CN112799069B - 一种基于航海雷达图像的冰区航行海冰避障路径生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于航海雷达图像的冰区航行海冰避障路径生成方法，该方法通过航海雷达图像，识别本船船位、短期目标位置及海冰碍航区域，重构冰区航行场景；结合双向快速扩展随机树B‑RRT算法与贪心算法，生成较为简捷的路径，提出一种小尺度的海冰避障路径生成方法。相较于采用海冰模型或冰图进行大尺度冰区水域航行的航路设计，冰区水域的气象与海况变化莫测，尚需小尺度的海冰避障路径进行辅助决策支持。由于小尺度冰区航行决策时间有限，本发明提出的方法具有随机性，可以在短时间内快速生成多条路径，再藉由路径风险指数评估与选择风险较低的海冰避障路径，为冰区航行辅助决策提供技术支撑。

Description

一种基于航海雷达图像的冰区航行海冰避障路径生成方法

技术领域：

本发明涉及极地冰区航行海冰避障领域，具体地说，是一种基于航海雷达图像的冰区航行海冰避障路径生成方法。

背景技术：

近年来随著船舶在极地水域航行的需求不断提高，路径规划与海冰避障已成为极地航行重要的研究课题。在冰区航行过程中，除了使用探照灯、望远镜等设备进行传统瞭望避障外，航海雷达(marine radar)也是一种重要的探冰工具，可视为航行员的第二双眼睛。在《极地水域船舶航行安全规则(Polar Code)》中明确指出，应积极使用配备增强探冰能力的雷达；另外，在中国船级社出版的《极地水域操作手册编写指南》中，也提到虽然在不同海况和天气条件下，雷达探测不同特征浮冰块的能力存在一定局限性，但其仍是目前探测冰目标的最有效设备。即使从普通的航海雷达上无法得知海冰的厚度与结构，但仍可获得本船周围的实时海冰覆盖情况。因此，在海冰避障与路径优化上，航海雷达是值得善用的航海仪器。

国内外研究在冰区航行路径规划上，大多通过海冰模型或冰图作为数据来源进行航路设计，本质上属于大尺度路径规划。不同于上述大尺度的路径规划方法，本发明使用雷达图像作为海冰数据来源，提出小尺度海冰避障路径规划方法。由于空间范围小，对算法计算时间的要求更高，目前国内外航海技术中，仍缺乏一套快速进行冰区航行海冰避障路径生成的方法。

发明内容：

为了在冰区小尺度范围下，生成海冰避障路径作为航行员参考，本发明提出一种基于航海雷达图像的冰区航行海冰避障路径生成方法。本发明采取的技术方案为：通过航海雷达图像进行航行场景重构识别本船船位、短期目标位置及海冰碍航区域；结合双向快速扩展随机树B-RRT算法与贪心算法，提出一种小尺度的海冰避障路径生成方法；提出路径风险指数，评估与选择风险较低的海冰避障路径，为冰区航行辅助决策提供技术支撑。

为了实现以上目的，本发明一种基于航海雷达图像的冰区航行海冰避障路径生成方法包括以下步骤：

步骤一：冰区航行场景重构。

步骤1.1：读取航海雷达图像，根据所设定的画面每秒传输帧数(FPS)，从航海雷达视频撷取特定时点的图像。

步骤1.2：获取关键信息，从图像上获取航海雷达的显示模式、显示方向、选定的距离标尺、距离刻度圈的间距、船首向、对水航速、对地航向、对地航速及计画航路。

步骤1.3：撷取圆形显示区，航海雷达图像的圆形显示区为主要表征冰区航行场景的感兴趣区域(region of interest)，将感兴趣区域以掩膜区域矩阵表示，该区域内数值设置为1，区域外数值设置为0。

步骤1.4：确认自身船位与目标位置，不论航海雷达选用偏心或非偏心的显示方式，自身船位皆为统一共同基准点(consistent common reference point)，都是距离刻度圈的圆心；另外，从计画航路与方位刻度的交点及船首向判别短期目标位置；据此，可以读取自身船位与目标位置在雷达图像上的坐标。

步骤1.5：提取海冰与目标，将圆形显示区内根据目标回波的像素覆盖区域设置为白色，其他冗余信息的区域设置为黑色，获得海冰与目标的二值图像。

步骤二：冰区避障路径生成。

步骤2.1：使用双向快速扩展随机树(B-RRT)算法生成路径，将本船船位视为起点，将计画航路上的短期目标位置视为终点，将海冰与不明目标区域视为碍航区域，从起点与终点同时向位形空间中新增顶点，快速生成路径。

步骤2.2：使用贪心算法去除冗余点，改善双向快速扩展随机树容易产生冗余顶点的缺点。

步骤2.3：依据船舶航速，生成适当数量的路径方案；相同航行距离下，船舶航速越快，避障路径的决策时间越有限，航行员可以自行设定生成路径方案个数的阈值。

步骤三：冰区避障路径选择。

步骤3.1：计算路径风险指数，一条路径是由数个转向点所组成，在转向点X_i与转向点X_i+1之间有一航段S_j+1，在航段S_j+1上，设定数个间隔相等的基准点，以每个基准点为中心建立一个正方形测试框，标记出在测试框内的海冰边界像素，计算各个海冰边界像素与该基准点之间的距离；比较各个基准点，找寻在该航段中，最接近点的距离DCP_j+1及包含最接近点的该块海冰面积Area_j+1，通过下式将各个航段的风险数值加总后，可获得整条路径的风险数值，风险数值越大代表该条路径越危险；

其中，RRI：路径风险指数；Area_j：J航段上，最接近点的该块海冰面积；DCP_j：J航段上，最接近点的距离。

步骤3.2：选择路径，比较所有生成的路径方案，挑选风险指数最小的路径作为推荐路径。

附图说明：

图1为本发明基于航海雷达图像的冰区航行海冰避障路径生成方法的流程图；

图2为本发明基于航海雷达图像的冰区航行海冰避障路径生成方法的航行场景重构示意图；

图3为本发明基于航海雷达图像的冰区航行海冰避障路径生成方法的快速扩展随机树示意图；

图4为本发明基于航海雷达图像的冰区航行海冰避障路径生成方法的贪心算法示意图；

图5为本发明基于航海雷达图像的冰区航行海冰避障路径生成方法的路径风险指数示意图。

具体实施方式：

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施方式。如图1所示，本发明公开一种基于航海雷达图像的冰区航行海冰避障路径生成方法，包含冰区航行场景重构、冰区避障路径生成、冰区避障路径选择三步骤，具体说明如下：

步骤一：冰区航行场景重构。

步骤1.1：读取航海雷达图像，根据所设定的画面每秒传输帧数(FPS)，从航海雷达视频撷取特定时点的图像。

步骤1.2：获取关键信息，从图像上获取航海雷达的显示模式、显示方向、选定的距离标尺、距离刻度圈的间距、船首向、对水航速、对地航向、对地航速及计画航路。

步骤1.3：撷取圆形显示区，航海雷达图像的圆形显示区为主要表征冰区航行场景的感兴趣区域(region of interest)，将感兴趣区域以掩膜区域矩阵表示，该区域内数值设置为1，区域外数值设置为0。将原始图像的高维矩阵乘以掩膜区域矩阵，即可撷取圆形显示区的图像，滤除其他区域的冗余信息。

步骤1.4：确认自身船位与目标位置，不论航海雷达选用偏心或非偏心的显示方式，自身船位皆为统一共同基准点(consistent common reference point)，都是距离刻度圈的圆心；另外，从计画航路与方位刻度的交点及船首向判别短期目标位置；据此，可以读取自身船位与目标位置在雷达图像上的坐标。

步骤1.5：提取海冰与目标，将圆形显示区内根据目标回波的像素覆盖区域设置为白色，其他冗余信息的区域设置为黑色，获得海冰与目标的二值图像，如图2所示。

步骤二：冰区避障路径生成。

步骤2.1：使用双向快速扩展随机树(B-RRT)算法生成路径，将本船船位视为起点，将计画航路上的短期目标位置视为终点，将海冰与不明目标区域视为碍航区域，从起点与终点同时向位形空间中新增顶点，快速生成路径。快速扩展随机树(RRT)算法的基本思路如图3所示：在位形空间内随机产生一个点，即随机顶点(q_rand)，有一半概率使用终点(q_goal)作为随机顶点；在所有顶点内，找寻距离随机顶点最近的顶点，即最近顶点(q_near)，在一开始时，起点(q_init)即为最近顶点；使用避碰检测函数判断最近顶点与随机顶点之间是否有障碍物，在没有障碍物的情况下，从最近顶点往随机顶点的方向上，使用预设的步长(Δq)增加一个顶点，即新增顶点(q_new)；据此，在快速扩展随机树(RRT)上，增加顶点与边；当新增顶点与终点间的距离小于设定阈值，或最近顶点与新增顶点之间包含终点时，表示已经可以获得路径。以快速扩展随机树(RRT)为基础，双向快速扩展随机树(B-RRT)从起点与终点同时向位形空间中新增顶点，可以更快速获得路径。

步骤2.2：使用贪心算法去除冗余点，改善双向快速扩展随机树容易产生冗余顶点的缺点。采用预设步长(step size)新增顶点的做法，快速扩展随机树(RRT)及双向快速扩展随机树(B-RRT)都容易产生冗余顶点。为了改善这个缺点，本发明结合贪心算法，其基本思路如图4所示：原始路径显示为虚线，从起点(q_init)开始，依序对原路径上的各个顶点进行碰撞检测，即该顶点与终点(q_goal)的连线是否通过障碍物，将首个能够通过检测的顶点，记录为新路径的第一个顶点(q₁′)；将该顶点视为新终点，若起点与新终点(q₁′)的连线通过障碍物，则再从起点开始，依序对起点到新终点间原路径上的各个顶点进行检测，直到起点与最后一个新路径顶点的连线未通过障碍物。据此，可获得经过贪心算法去除冗余顶点的新路径，显示为实线。

步骤2.3：依据船舶航速，生成适当数量的路径方案；相同航行距离下，船舶航速越快，避障路径的决策时间越有限，航行员可以自行设定生成路径方案个数的阈值。

步骤三：冰区避障路径选择。

步骤3.1：计算路径风险指数，一条路径是由数个转向点所组成，如图5所示，在转向点X_i与转向点X_i+1之间有一航段S_j+1，在航段S_j+1上，设定数个间隔相等的基准点，以每个基准点为中心建立一个正方形测试框，标记出在测试框内的海冰边界像素，计算各个海冰边界像素与该基准点之间的距离；比较各个基准点，找寻在该航段中，最接近点的距离DCP_j+1及包含最接近点的该块海冰面积Area_j+1，通过下式将各个航段的风险数值加总后，可获得整条路径的风险数值，风险数值越大代表该条路径越危险；

其中，RRI：路径风险指数；Area_j：J航段上，最接近点的该块海冰面积；DCP_j：J航段上，最接近点的距离。

步骤3.2：选择路径，比较所有生成的路径方案，挑选风险指数最小的路径作为推荐路径。

Claims (1)

1.一种基于航海雷达图像的冰区航行海冰避障路径生成方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：冰区航行场景重构；

步骤1.1：读取航海雷达图像，根据所设定的画面每秒传输帧数FPS，从航海雷达视频撷取特定时点的图像；

步骤1.2：获取关键信息，从图像上获取航海雷达的显示模式、显示方向、选定的距离标尺、距离刻度圈的间距、船首向、对水航速、对地航向、对地航速及计画航路；

步骤1.3：撷取圆形显示区，航海雷达图像的圆形显示区为主要表征冰区航行场景的感兴趣区域，将感兴趣区域以掩膜区域矩阵表示，区域内数值设置为1，区域外数值设置为0；

步骤1.4：确认自身船位与目标位置，不论航海雷达选用偏心或非偏心的显示方式，自身船位皆为统一共同基准点，都是距离刻度圈的圆心；另外，从计画航路与方位刻度的交点及船首向判别短期目标位置；据此，可以读取自身船位与目标位置在雷达图像上的坐标；

步骤1.5：提取海冰与目标，将圆形显示区内根据目标回波的像素覆盖区域设置为黑色，其他冗余信息的区域设置为白色，获得海冰与目标的二值图像；

步骤二：冰区避障路径生成；

步骤2.1：使用双向快速扩展随机树B-RRT算法生成路径，将本船船位视为起点，将计画航路上的短期目标位置视为终点，将海冰与不明目标区域视为碍航区域，从起点与终点同时向位形空间中新增顶点，快速生成路径；

步骤2.2：使用贪心算法去除冗余点，改善双向快速扩展随机树容易产生冗余顶点的缺点；

步骤2.3：依据船舶航速，生成适当数量的路径方案；相同航行距离下，船舶航速越快，避障路径的决策时间越有限，航行员可以自行设定生成路径方案个数的阈值；

步骤三：冰区避障路径选择；

步骤3.1：计算路径风险指数，一条路径是由数个转向点所组成，在转向点X_i与转向点X_i+1之间有一航段S_j+1，在航段S_j+1上，设定数个间隔相等的基准点，以每个基准点为中心建立一个正方形测试框，标记出在测试框内的海冰边界像素，计算各个海冰边界像素与该基准点之间的距离；比较各个基准点，找寻在该航段中，最接近点的距离DCP_j+1及包含最接近点的该块海冰面积Area_j+1，通过下式将各个航段的风险数值加总后，可获得整条路径的风险数值，风险数值越大代表该条路径越危险；

其中，RRI：路径风险指数；Area_j：J航段上，最接近点的该块海冰面积；DCP_j：J航段上，最接近点的距离；

步骤3.2：选择路径，比较所有生成的路径方案，挑选风险指数最小的路径作为推荐路径。