一種基于前視雷達(dá)的無(wú)人船避碰方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)人船智能控制技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種基于前視雷達(dá)的無(wú)人 船避碰方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)人船在海洋科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測(cè)、水文調(diào)查以及軍事等方面都有廣泛的應(yīng)用前 景。無(wú)人船工作在復(fù)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(guò)的船只、海中浮游物體、海洋生物等，這些都可能造成無(wú)人船執(zhí)行任務(wù)的失敗甚至威脅無(wú) 人船或其他船只的安全。
[0003] 前視雷達(dá)通過(guò)無(wú)線電回波來(lái)識(shí)別前方的障礙物，但雷達(dá)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(wú)人船通過(guò)前視雷達(dá)來(lái)躲避障礙是 很困難的；當(dāng)雷達(dá)回波發(fā)現(xiàn)多個(gè)不同目標(biāo)的時(shí)候讓無(wú)人船來(lái)做出避障規(guī)劃也是困難的。
[0004] 所以，對(duì)于技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)一種基于前視雷達(dá)的無(wú)人船避碰方法，設(shè)計(jì)合理， 前視雷達(dá)和位姿傳感器的數(shù)據(jù)測(cè)得障礙的方位和距離，控制裝置調(diào)整無(wú)人船的位姿躲避障 礙，避免造成損失，使無(wú)人船在比較復(fù)雜的水域環(huán)境中高效、安全和快速的完成行駛?cè)蝿?wù)， 方便可靠，成為亟待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服上述缺陷，提供一種基于前視雷達(dá)的無(wú)人船避碰 方法，設(shè)計(jì)合理，前視雷達(dá)和位姿傳感器的數(shù)據(jù)測(cè)得障礙的方位和距離，控制裝置調(diào)整無(wú)人 船的位姿躲避障礙，為有效的無(wú)人船自主避障方法，提高水下無(wú)人船的避障能力，避免了損 失，使無(wú)人船在比較復(fù)雜的水域環(huán)境中高效、安全和快速的完成行駛?cè)蝿?wù)，方便可靠。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種基于前視雷達(dá)的無(wú)人船避碰方法，其特征在于:包括無(wú)人船，無(wú)人船上設(shè)置的 前視雷達(dá)、位姿傳感器、控制裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu);控制裝置根據(jù)前視雷達(dá)和位姿傳感器的數(shù)據(jù) 測(cè)得障礙的方位和距離，再通過(guò)避碰控制策略，調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量，進(jìn)而調(diào)整無(wú)人船的 位姿躲避障礙。
[0008] 根據(jù)前視雷達(dá)的處理結(jié)果對(duì)障礙的方位和距離分別定義表示危險(xiǎn)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(zhǔn)高斯曲線，Sgn為符號(hào)函數(shù)，參數(shù)χ，(^ρσ分別為位置、中心點(diǎn)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(gè)非對(duì)稱的多項(xiàng)式曲線，定義為：
[0013] W2 = zmf(x, [a,b])
[0014] 函數(shù)w2代表準(zhǔn)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(shí)為1，大于400米時(shí)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(wú)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(shí)間步長(zhǎng)，c為被評(píng)估的障礙物；
[0018]在單一時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)所有障礙物的避碰航向變量為：
[0020] 無(wú)人船在避障運(yùn)行時(shí)，其速度和壁障轉(zhuǎn)角與危險(xiǎn)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(biāo)航向角，Θ為遇到障礙物時(shí)無(wú)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(biāo)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(wú)人船的距離和角度進(jìn)行航向調(diào)整時(shí)的角度系數(shù)，Vt為無(wú)人船 的目標(biāo)航速，k v為遇到障礙物時(shí)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(jì)合理，將前視雷達(dá)圖像數(shù) 據(jù)引入無(wú)人船避障策略中，可以減小無(wú)人船避碰盲區(qū)，前視雷達(dá)和位姿傳感器的數(shù)據(jù)測(cè)得 障礙的方位和距離，控制裝置調(diào)整無(wú)人船的位姿躲避障礙，提高水下無(wú)人船的避障能力，避 免了損失，使無(wú)人船在比較復(fù)雜的水域環(huán)境中高效、安全和快速的完成行駛?cè)蝿?wù)，方便可 與巨〇
[0025]同時(shí)下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的工作原理框圖；
【具體實(shí)施方式】 [0027] 實(shí)施例：
[0028] 如圖1所示，一種基于前視雷達(dá)的無(wú)人船避碰方法，其特征在于:包括無(wú)人船，無(wú)人 船上設(shè)置的前視雷達(dá)、位姿傳感器、控制裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu);控制裝置根據(jù)前視雷達(dá)和位姿傳 感器的數(shù)據(jù)測(cè)得障礙的方位和距離，再通過(guò)避碰控制策略，調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量，進(jìn)而調(diào) 整無(wú)人船的位姿躲避障礙。
[0029]前視雷達(dá)測(cè)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(jì)算機(jī)。位 姿傳感器測(cè)得的是無(wú)人船的位置和姿態(tài)?？刂朴?jì)算機(jī)根據(jù)聲圖數(shù)據(jù)和無(wú)人船的位置和姿態(tài) 對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)做調(diào)整躲避障礙物。
[0030] 根據(jù)前視雷達(dá)的處理結(jié)果對(duì)障礙的方位和距離分別定義表示危險(xiǎn)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(zhǔn)高斯曲線，sgn為符號(hào)函數(shù)，參數(shù)x，c和σ分別為位置、中心點(diǎn)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(gè)非對(duì)稱的多項(xiàng)式曲線，定義為：
[0035] W2 = zmf(x, [a,b])
[0036] 函數(shù)w2代表準(zhǔn)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(shí)為1，大于400米時(shí)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(wú)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(shí)間步長(zhǎng)，c為被評(píng)估的障礙物。
[0040] 在單一時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)所有障礙物的避碰航向變量為：
[0042] 無(wú)人船在避障運(yùn)行時(shí)，其速度和壁障轉(zhuǎn)角與危險(xiǎn)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(biāo)航向角，Θ為遇到障礙物時(shí)無(wú)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(biāo)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(wú)人船的距離和角度進(jìn)行航向調(diào)整時(shí)的角度系數(shù)，即危險(xiǎn)程 度大時(shí)轉(zhuǎn)的角度大，危險(xiǎn)程度小時(shí)轉(zhuǎn)的角度小。V t為機(jī)器人的目標(biāo)航速，kv為遇到障礙物時(shí) 數(shù)度的調(diào)整系數(shù)，即危險(xiǎn)程度大時(shí)速度降低的幅度大，危險(xiǎn)程度小時(shí)速度降低的幅度小。
[0046] 本發(fā)明將前視雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)引入無(wú)人船避障策略中，可以減小無(wú)人船避碰盲區(qū)。 本發(fā)明設(shè)計(jì)的避碰策略可應(yīng)對(duì)復(fù)雜的障礙和回波干擾，提高了無(wú)人船的生存能力。
[0047] 本發(fā)明不局限于上述的優(yōu)選實(shí)施方式，任何人應(yīng)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(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于前視雷達(dá)的無(wú)人船避碰方法，其特征在于:包括無(wú)人船，無(wú)人船上設(shè)置的前 視雷達(dá)、位姿傳感器、控制裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu);控制裝置根據(jù)前視雷達(dá)和位姿傳感器的數(shù)據(jù)測(cè) 得障礙的方位和距離，再通過(guò)避碰控制策略，調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量，進(jìn)而調(diào)整無(wú)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(dá)的無(wú)人船避碰方法，其特征在于:根據(jù)前視雷達(dá) 的處理結(jié)果對(duì)障礙的方位和距離分別定義表示危險(xiǎn)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(zhǔn)高斯曲線，sgn為符號(hào)函數(shù)，參數(shù)X，C和σ分別為位置、中屯、點(diǎn)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(gè)非對(duì)稱的多項(xiàng)式曲線，定義為： W2 = zmf (X, [a,b]) 函數(shù)W2代表準(zhǔn)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(shí)為1，大于400米時(shí)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(wú)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(shí)間步長(zhǎng)，C為被評(píng)估的障礙物； 在單一時(shí)間步長(zhǎng)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(dá)的無(wú)人船避碰方法，其特征在于： 無(wú)人船在避障運(yùn)行時(shí)，其速度和壁障轉(zhuǎn)角與危險(xiǎn)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(biāo)航向角，θ為遇到障礙物時(shí)無(wú)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(biāo)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(wú)人船的距離和角度進(jìn)行航向調(diào)整時(shí)的角度系數(shù)，Vt為無(wú)人船的目 標(biāo)航速，kv為遇到障礙物時(shí)數(shù)度的調(diào)整系數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于前視雷達(dá)的無(wú)人船避碰方法，包括無(wú)人船，無(wú)人船上設(shè)置的前視雷達(dá)、位姿傳感器、控制裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；控制裝置根據(jù)前視雷達(dá)和位姿傳感器的數(shù)據(jù)測(cè)得障礙的方位和距離，再通過(guò)避碰控制策略，調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量，進(jìn)而調(diào)整無(wú)人船的位姿躲避障礙。本發(fā)明將前視雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)引入無(wú)人船避障策略中，可以減小無(wú)人船避碰盲區(qū)。本發(fā)明設(shè)計(jì)的避碰策略可應(yīng)對(duì)復(fù)雜的障礙和回波干擾，提高了無(wú)人船的生存能力。
【IPC分類】G05D1/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105549589
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510939233
【發(fā)明人】吳寶舉
【申請(qǐng)人】吳寶舉
【公開(kāi)日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2015年12月15日