一種基于前視雷達的無人船避碰方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無人船智能控制技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，涉及一種基于前視雷達的無人 船避碰方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無人船在海洋科學研究、環(huán)境監(jiān)測、水文調(diào)查以及軍事等方面都有廣泛的應用前 景。無人船工作在復雜的海洋環(huán)境里，可能存在未知的障礙物如暗礁、堤壩、航行路線上駛 過的船只、海中浮游物體、海洋生物等，這些都可能造成無人船執(zhí)行任務的失敗甚至威脅無 人船或其他船只的安全。
[0003] 前視雷達通過無線電回波來識別前方的障礙物，但雷達回波通常包含各種雜波， 天氣變化比如雨，雪等也給回波造成很多的干擾，所以無人船通過前視雷達來躲避障礙是 很困難的；當雷達回波發(fā)現(xiàn)多個不同目標的時候讓無人船來做出避障規(guī)劃也是困難的。
[0004] 所以，對于技術(shù)人員來說，開發(fā)一種基于前視雷達的無人船避碰方法，設(shè)計合理， 前視雷達和位姿傳感器的數(shù)據(jù)測得障礙的方位和距離，控制裝置調(diào)整無人船的位姿躲避障 礙，避免造成損失，使無人船在比較復雜的水域環(huán)境中高效、安全和快速的完成行駛?cè)蝿眨?方便可靠，成為亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服上述缺陷，提供一種基于前視雷達的無人船避碰 方法，設(shè)計合理，前視雷達和位姿傳感器的數(shù)據(jù)測得障礙的方位和距離，控制裝置調(diào)整無人 船的位姿躲避障礙，為有效的無人船自主避障方法，提高水下無人船的避障能力，避免了損 失，使無人船在比較復雜的水域環(huán)境中高效、安全和快速的完成行駛?cè)蝿?，方便可靠?br>[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種基于前視雷達的無人船避碰方法，其特征在于:包括無人船，無人船上設(shè)置的 前視雷達、位姿傳感器、控制裝置和執(zhí)行機構(gòu);控制裝置根據(jù)前視雷達和位姿傳感器的數(shù)據(jù) 測得障礙的方位和距離，再通過避碰控制策略，調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)的控制量，進而調(diào)整無人船的 位姿躲避障礙。
[0008] 根據(jù)前視雷達的處理結(jié)果對障礙的方位和距離分別定義表示危險程度的方位權(quán) 函數(shù)和距離權(quán)函數(shù)；
[0009] 方位權(quán)函數(shù)定義為：
[0011] 函數(shù)代表準高斯曲線，Sgn為符號函數(shù)，參數(shù)χ，(^ρσ分別為位置、中心點和形狀 參數(shù)，形狀參數(shù)σ決定曲線陡度；
[0012] 距離權(quán)函數(shù)是一個非對稱的多項式曲線，定義為：
[0013] W2 = zmf(x, [a,b])
[0014] 函數(shù)w2代表準高斯曲線，a和b是曲線傾斜部分的極值，決定了曲線的凹度;距離權(quán) 系數(shù)被定義為:小200米時為1，大于400米時為零；
[0015] 基于方位和距離的最后權(quán)值是由wi和W2的乘積決定，無人船的航向最大改變量為 90度，航向的改變量定義為：
[0016] Φ〇3 (t, c) = wiW2 (π/4)
[0017]其中，t為時間步長，c為被評估的障礙物；
[0018]在單一時間步長內(nèi)所有障礙物的避碰航向變量為：
[0020] 無人船在避障運行時，其速度和壁障轉(zhuǎn)角與危險程度是有關(guān)系的其公式為：
[0021] φ = β+1?θ
[0022] V = kvVt
[0023] 其中，β為全局路徑規(guī)劃得到的目標航向角，Θ為遇到障礙物時無人船為躲避障礙 而轉(zhuǎn)的固定角度，Φ為由全局路徑規(guī)劃的目標航向角和避碰算法算出的避碰角度二者合成 的航向角，ke為根據(jù)障礙物與無人船的距離和角度進行航向調(diào)整時的角度系數(shù)，Vt為無人船 的目標航速，k v為遇到障礙物時數(shù)度的調(diào)整系數(shù)。
[0024] 由于采用了上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明設(shè)計合理，將前視雷達圖像數(shù) 據(jù)引入無人船避障策略中，可以減小無人船避碰盲區(qū)，前視雷達和位姿傳感器的數(shù)據(jù)測得 障礙的方位和距離，控制裝置調(diào)整無人船的位姿躲避障礙，提高水下無人船的避障能力，避 免了損失，使無人船在比較復雜的水域環(huán)境中高效、安全和快速的完成行駛?cè)蝿眨奖憧?與巨〇
[0025]同時下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明一種實施例的工作原理框圖；
【具體實施方式】 [0027] 實施例：
[0028] 如圖1所示，一種基于前視雷達的無人船避碰方法，其特征在于:包括無人船，無人 船上設(shè)置的前視雷達、位姿傳感器、控制裝置和執(zhí)行機構(gòu);控制裝置根據(jù)前視雷達和位姿傳 感器的數(shù)據(jù)測得障礙的方位和距離，再通過避碰控制策略，調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)的控制量，進而調(diào) 整無人船的位姿躲避障礙。
[0029]前視雷達測得是聲圖數(shù)據(jù)傳給控制裝置。一般情況下，控制裝置為控制計算機。位 姿傳感器測得的是無人船的位置和姿態(tài)?？刂朴嬎銠C根據(jù)聲圖數(shù)據(jù)和無人船的位置和姿態(tài) 對執(zhí)行機構(gòu)做調(diào)整躲避障礙物。
[0030] 根據(jù)前視雷達的處理結(jié)果對障礙的方位和距離分別定義表示危險程度的方位權(quán) 函數(shù)和距離權(quán)函數(shù)；
[0031] 方位權(quán)函數(shù)定義為：
[0033]函數(shù)W1代表準高斯曲線，sgn為符號函數(shù)，參數(shù)x，c和σ分別為位置、中心點和形狀 參數(shù)，形狀參數(shù)σ決定曲線陡度。
[0034]距離權(quán)函數(shù)是一個非對稱的多項式曲線，定義為：
[0035] W2 = zmf(x, [a,b])
[0036] 函數(shù)w2代表準高斯曲線，a和b是曲線傾斜部分的極值，決定了曲線的凹度;距離權(quán) 系數(shù)被定義為:小200米時為1，大于400米時為零。
[0037] 基于方位和距離的最后權(quán)值是由wi和W2的乘積決定，無人船的航向最大改變量為 90度，航向的改變量定義為：
[0038] φ〇3 (t, c) = wiW2 (π/4)
[0039] 其中，t為時間步長，c為被評估的障礙物。
[0040] 在單一時間步長內(nèi)所有障礙物的避碰航向變量為：
[0042] 無人船在避障運行時，其速度和壁障轉(zhuǎn)角與危險程度是有關(guān)系的其公式為：
[0043] φ = β+1?θ
[0044] V = kvVt
[0045] 其中，β為全局路徑規(guī)劃得到的目標航向角，Θ為遇到障礙物時無人船為躲避障礙 而轉(zhuǎn)的固定角度，Φ為由全局路徑規(guī)劃的目標航向角和避碰算法算出的避碰角度二者合成 的航向角，1?為根據(jù)障礙物與無人船的距離和角度進行航向調(diào)整時的角度系數(shù)，即危險程 度大時轉(zhuǎn)的角度大，危險程度小時轉(zhuǎn)的角度小。V t為機器人的目標航速，kv為遇到障礙物時 數(shù)度的調(diào)整系數(shù)，即危險程度大時速度降低的幅度大，危險程度小時速度降低的幅度小。
[0046] 本發(fā)明將前視雷達圖像數(shù)據(jù)引入無人船避障策略中，可以減小無人船避碰盲區(qū)。 本發(fā)明設(shè)計的避碰策略可應對復雜的障礙和回波干擾，提高了無人船的生存能力。
[0047] 本發(fā)明不局限于上述的優(yōu)選實施方式，任何人應該得知在本發(fā)明的啟示下做出的 結(jié)構(gòu)變化，凡是與本發(fā)明具有相同或者相近似的技術(shù)方案，均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種基于前視雷達的無人船避碰方法，其特征在于:包括無人船，無人船上設(shè)置的前 視雷達、位姿傳感器、控制裝置和執(zhí)行機構(gòu);控制裝置根據(jù)前視雷達和位姿傳感器的數(shù)據(jù)測 得障礙的方位和距離，再通過避碰控制策略，調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)的控制量，進而調(diào)整無人船的位 姿躲避障礙。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于前視雷達的無人船避碰方法，其特征在于:根據(jù)前視雷達 的處理結(jié)果對障礙的方位和距離分別定義表示危險程度的方位權(quán)函數(shù)和距離權(quán)函數(shù)； 方位權(quán)函數(shù)定義為：函數(shù)W1代表準高斯曲線，sgn為符號函數(shù)，參數(shù)X，C和σ分別為位置、中屯、點和形狀參數(shù)， 形狀參數(shù)〇決定曲線睹度； 距離權(quán)函數(shù)是一個非對稱的多項式曲線，定義為： W2 = zmf (X, [a,b]) 函數(shù)W2代表準高斯曲線，a和b是曲線傾斜部分的極值，決定了曲線的凹度;距離權(quán)系數(shù) 被定義為:小200米時為1，大于400米時為零； 基于方位和距離的最后權(quán)值是由W1和W2的乘積決定，無人船的航向最大改變量為90度， 航向的改變量定義為： l]W(t,C)=WlW2(>/4) 其中，t為時間步長，C為被評估的障礙物； 在單一時間步長內(nèi)所有障礙物的避碰航向變量為：3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于前視雷達的無人船避碰方法，其特征在于： 無人船在避障運行時，其速度和壁障轉(zhuǎn)角與危險程度是有關(guān)系的其公式為： Φ = β+1?θθ V = kvVt 其中，β為全局路徑規(guī)劃得到的目標航向角，θ為遇到障礙物時無人船為躲避障礙而轉(zhuǎn) 的固定角度，Φ為由全局路徑規(guī)劃的目標航向角和避碰算法算出的避碰角度二者合成的航 向角Λθ為根據(jù)障礙物與無人船的距離和角度進行航向調(diào)整時的角度系數(shù)，Vt為無人船的目 標航速，kv為遇到障礙物時數(shù)度的調(diào)整系數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于前視雷達的無人船避碰方法，包括無人船，無人船上設(shè)置的前視雷達、位姿傳感器、控制裝置和執(zhí)行機構(gòu)；控制裝置根據(jù)前視雷達和位姿傳感器的數(shù)據(jù)測得障礙的方位和距離，再通過避碰控制策略，調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)的控制量，進而調(diào)整無人船的位姿躲避障礙。本發(fā)明將前視雷達圖像數(shù)據(jù)引入無人船避障策略中，可以減小無人船避碰盲區(qū)。本發(fā)明設(shè)計的避碰策略可應對復雜的障礙和回波干擾，提高了無人船的生存能力。
【IPC分類】G05D1/02
【公開號】CN105549589
【申請?zhí)枴緾N201510939233
【發(fā)明人】吳寶舉
【申請人】吳寶舉
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月15日