CN114047514A - 基于毫米波雷达的无人艇导航方法 - Google Patents

基于毫米波雷达的无人艇导航方法 Download PDF

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CN114047514A CN202111401477.7A CN202111401477A CN114047514A CN 114047514 A CN114047514 A CN 114047514A CN 202111401477 A CN202111401477 A CN 202111401477A CN 114047514 A CN114047514 A CN 114047514A
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向伦凯
周毅
张呈
叶艳军
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Beijing Sifang Automation Co Ltd
Sifang Intelligence Wuhan Control Technology Co ltd
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Beijing Sifang Automation Co Ltd
Sifang Intelligence Wuhan Control Technology Co ltd
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/93—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
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  • Traffic Control Systems (AREA)
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Abstract

本发明涉及一种基于毫米波雷达的无人艇导航方法，包括以下步骤：S1、雷达点云数据处理：利用毫米波雷达感知无人艇周围障碍物，发布相对稳定的障碍物列表数据；S2、局部地图实时更新：订阅障碍物列表放入障碍物数据库，形成稳定的局部地图；S3、横向路径规划：订阅定位和姿态数据、局部地图和局部目标航点，通过对航向空间进行安全裕度的连续两次采样评估，计算预测时间内的安全可行路径；S4、纵向速度规划：订阅定位和姿态数据使用非线性平滑函数给出预测时间内的安全航速；S5、航迹跟踪：将计算出的目标航点和目标航速发布给控制单元进行航迹跟踪。本发明具有实时有效、通用性、实用性以及稳定安全的优点。

Description

基于毫米波雷达的无人艇导航方法
技术领域
本发明涉及无人艇导航技术领域，更具体地说，涉及一种基于毫米波雷达的无人艇导航方法。
背景技术
无人艇在水质监测、水域测绘、安防救援以及航运等多个方面的应用越来越普遍和急迫。但是无人艇作业的环境往往是复杂多样的，包括浮标，增氧机、小岛、大中型漂浮物、桥洞以及来往的船只等，因此，无人艇需要有效的导航方法来确保平台在完成用户任务的同时，最大限度的提高平台的安全稳定性。
在现有的导航方法中，激光雷达的成本过高，而视觉的方案容易受外部光照影响；毫米波雷达避免了这些缺点，合理的运用毫米波雷达的稀疏点云数据，结合规划算法可以获得很好的导航避障效果。不仅可以平稳避让水域上的静动态障碍物，还能有效识别岸边并沿河渠或者岸边循迹。
公开日2019年5月7日，公开号CN10925332A，发明名称为“一种基于激光雷达的无人艇避障方法”的专利一种利用激光雷达点云数据做局部避让的方案。该方案首先对激光雷达点云数据进行聚类处理，得到安全通过的区域边界，然后使用类似VFH的算法获得下一时刻的航向进行避障。应用这种方法无法应付障碍物突然出现情况，例如动态障碍物或者雷达采集和处理的缺陷；另外没有考虑船舶航向改变的稳定性和航线回归的情况，而且由于没有二次探测的过程，导致选择的航向的安全性降低。再者激光雷达易受天气影响，且成本较高也限制了该方法的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于毫米波雷达的无人艇导航方法，实现了控制成本的同时，考虑了横向静态避障和纵向的动态避障，从而方便应用于实际无人艇自主导航任务上。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于毫米波雷达的无人艇导航方法，包括以下步骤：
S1、雷达点云数据处理：利用毫米波雷达感知无人艇周围障碍物，对返回的障碍物点进行聚类、去噪处理后，发布相对稳定的障碍物列表数据；
S2、局部地图实时更新：订阅障碍物列表放入障碍物数据库，并对障碍物生存周期进行处理后，形成稳定的局部地图；
S3、横向路径规划：订阅定位和姿态数据、局部地图和局部目标航点，通过对航向空间进行安全裕度的连续两次采样评估，计算预测时间内的安全可行路径；
S4、纵向速度规划：订阅定位和姿态数据、局部地图和局部目标航点，通过计算当前航向一定区域下危险距离，使用非线性平滑函数给出预测时间内的安全航速；
S5、航迹跟踪：将计算出的目标航点和目标航速发布给控制单元进行航迹跟踪。
按上述方案，所述步骤S1中返回障碍物点，通过合理的聚类参数进行聚合，计算障碍物点的聚类中心，并过滤掉较远的杂波点信息，获得相对于雷达坐标系的相对坐标，再通过获取的船体坐标信息，航向信息，计算聚类障碍物中心点的绝对坐标，将障碍物的信息发送给控制端使用。
按上述方案，所述步骤S2中由订阅的障碍物列表，将符合距离限制的障碍物压入缓冲队列并打上时标。
按上述方案，依次从所述缓冲队列中取出元素比对位置相近的元素，如果有，则根据时间差进行合并压入障碍物数据库；如果没有，则直接更新压入障碍物数据库。
按上述方案，检查所述障碍物数据库里每个障碍物的生存时间是否达到预设的生命周期，如果已经超时，则从障碍物数据库删去；如果没有，不做操作。
按上述方案，所述步骤S3的具体内容为：订阅当前无人艇位置姿态数据、障碍物数据库以及任务设定航点，通过将航向空间进行细致的划分和安全裕度计算，从而确定最靠近目标航线方向的角度为下一时刻的规划航点。
按上述方案，具体包括以下步骤：
S401、订阅障碍物数据库、船舶定位和姿态数据和任务设定的航速；
S402、给定考察区域的半径r和角度α，对范围
Figure BDA0003365369120000031
的障碍物计算出最危险距离d，其中
Figure BDA0003365369120000032
为无人艇当前速度方向；
S403、按照平方根算法基本原理，计算期望航速
Figure BDA0003365369120000033
其中a为设定的减速度，tc为安排临界碰撞的过度时间；
S404、如果d≥r，则按照设计航速进行航行。
按上述方案，根据所述目标航点和目标航速，发布到横向航迹跟踪和纵向速度跟踪模块，进而输出油门和转向给执行单元进行作业。
实施本发明的基于毫米波雷达的无人艇导航方法，具有以下有益效果：
1、本发明使用毫米波雷达降低了成本，不受天气应用，提高了实用价值，横向上使用了二次探测和航向抑制平顺处理，提高了临时期望航点的安全性和横向平稳性。
2、本发明对障碍物数据赋予生命周期管理，很大程度上解决了毫米波雷达采集角过小的问题，同时也增强了导航算法的稳定性，使用非线性平滑函数进行速度规划，实现了靠近障碍区而减慢航速利于雷达感知和横向避让，远离障碍区域时则加快航速以尽快逃逸。
3、本发明能够无差别的应用在激光雷达上，实现不可行航点自动切换和沿河道岸边精细导航，应通过实验验证。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明基于毫米波雷达的无人艇导航方法的流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明的基于毫米波雷达的无人艇导航方法包括以下步骤：
S1、雷达点云数据处理：利用毫米波雷达感知无人艇周围障碍物，对返回的障碍物点进行聚类、去噪处理后，发布相对稳定的障碍物列表数据；
具体为，对返回障碍物点，通过合理的聚类参数进行聚合，计算障碍物点的聚类中心，并过滤掉较远的杂波点信息，获得相对于雷达坐标系的相对坐标，再通过获取的船体坐标信息，航向信息，计算聚类障碍物中心点的绝对坐标，将障碍物的信息发送给控制端使用。
S2、局部地图实时更新：订阅障碍物列表放入障碍物数据库，并对障碍物生存周期进行处理后，形成稳定的局部地图；
具体为，由订阅的障碍物列表，将符合距离限制的障碍物压入缓冲队列并打上时标。依次从缓冲队列中取出元素比对位置相近的元素，如果有，则根据时间差进行合并压入障碍物数据库；如果没有，则直接更新压入障碍物数据库。同时，检查障碍物数据库里每个障碍物的生存时间是否达到预设的生命周期，如果已经超时，则从障碍物数据库删去；如果没有，不做操作。
S3、横向路径规划：订阅定位和姿态数据、局部地图和局部目标航点，通过对航向空间进行安全裕度的连续两次采样评估，计算预测时间内的安全可行路径；
具体为：订阅当前无人艇位置姿态数据、障碍物数据库以及任务设定航点，通过将航向空间进行细致的划分和安全裕度计算，从而确定最靠近目标航线方向的角度为下一时刻的规划航点。
S4、纵向速度规划：订阅定位和姿态数据、局部地图和局部目标航点，通过计算当前航向一定区域下危险距离，使用非线性平滑函数给出预测时间内的安全航速；
S4具体包括以下步骤：
S401、订阅障碍物数据库、船舶定位和姿态数据和任务设定的航速；
S402、给定考察区域的半径r和角度α，对范围
Figure BDA0003365369120000041
的障碍物计算出最危险距离d，其中
Figure BDA0003365369120000042
为无人艇当前速度方向；
S403、按照平方根算法基本原理，计算期望航速
Figure BDA0003365369120000051
其中a为设定的减速度，tc为安排临界碰撞的过度时间；
S404、如果d≥r，则按照设计航速进行航行。
S5、航迹跟踪：将计算出的目标航点和目标航速发布给控制单元进行航迹跟踪。
具体为：根据目标航点和目标航速，发布到横向航迹跟踪和纵向速度跟踪模块，进而输出油门和转向给执行单元进行作业。
本发明优选的实施例如下：
步骤一：雷达点云数据处理：通过合理的聚类参数进行聚合，计算障碍物点的聚类中心，并过滤掉较远的杂波点信息，获得相对于雷达坐标系的相对坐标。再通过获取的船体坐标信息，航向信息，计算聚类障碍物中心点的绝对坐标，将障碍物的信息发送给控制端使用。
步骤二：局部地图实时更新：订阅的障碍物列表，将符合距离限制的障碍物压入缓冲队列并打上时标。依次从缓冲队列中取出元素比对位置相近的元素，如果有，则根据时间差进行合并压入障碍物数据库；如果没有，则直接更新压入障碍物数据库。另一方面，同时检查障碍物数据库里每个障碍物的生存时间是否达到预设的生命周期，如果已经超时，则从障碍物数据库删去；如果没有，不做操作。
步骤三：横向路径规划：订阅当前无人艇位置姿态数据、障碍物数据库以及任务设定航点，通过将航向空间进行细致的划分和安全裕度计算，从而确定最靠近目标航线方向的角度为下一时刻的规划航点。
步骤四：纵向速度规划：订阅障碍物数据库、船舶定位和姿态数据和任务设定的航速。给定考察区域的半径r和角度α，对范围
Figure BDA0003365369120000052
的障碍物计算出最危险距离d，其中
Figure BDA0003365369120000053
为无人艇当前速度方向。按照平方根算法基本原理，计算期望航速
Figure BDA0003365369120000054
其中a为设定的减速度，tc为安排临界碰撞的过度时间。如果d≥r，则按照设计航速进行航行。
步骤五：航迹跟踪：根据期望航点和航速，发布到横向航迹跟踪和纵向速度跟踪模块，进而输出油门和转向给执行单元进行作业。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种基于毫米波雷达的无人艇导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、雷达点云数据处理：利用毫米波雷达感知无人艇周围障碍物，对返回的障碍物点进行聚类、去噪处理后，发布障碍物列表数据；
S2、局部地图实时更新：订阅障碍物列表放入障碍物数据库，并对障碍物生存周期进行处理后，形成局部地图；
S3、横向路径规划：订阅定位和姿态数据、局部地图和局部目标航点，通过对航向空间进行安全裕度的连续两次采样评估，计算预测时间内的安全可行路径；
S4、纵向速度规划：订阅定位和姿态数据、局部地图和局部目标航点，计算当前航向一定区域下危险距离，使用非线性平滑函数给出预测时间内的安全航速；
S5、航迹跟踪：将计算出的目标航点和目标航速发布给控制单元进行航迹跟踪。
2.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的无人艇导航方法，其特征在于，所述步骤S1中返回障碍物点，通过聚类参数进行聚合，计算障碍物点的聚类中心，并过滤掉杂波点信息，获得相对于雷达坐标系的相对坐标，再通过获取的船体坐标信息、航向信息，计算聚类障碍物中心点的绝对坐标，将障碍物的信息发送给控制端使用。
3.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的无人艇导航方法，其特征在于，在所述步骤S2中，参照订阅的障碍物列表，将符合距离限制的障碍物压入缓冲队列并打上时标。
4.根据权利要求3所述的基于毫米波雷达的无人艇导航方法，其特征在于，在所述步骤S2中，依次从所述缓冲队列中取出元素比对位置相近的元素，如果有，则根据时间差进行合并压入障碍物数据库；如果没有，则直接更新压入障碍物数据库。
5.根据权利要求3所述的基于毫米波雷达的无人艇导航方法，其特征在于，在所述步骤S2中，检查所述障碍物数据库里每个障碍物的生存时间是否达到预设的生命周期，如果已经超时，则从障碍物数据库删去；如果没有，不做操作。
6.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的无人艇导航方法，其特征在于，在所述步骤S3中，订阅当前无人艇位置姿态数据、障碍物数据库以及任务设定航点，通过将航向空间进行细致的划分和安全裕度计算，从而确定最靠近目标航线方向的角度为下一时刻的规划航点。
7.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的无人艇导航方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：
S401、订阅障碍物数据库、船舶定位和姿态数据和任务设定的航速；
S402、给定考察区域的半径r和角度α，对范围
Figure FDA0003365369110000021
的障碍物计算出最危险距离d，其中
Figure FDA0003365369110000022
为无人艇当前速度方向；
S403、按照平方根算法基本原理，计算期望航速
Figure FDA0003365369110000023
其中a为设定的减速度，tc为安排临界碰撞的过度时间；
S404、如果d≥r，则按照设计航速进行航行。
8.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的无人艇导航方法，其特征在于，所述步骤S5中，根据所述目标航点和目标航速，发布到横向航迹跟踪和纵向速度跟踪模块，进而输出油门和转向给执行单元进行作业。
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CN116700315A (zh) * 2023-07-03 2023-09-05 苏州优世达智能科技有限公司 一种无人艇的航迹跟踪控制方法及系统

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