CN110879394A - 基于运动姿态信息的无人船雷达避障***及方法 - Google Patents
基于运动姿态信息的无人船雷达避障***及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于运动姿态信息的无人船雷达避障***及方法,该***包括:雷达信号处理***,用于通过毫米波雷达发射电磁波和接收回波信号,并进行信号处理,得到目标的距离、速度和角度信息,再将这些信息传送给无人船航行控制***;无人船航行控制***,用于根据接收的目标信息,按危险等级进行分类,对高危型目标提前做出预警、紧急制动或者绕行决策;以及波束调整***,用于根据陀螺仪实时获取无人船身的姿态信息,进行数字波束合成,根据无人船运动俯仰角度的变化,始终调整毫米波雷达的波束最大指向与无人船航行方向一致。本发明减少了由于航行姿态变化,导致雷达误测非航迹方向目标,以及漏测航迹方向目标的影响。
Description
技术领域
本发明涉及无人船避障技术领域,尤其涉及一种基于运动姿态信息的无人船雷达避障***及方法。
背景技术
随着水面测绘、水文探测、水质监测、水环境监测、海事搜救、安防、抗洪抢险、水面交通疏导等应用,无人船市场得不断增长,无人船相关技术也在不断进步,如定位、航迹管理、航行姿态调整、避障绕障等关键技术。特别是在水面环境相对复杂的情况下,对无人船的灵活性和机动性要求比较高。当无人船面对多艘人工操纵船只时,考虑到人为操作的不确定性,避免无人船与人工操纵船只发生碰撞事故,自动避障能力是实现无人船安全航行的关键。精确的无人船自主避障***能最大程度的减少无人船损毁、建筑物损毁和人员伤亡事故的发生。
传统无人船避障方案通常采用视觉避障(摄像头)、激光雷达方式,但受限于摄像头、激光雷达本身工作远离的限制,易受天气、光线和其他环境因素的影响,避障方案效果有限。采用毫米波雷达方案可以很好的解决上述问题,它鲁棒性强、测量精度高、能全天候工作,且具有体积小、功耗低、精度高、抗干扰强、安装简单等诸多优势。它现有采用毫米波雷达进行无人船避障的***主要可分为两个模块。通过在无人船上安装毫米波雷达,将检测的目标信息实时发送给控制***,控制***再根据目标信息对无人船航行控制装置的状态做出调整,避免引起无人船和障碍物的碰撞。
如图1所示,***中包含雷达信号处理模块和航行控制模块。通过毫米波雷达发射电磁波和接收回波信号,并完成一系列的信号处理,可以得到障碍物的距离、速度和角度信息,再将这些信息传送给航行控制模块,航行控制模块根据接收的目标信息,按危险等级进行分类,对高危型障碍物提前做出预警、紧急制动或者绕行等策略,保证无人船航行的安全。
但是由于雷达检测体制的限制和应用环境的复杂多样性,雷达的检测性能会受到极大的限制。在无人船运动姿态信息(加速、减速、船头抬升、船头下降、转向等)发生变化的时候,雷达的探测范围会发生变化,会导致雷达检测非航迹方向目标(可能会有虚警目标被检测到),以及漏测正常航迹方向目标(可能漏测预警范围内的船、桥和其他障碍物等目标),这些信息上传给航行控制***,航行控制***会根据目标信息做出调整,采取继续航行或者紧急制动等错误的措施,影响航行安全和效率。
发明内容
本发明提供了一种基于运动姿态信息的无人船雷达避障***及方法,用以解决无人船毫米波雷达避障***在运动姿态信息变化时容易检测非航迹方向目标,以及漏测正常航迹方向目标,从而影响航行安全和效率的技术问题。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
一种基于运动姿态信息的无人船雷达避障***,包括:
雷达信号处理***,用于通过毫米波雷达发射电磁波和接收回波信号,并进行信号处理,得到目标的距离、速度和角度信息,再将这些信息传送给无人船航行控制***;
和,无人船航行控制***,用于根据接收的目标信息,按危险等级进行分类,对高危型目标提前做出预警、紧急制动或者绕行决策;
还包括:
波束调整***,用于根据陀螺仪实时获取无人船身的姿态信息,进行数字波束合成,根据无人船运动俯仰角度的变化,始终调整毫米波雷达的波束最大指向与无人船航行方向一致。
优选地,无人船航行控制***,还用于实时将无人船运行信息通过数据处理***转发给雷达信号处理***;无人船运行信息包括航行速度、航行转向信息以及无人船倾角信息;
无人船数据处理***,用于接收和转发来自无人船上所有传感器的信息,并根据这些传感器的信息判断无人船当前所处的环境,规划无人船的航行轨迹,并对无人船下一步任务做出处理;还用于在处理下一步任务时,下发各类指令至无人船上传感器模块以及动力模块,以控制无人船在无人控制情况下完成下一步任务。
优选地,雷达信号处理***,包括:
天线,用于毫米波雷达发射电磁波和接收回波信号;
AD采样单元,用于对回波信号进行模数采样,将采样结果输入二维FFT单元;
二维FFT单元,用于将采样结果分别进行距离维度和速度维度的快速傅里叶变换为二维数据矩阵;
CFAR单元,用于对二维数据矩阵进行恒虚警检测,得到目标的距离和速度信息。
优选地,雷达信号处理***,还包括:
速度解模糊单元,用于对所求解的速度进行解模糊;
角度测量单元,用于分别对CFAR单元检测到的所有目标点进行角度测量,得到精确的目标角度信息。
优选地,雷达信号处理***,还包括:
目标过滤单元,用于根据所有目标点的目标特征信息和回波信号特征,对检测到的目标点进行二次判断,判别检测到的目标点是否是需要的真实目标点,并进行过滤,剔除虚假目标点。
优选地,雷达信号处理***,还包括:
目标融合单元,用于对所有检测点进行数据融合,将同一个反射体的目标点按照对应的融合规则融合在一起;
跟踪滤波单元,用于来自无人船航行控制***的航行速度、航行转向以及无人船倾角信息对毫米波雷达进行自适应调整滤波参数和轨迹跟踪参数调整,以对融合过后的目标点进行跟踪滤波,得到非线性运动目标的轨迹信息。
优选地,雷达信号处理***,还包括:
目标分类单元,用于根据非线性运动目标的轨迹信息,依照相应的数据特征,进行目标分类;
虚警管理单元,用于根据目标分类,以及航行速度、航行转向以及无人船倾角信息对毫米波雷达进行自适应调整滤波参数和轨迹跟踪参数调整,去除不同噪声背景下产生的虚警目标,以及出现的无法和航行轨迹关联的虚警目标;得到真实的目标信息;
目标输出单元,将虚警管理后的目标信息整合后发送给无人船航行控制***。
优选地,毫米波雷达的波束最大指向与无人船航行方向一致为波束最大指向为水平面0度方向位置。
本发明还提供一种基于运动姿态信息的无人船的雷达避障方法,通过毫米波雷达发射电磁波和接收回波信号,并进行信号处理,得到目标的距离、速度和角度信息,再将这些信息传送给无人船航行控制***;根据接收的目标信息,按危险等级进行分类,对高危型目标提前做出预警、紧急制动或者绕行决策;还包括以下步骤:
根据陀螺仪实时获取无人船身的姿态信息,进行数字波束合成,根据无人船运动俯仰角度的变化,始终调整毫米波雷达的波束最大指向与无人船航行方向一致。
优选地,毫米波雷达的波束最大指向与无人船航行方向一致为:波束最大指向为水平面0度方向位置。
本发明具有以下有益效果:
1、本发明的基于运动姿态信息的无人船雷达避障***及方法,通过实时将无人船运动姿态信息反馈给雷达,雷达在信号处理过程中对调整雷达波束最大指向位置,减少了由于航行姿态变化,导致雷达误测非航迹方向目标,以及漏测航迹方向目标的影响。
2.在优选方案中,本发明的基于运动姿态信息的无人船雷达避障***,通过无人船数据处理***与航行控制***,数据处理***与雷达***的双向交互,实现精准避障。通过实时将无人船运动姿态信息反馈给雷达,雷达根据相关信息,在检测和跟踪滤波等算法中,自适应调节相关参数,在保证了雷达的检测准确度的基础上,提高了雷达对各类反射体目标的检测能力。
3.在优选方案中,本发明的基于运动姿态信息的无人船雷达避障***,通过实时将无人船运动姿态信息反馈给雷达,在虚警管理中,雷达根据无人船运动姿态状态以及航行速度、航行转向,可自动判断识别虚警,在一定程度上剔除了虚警目标对真实目标的干扰。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外,本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图,对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是传统的无人船毫米波雷达避障***示意图;
图2是本发明优选实施例1的基于运动姿态信息的无人船雷达避障***的结构示意图;
图3是本发明优选实施例1的雷达信号处理***的结构示意图;
图4是本发明优选实施例1的基于运动姿态信息的无人船的雷达避障方法的流程示意图;
图5是本发明优选实施例2的雷达信号处理***的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明,但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。实施例仅为示例,不作为技术特征的组合限制,不同的实施例之间的技术特征可进行合理的组合。
实施例1:
参见图2,本实施例的基于运动姿态信息的无人船雷达避障***,包括:
雷达信号处理***,用于通过毫米波雷达发射电磁波和接收回波信号,并进行信号处理,得到目标的距离、速度和角度信息,再将这些信息传送给无人船航行控制***;
无人船航行控制***,用于根据接收的目标信息,按危险等级进行分类,对高危型目标提前做出预警、紧急制动或者绕行决策;进一步地,无人船航行控制***还用于实时将无人船运行信息通过数据处理***转发给雷达信号处理***;无人船运行信息包括航行速度、航行转向信息以及无人船倾角信息;(其信息来源于无人船操作控制***或者无人船航行控制***,包括但不限于航速表、GPS、RTK、惯导***、摄像头等设备);
波束调整***,用于根据陀螺仪实时获取无人船身的姿态信息,进行数字波束合成,根据无人船运动俯仰角度的变化,始终调整毫米波雷达的波束最大指向与无人船航行方向一致(优选为波束最大指向为水平面0度方向位置);
以及,无人船数据处理***,用于接收和转发来自无人船上所有传感器的信息,并根据这些传感器的信息判断无人船当前所处的环境,规划无人船的航行轨迹,并对无人船下一步任务做出处理;还用于在处理下一步任务时,下发各类指令至无人船上传感器模块以及动力模块,以控制无人船在无人控制情况下完成下一步任务。
通过实时将无人船运动姿态信息反馈给雷达,雷达在信号处理过程中对调整雷达波束最大指向位置,减少了由于航行姿态变化,导致雷达误测非航迹方向目标,以及漏测航迹方向目标的影响。通过无人船数据处理***与无人船航行控制***,数据处理***与雷达***的双向交互,实现精准避障。
参见图3,本实施例的雷达信号处理***,优选包括以下部分:
天线,用于毫米波雷达发射电磁波和接收回波信号;
AD(Analog to Digital,模拟转数字)采样单元,用于对回波信号进行模数采样,将采样结果输入二维FFT单元;
二维FFT(Fast Fourier Transform,快速傅里叶变换)单元,用于将采样结果分别进行距离维度和速度维度的快速傅里叶变换为二维数据矩阵;
CFAR(Constant False-Alarm Rate,恒虚警率)检测单元,用于对二维数据矩阵进行恒虚警检测,得到目标的距离和速度信息。恒虚警检测的主要作用是:毫米波雷达***在保持恒定虚警概率的情况下,自适应调节雷达***相应检测参数,可以判别出噪声信号和目标信号,例如,根据恒虚警检测原理,雷达***自适应调节检测阀值,当回波目标点信号幅度超过检测阀值,则认为该回波信号点为需要的真实目标点;当回波目标点信号幅度低于检测阀值,则认为该回波信号点为噪声信号。这部分功能通常由毫米波雷达DSP完成。CFAR模块是根据特定算法(恒定、分段或者背景噪声)改变检测阈值,来判别目标信号和噪声信号。
速度解模糊单元,用于对所求解的速度进行解模糊;
角度测量单元,用于分别对CFAR单元检测到的所有目标点进行角度测量,得到精确的目标角度信息。
目标过滤单元,用于根据所有目标点的目标特征信息和回波信号特征(一般说来,检测提取的雷达信息都是我们所感兴趣的信息,如距离、多普勒、俯仰、方位等),对检测到的目标点进行二次判断,判别检测到的目标点是否是需要的真实目标点,并进行过滤,剔除虚假目标点;
目标融合单元,用于对所有检测点进行数据融合,将同一个反射体的目标点按照对应的融合规则融合在一起;融合规则有很多,通常是比较同一帧目标的信息是否相近或者相似。例如,可以将相距较近的点进行融合,也可以根据事先设定的目标形状进行融合,还可以根据目标反射信号强度进行融合。
跟踪滤波单元,用于来自无人船航行控制***的航行速度、航行转向以及无人船倾角信息对毫米波雷达进行自适应调整滤波参数和轨迹跟踪参数调整,以对融合过后的目标点进行跟踪滤波,得到非线性运动目标的轨迹信息;在保证了雷达的检测准确度的基础上,提高了雷达对各类反射体目标的检测能力。实施时,毫米波雷达经过初步算法处理得到的数据是目标点信息,该信息包含目标的速度、角度和距离。基于以上信息,我们可以把连续的几帧数据进行比较,根据不同帧之间目标的速度、角度和距离对相类似的点进行融合处理,从而实现目标轨迹数据。对毫米波雷达进行自适应调整滤波参数和轨迹跟踪参数调整,可以采用以下几种示例的方式进行:根据航行速度的快慢和航行转向信息,可以调整轨迹跟踪的过滤和跟踪参数,保证在采样率不变的情况下,保证目标的轨迹跟踪稳定有效。根据无人船倾角的差异,针对于天空、海面和正常航行时设置不同的滤波参数,由于天空、海面对毫米波雷达的反射情况不一样,会存在不同的噪声干扰,因此,产生的虚警各不相同。只有根据无人船倾角信息不断调整滤波参数,才能保证毫米波雷达输出的数据始终有效。
目标分类单元,用于根据非线性运动目标的轨迹信息,依照相应的数据特征,进行目标分类;
虚警管理单元,用于根据目标分类,以及航行速度、航行转向以及无人船倾角信息对毫米波雷达进行自适应调整滤波参数和轨迹跟踪参数调整,去除不同噪声背景下产生的虚警目标,以及出现的无法和航行轨迹关联的虚警目标,得到真实的目标信息。虚景管理单元是根据航行速度、转向角、无人船俯仰角信息剔除已经被识别为目标信号的物体。例如,在航行时,无人船速度为30km/h,这时雷达检测到一个速度为200km/h的目标,这明显在实际应用中不会出现(速度过快),可以把这个目标认为是虚警进行过滤。还例如无人船的俯仰角明显已经探测到水面,此时,可以根据雷达安装高度和无人船俯仰角计算水面距离,因此把探测到的水面信号剔除,防止出现因为检测到水面而雷达误以为检测到障碍物而导致的无人船紧急制动。雷达根据无人船运动姿态状态,自动判断识别虚警,在一定程度上剔除了虚警目标对真实目标的干扰。
目标输出单元,将虚警管理后的真实的目标信息整合后发送给无人船航行控制***。
参见图4,本实施例还提供一种基于运动姿态信息的无人船的雷达避障方法,通过毫米波雷达发射电磁波和接收回波信号,并进行信号处理,得到目标的距离、速度和角度信息,再将这些信息传送给无人船航行控制***;根据接收的目标信息,按危险等级进行分类,对高危型目标提前做出预警、紧急制动或者绕行决策;进一步地,根据陀螺仪实时获取无人船身的姿态信息,进行数字波束合成,根据无人船运动俯仰角度的变化,始终调整毫米波雷达的波束最大指向与无人船航行方向一致,即波束最大指向为水平面0度方向位置,保证无人船毫米波雷达探测效率。
实施例2:
参见图5,本实施例的基于运动姿态信息的无人船雷达避障***的结构和原理与实施例1基本相同,在此不再赘述。二者的不同之处仅在于,本实施例的雷达信号处理***,包括以下部分:
二维FFT单元,用于将对回波信号的采样结果分别进行距离维度和速度维度的快速傅里叶变换为二维数据矩阵;
目标检测单元,包含实施例1中的目标过滤和目标融合两个单元的功能。当无人船正常启动时,无人船航行控制***将无人船运动姿态信息通过数据处理***传送给雷达,雷达根据无人船运动姿态信息和回波频谱,自适应调节CFAR检测门限,提高/降低雷达对周边反射体目标的检测能力。同时减少由于无人船运动姿态变换引起雷达倾向角朝上/下/转向后,雷达波束指向发生变化,从而通过控制雷达波束进行相对应转向补偿,减少误报/漏报的影响。
跟踪滤波单元,用于来自无人船航行控制***的航行速度、航行转向以及无人船倾角信息对毫米波雷达进行自适应调整滤波参数和轨迹跟踪参数调整,以对融合过后的目标点进行跟踪滤波,得到非线性运动目标的轨迹信息。在跟踪滤波中,结合无人船运动姿态信息,自适应调整滤波参数和轨迹跟踪参数,不仅能防止无人船速度过快导致目标丢失、轨迹断裂等情况发生,还能减少由于无人船运动姿态变换后,雷达波束指向发生变化引起的误报/漏报问题。
虚警管理单元,用于根据目标分类,以及航行速度、航行转向以及无人船倾角信息对毫米波雷达进行自适应调整滤波参数和轨迹跟踪参数调整,去除不同噪声背景下产生的虚警目标,以及出现的无法和航行轨迹关联的虚警目标;得到真实的目标信息。在虚警管理处理中,加入无人船运动运动姿态信息,可根据这些信息,自动识别检测目标的有效性,在最大程度上,减少由于雷达虚警的检测对无人船正常航行的影响。
目标输出单元,用于将虚警管理后的真实的目标信息整合后发送给无人船航行控制***。
综上所述,本发明采用无人船数据处理***与无人船航行控制***,数据处理***与雷达***的双向交互,根据无人船航行环境和运动状态,实时反馈给雷达***相关信息。雷达再根据相关信息和实际回波信号综合分析,同时不断调整雷达波束水平0度角探测方向,不仅保证了雷达检测准确度,还提高了雷达对目标的检测能力,减少了误报的风险,极大的提高了雷达的工作性能,为无人船的安全、稳定和持续工作提供了可靠的保障。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于运动姿态信息的无人船雷达避障***,包括:
雷达信号处理***,用于通过毫米波雷达发射电磁波和接收回波信号,并进行信号处理,得到目标的距离、速度和角度信息,再将这些信息传送给无人船航行控制***;
和,无人船航行控制***,用于根据接收的目标信息,按危险等级进行分类,对高危型目标提前做出预警、紧急制动或者绕行决策;
其特征在于,还包括:
波束调整***,用于根据陀螺仪实时获取无人船身的姿态信息,进行数字波束合成,根据无人船运动俯仰角度的变化,始终调整毫米波雷达的波束最大指向与无人船航行方向一致。
2.根据权利要求1所述的基于运动姿态信息的无人船雷达避障***,其特征在于,所述无人船航行控制***,还用于实时将无人船运行信息通过数据处理***转发给雷达信号处理***;所述无人船运行信息包括航行速度、航行转向信息以及无人船倾角信息;
所述无人船数据处理***,用于接收和转发来自无人船上所有传感器的信息,并根据这些传感器的信息判断无人船当前所处的环境,规划无人船的航行轨迹,并对无人船下一步任务做出处理;还用于在处理下一步任务时,下发各类指令至无人船上传感器模块以及动力模块,以控制所述无人船在无人控制情况下完成下一步任务。
3.根据权利要求1所述的基于运动姿态信息的无人船雷达避障***,其特征在于,所述雷达信号处理***,包括:
天线,用于毫米波雷达发射电磁波和接收回波信号;
AD采样单元,用于对回波信号进行模数采样,将采样结果输入二维FFT单元;
二维FFT单元,用于将采样结果分别进行距离维度和速度维度的快速傅里叶变换为二维数据矩阵;
CFAR单元,用于对二维数据矩阵进行恒虚警检测,得到目标的距离和速度信息。
4.根据权利要求3所述的基于运动姿态信息的无人船雷达避障***,其特征在于,所述雷达信号处理***,还包括:
速度解模糊单元,用于对所求解的速度进行解模糊;
角度测量单元,用于分别对CFAR单元检测到的所有目标点进行角度测量,得到精确的目标角度信息。
5.根据权利要求3或4所述的基于运动姿态信息的无人船雷达避障***,其特征在于,所述雷达信号处理***,还包括:
目标过滤单元,用于根据所有目标点的目标特征信息和回波信号特征,对检测到的目标点进行二次判断,判别检测到的目标点是否是需要的真实目标点,并进行过滤,剔除虚假目标点。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的基于运动姿态信息的无人船雷达避障***,其特征在于,所述雷达信号处理***,还包括:
目标融合单元,用于对所有检测点进行数据融合,将同一个反射体的目标点按照对应的融合规则融合在一起;
跟踪滤波单元,用于来自无人船航行控制***的航行速度、航行转向以及无人船倾角信息对毫米波雷达进行自适应调整滤波参数和轨迹跟踪参数调整,以对融合过后的目标点进行跟踪滤波,得到非线性运动目标的轨迹信息。
7.根据权利要求6所述的基于运动姿态信息的无人船雷达避障***,其特征在于,所述雷达信号处理***,还包括:
目标分类单元,用于根据非线性运动目标的轨迹信息,依照相应的数据特征,进行目标分类;
虚警管理单元,用于根据所述目标分类,以及所述航行速度、航行转向以及无人船倾角信息对毫米波雷达进行自适应调整滤波参数和轨迹跟踪参数调整,去除不同噪声背景下产生的虚警目标,以及出现的无法和航行轨迹关联的虚警目标;得到真实的目标信息;
目标输出单元,将虚警管理后的目标信息整合后发送给无人船航行控制***。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的基于运动姿态信息的无人船雷达避障***,其特征在于,毫米波雷达的波束最大指向与无人船航行方向一致为波束最大指向为水平面0度方向位置。
9.一种基于运动姿态信息的无人船的雷达避障方法,通过毫米波雷达发射电磁波和接收回波信号,并进行信号处理,得到目标的距离、速度和角度信息,再将这些信息传送给无人船航行控制***;根据接收的目标信息,按危险等级进行分类,对高危型目标提前做出预警、紧急制动或者绕行决策;其特征在于,还包括以下步骤:
根据陀螺仪实时获取无人船身的姿态信息,进行数字波束合成,根据无人船运动俯仰角度的变化,始终调整毫米波雷达的波束最大指向与无人船航行方向一致。
10.根据权利要求9所述的基于运动姿态信息的无人船的雷达避障方法,其特征在于,所述毫米波雷达的波束最大指向与无人船航行方向一致为:波束最大指向为水平面0度方向位置。
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