停止上浮或下潜，改变航向及航速，当声纳探测仪未检测到障碍物时，根据既定路线继续航行，返回步骤401。

优选的，步骤4中所述的迂回式路径的规划包括以下步骤：

步骤410，通过半潜式无人船所搭载的定位装置定位位置坐标，通过多普勒计程仪确定当前航速，通过机器视觉、声纳探测仪、超声波传感器协同工作确定障碍物最大半径、速度以及中心点，以无人船至障碍物的连线为X轴建立直角坐标系，以障碍物中心点为圆心，最大半径r做圆，此面积为第一危险区域；

步骤420，将无人船与障碍物最边缘连线内的区域作为第二危险区域；

步骤430，并以障碍物最大半径作为椭圆短轴，无人船至障碍物的直线距离作为椭圆长轴，以此规划的椭圆曲线为半潜式无人船的迂回式路径；

步骤440，根据获取的无人船所在环境的危险区域，确定无人船航速，规定最小转弯半径大于障碍物半径提高安全距离。

优选的，所述步骤3中为实现机器视觉、声纳探测仪和超声波传感器的切换，采用如下步骤控制：

步骤31，对建模数据中的原始变量与目标变量进行规定，目标变量超声波避障A₁、机器视觉A₂、声纳避障A₃，初始化分割点作为优化算法的基础，进入下一步的组合优化算法中；

步骤32，设置组合优化算法中的约束条件，包括切换避障模块的阈值以及阈值设置范围；

步骤33，计算满足设定阈值及满足约束条件的目标函数；

步骤34，利用组合思想从A₁、A₂以及A₃三个目标函数中，寻找最优组合模块。

本发明的有益效果为：

本发明所述智能避障系统采用机器视觉、声纳避障以及超声波避障相互切换组合工作，在半潜式无人船工作于不同水域深度时通过控制算法模块控制三种避障模块相互切换配合使用，完成半潜式无人船的避障；并提供一种组合优化算法，可通过水域环境预先设定的阈值，控制各个模块的工作深度，最大程度的发挥各个避障模块的优势；智能避障系统采用迂回式路径为主要避障路径，此路径可覆盖所有范围，使半潜式无人船安全避开障碍物，保证航行安全；

附图说明

图1是半潜式无人船上浮避障控制的连接方式图；

图2是半潜式无人船上浮避障控制方法流程图；

图3是半潜式无人船组合避障模块的控制算法流程图；

图4是半潜式无人船避障控制方法流程图；

图5是半潜式无人船迂回式路径规划示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思和主要原理进行详细的描述，以充分理解本发明的效果和益处：

如图1所示，一种半潜式无人船智能避障系统及方法，包括传感模块、控制算法模块、压力深度计、D/A数模转换器、多普勒计程仪、声纳探测仪、超声波传感器以及机器视觉；机器视觉、声纳探测仪、超声波传感器以及多普勒计程仪将信号传输给传感模块，传感模块对接收到的数据优化处理并传输给控制算法模块；控制算法模块接收传感模块及压力深度计的信息并对其进行处理，控制算法模块控制机器视觉、声纳探测仪、超声波传感器和动力系统工作；所述机器视觉主要由摄像头、照明设备以及图像处理器构成，所述超声波传感器、声纳探测仪用于获取障碍物位置和速度等信息，机器视觉、声纳探测仪和超声波传感器相互配合使用；所述压力深度计用于探测半潜式无人船所处深度；所述多普勒计程仪用于检测水流速度、流向以及半潜式无人船在航行时的速度。

传感模块由于数据优化处理并将此数据传输给控制算法模块，控制算法模块根据获得的数据控制半潜式无人船航速，与障碍物保持安全距离，并规划避障路径进行避障；

压力深度计主要用于测量半潜式无人船所处深度，D/A数模转换器将深度转化为模拟信号，和预设阈值进行比较，从而对三个控制模块进行相互切换配合使用；

具体的，本智能避障系统中，机器视觉包括摄像头、照明设备以及图像处理器，摄像头和照明设备配合使用获取障碍物信息，图像处理器将此图像信息转化为数据信息，并且抽取障碍物面积、数量以及长度等信息；超声波避障及声纳避障通过获取障碍物位置、速度等信息进行避障。

如图2所示，为半潜式无人船上浮避障控制方法，当半潜式无人船需要上浮时，先通过声纳探测仪探测无人船上方是否有障碍物，若上浮前部进行探测，容易造成无人船与障碍物发生碰撞导致损坏；

具体地，所述多普勒计程仪测量准确度、灵敏度高，通过此计程仪测量获取当前水域水流速度以及流向，可使控制算法模块更加精确控制无人船的航向和航速，以保持无人船的相对静止状态；此静止状态是无人船相对于水域情况而言，无人船航向与水流方向相反、速度相同，根据力的合成在水平面上相抵消，从而达到无人船在水域中相对静止，从而实现无人船的垂直上浮；

半潜式无人船上浮的过程中，声纳探测仪实时探测无人船上方水域情况，以保证无人船的安全上浮；在无人船运动当中多普勒计程仪实时获取水域速度及航向，控制算法模块根据此数据对无人船的航向和速度进行实时控制，以实现相对静止的垂直上浮；

在半潜式无人船上浮过程中若突然出现障碍物，声纳探测仪将会检测到，控制算法模块会根据此数据控制半潜式无人船改变航向及航速以避开无人船上方的障碍物，并通过多普勒计程仪获取的水域速度迅速恢复垂直上浮状态。

如图3半潜式无人船组合避障模块的控制算法流程图，此控制算法用于控制声纳避障、机器视觉以及超声波避障三个避障模块的切换以及配合使用，使避障系统最优化；

具体地，约束条件中的阈值根据半潜式无人船工作水域环境进行设置，阈值范围可设置为半潜式无人船的最大工作深度；

根据此算法的思想，不仅得到了能够在数据意义上达到最优效果的避障模块组合，又能实现避障系统中不同避障模块的切换、组合，实现半潜式无人船避障的最优化。

如图4为半潜式无人船避障控制方法，图中所述压力深度计不仅作为无人船的深度测量，而且将所测数据作为一个比较值；

具体地，压力深度计获取深度数据后通过D/A数模转化器将数据转化为模拟量，和预先设置的阈量进行对比，为系统提供一个参考量，从使避障模块能够自主切换使用，并相互配合组成避障系统，完成无人船的避障；

图中阈量划分为一个参考值，一般情况下20米左右的深度水域采光较差而且水域比较浑浊，机器视觉在此环境中不利于发挥优势，所以以声纳避障为主；超声波避障可在潜水区使用，此时水域情况对超声波影响较小，声纳避障仅可在水下使用；

水域深度划分和阈量设置可由水面操控台自主设置，使各个模块能够发挥出此模块；预先探测半潜式无人船工作水域，根据水域信息对阈量进行调配，当比较浑浊时，可调控阈量，使机器视觉工作潜水区，超过此设置阈量后，避障系统主要由声纳探测仪完成；

具体地，超声波避障、机器视觉以及声纳避障工作与不同水域环境，在不同水域情况有不同优势，三个避障模块根据水域情况自主配合使用，可使最大化发挥各个模块的优势，使避障系统大大优化。

根据水域情况预先设置阈值，若如图2中设定标准阈量，当半潜式无人船工作于潜水区1米以下时，此时超声波避障和机器视觉发挥最大避障作用，声纳避障则由控制算法模块关闭；

当半潜式无人船开始下潜，所处深度到模式切换阈值时，控制算法模块先开启声纳避障，然后关闭超声波避障，此时机器视觉和声纳避障配合使用最优化发挥避障系统；

当下潜至深水区时，控制算法模块将关闭机器视觉，此时由于水域采光及浑浊度问题，机器视觉不能准确获取障碍物信息，故此时采用声纳避障。

如图5所示，为半潜式无人船于迂回式路径规划示意图，此示意图仅帮助理解本发明专利中的避障路径规划，所述第一危险区域为障碍物面积，第二危险区域为无人船未通过转弯角度变化，继续保持航态行进的区域；

具体地，半潜式无人船迂回式路径是根据控制算法模块建立的虚拟坐标系，根据获取的障碍物面积、速度以及自身的航速进行运算，规划出半潜式无人船的危险区域；并以障碍物最大半径作为椭圆短轴，无人船至障碍物的直线距离为椭圆长轴，以此规划的椭圆曲线为半潜式无人船的迂回式路径。

为了描述的方便和简洁，仅以上述各个模块的划分和具体使用情况进行说明，在实际应用中，可以结合实际情况，将上述功能对半潜式无人船智能避障系统进行初始化的设置；可根据需要将上述装置集成在一个单元中，也可以是一个模块的形式单独存在；各功能模块的具体名称只是为了便于相互区分，上述智能避障系统中的各个模块的具体工作过程，可以参考上述方法实施例中的对应过程。

Claims (5)

1.一种半潜式无人船智能避障系统，其特征在于，包括：机器视觉、声纳探测仪、压力深度计、超声波传感器以及多普勒计程仪；机器视觉、声纳探测仪、超声波传感器和多普勒计程仪将信号传输给传感模块，传感模块对接收到的数据优化处理并传输给控制算法模块；控制算法模块接收传感模块及压力深度计的信息并对其进行处理，控制算法模块控制机器视觉、声纳探测仪、超声波传感器和动力系统工作；所述机器视觉主要由摄像头、照明设备以及图像处理器构成，所述超声波传感器、声纳探测仪用于获取障碍物位置和速度等信息，机器视觉、声纳探测仪和超声波传感器相互配合使用；所述压力深度计用于探测半潜式无人船所处深度；所述多普勒计程仪用于检测水流速度、流向以及半潜式无人船在航行时的速度。

2.一种半潜式无人船智能避障方法，其特征在于，

步骤1，预先设定深度阈值，压力深度计提供半潜式无人船所处深度，确定半潜式无人船探测装置如何使用；

步骤2，当工作于水下1m及水面上时，通过超声波和机器视觉组成的避障系统进行避障，超声波传感器探测障碍物位置、速度等信息，机器视觉提供障碍物面积、数量等信息，两个模块配合，并将数据传输至传感模块进行数据综合处理；

当工作于水下1m至20m时，利用机器视觉和声纳探测仪组成的避障系统进行避障，通过声纳探测仪测量障碍物位置、速度、加速度等信息，摄像机拍摄障碍物，图像处理器将此转化为数字信息，并抽取障碍物面积、数量、长度等信息；

当半潜式无人船工作于深水区超过20m时，仅使用声纳避障系统，此时水域采光较弱，机器视觉采取图像模糊容易造成误差；

步骤3，传感模块对数据进行综合优化处理，并传输给控制算法模块，控制算法模块根据此信息控制半潜式无人船航速与障碍物保持安全距离；

步骤4，控制算法模块以迂回式路径为主要避障路径，上升或下沉为辅助路径，以规划避障路径，从而实现半潜式无人船避障。

3.根据权利要求2所述的一种半潜式无人船智能避障方法，其特征在于，

所述声纳探测仪，还用于半潜式无人船上浮或下沉时的路径规划，具体包括以下步骤：

步骤401，利用声呐探测仪探测无人船上方和下方是否有障碍物，声纳探测仪实时检测与障碍物的距离；

步骤402，通过多普勒计程仪检测水流速度及流向；

步骤403，控制算法模块将声呐探测仪探测到的距离信息与水流速度及流向信息进行整合处理；

步骤404，通过多普勒计程仪提供的水流信息控制半潜式无人船航速与水流流速相同，航向与水流流向相反，根据力的合成在水平方向抵消半潜式无人船的运动，以实现垂直上浮或下潜；

步骤405，上浮或下潜时，声纳探测仪实时检测半潜式无人船上方水域安全情况，保证半潜式无人船所在水域安全；

步骤406，若出现障碍物，控制算法模块控制半潜式无人船停止上浮或下潜，改变航向及航速，当声纳探测仪未检测到障碍物时，根据既定路线继续航行，返回步骤401。

4.根据权利要求2所述的一种半潜式无人船智能避障方法，其特征在于，步骤4中所述的迂回式路径的规划包括以下步骤：

步骤410，通过半潜式无人船所搭载的定位装置定位半潜式无人船当前位置坐标，通过多普勒计程仪确定当前航速及航向，通过机器视觉、声纳探测仪、超声波传感器协同工作确定障碍物最大半径、速度以及中心点，以半潜式无人船至障碍物的连线为X轴建立直角坐标系，以障碍物中心点为圆心，最大半径r做圆，此面积为第一危险区域；

步骤420，将无人船与障碍物最边缘连线内的区域作为第二危险区域；

步骤430，并以障碍物最大半径作为椭圆短轴，无人船至障碍物的直线距离作为椭圆长轴，以此规划的椭圆曲线为半潜式无人船的迂回式路径；

步骤440，根据获取的无人船所在环境的危险区域，确定无人船航速，规定最小转弯半径大于障碍物半径提高安全距离。

5.根据权利要求2所述的一种半潜式无人船智能避障方法，其特征在于，所述步骤3中为实现机器视觉、声纳探测仪和超声波传感器的切换，采用如下步骤控制：

步骤31，对建模数据中的原始变量与目标变量进行规定，目标变量超声波避障A₁、机器视觉A₂、声纳避障A₃，初始化分割点作为优化算法的基础，进入下一步的组合优化算法中；

步骤32，设置组合优化算法中的约束条件，包括切换避障模块的阈值以及阈值设置范围；

步骤33，计算满足设定阈值及满足约束条件的目标函数；

步骤34，利用组合思想从A₁、A₂以及A₃三个目标函数中，寻找最优组合模块。

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