CN112946663B - 一种前视探障声纳的分级自动碰撞报警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种前视探障声纳的分级自动碰撞报警方法，属于声呐探测领域。本发明通过建立关于障碍物目标的尺度、方位和距离等参数的碰撞危险度函数，划分分级报警区域，设置碰撞报警阈值，实现碰撞报警信息的分级管控，能够降低碰撞报警的虚警率、客观体现可能发生碰撞的危急程度，更好地契合水下导航探障的应用场景。本发明集“探测—感知—评判—报警”等功能于一体，借助二维前视多波束图像声纳获取探测范围内障碍物目标的数量、距离、方位、尺度等参数，按照建立的分级报警模型评判碰撞危险等级，以声光报警方式提醒潜航员或者将碰撞报警信息传输给潜航器的指挥控制机，实现智能化辅助载人/无人潜航器进行水下安全航行。

Description

一种前视探障声纳的分级自动碰撞报警方法

技术领域

本发明属于声呐探测领域，具体涉及一种前视探障声纳的分级自动碰撞报警方法。

背景技术

水下载人/无人潜航器在水下航行过程中，通常借助二维前视多波束图像声纳完成前视障碍物探测。在实际应用过程中，受水中微小型生物和环境噪声等因素影响，二维前视多波束图像声纳提示碰撞报警的虚警率较高，且碰撞报警信息过于简单，没有客观体现可能发生碰撞的危急程度，从而给潜航员造成较大负担，甚至导致水下潜航器经常采取不必要的障碍物规避动作，给水下潜航器的正常航行造成重大不利影响。

因此，如何实现前视探障声纳的分级报警，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种前视探障声纳的分级自动碰撞报警方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种前视探障声纳的分级自动碰撞报警方法，所述前视探障声纳为安装于水下潜航器艏部的二维前视多波束图像声纳，其步骤如下：

S1：预先将声纳的视域按照视域内每个点位的碰撞危险度被离散化划分若干等级区域，其中同一等级区域中的所有点位的碰撞危险度处于同一碰撞危险度区间，每个点位的碰撞危险度由障碍物目标的尺度l以及该点位相对于声呐的方位θ和距离r决定，计算公式为：

式中：θ₀为声呐的探测开角，r₀为声呐的最小探测距离，σ为关于方位θ的碰撞危险度随机变量所满足的正态分布N(0,σ)中的标准差；

且针对每一个等级区域预先设置有当前等级碰撞报警触发条件以及升级碰撞报警触发条件；所述当前等级碰撞报警触发条件为该等级区域内存在单个障碍物目标的像素点数量超过该等级区域的最小像素点数量阈值；所述升级碰撞报警触发条件为该等级区域内存在单个障碍物目标的尺度超过该等级区域的尺度阈值；

S2：水下潜航器航行过程中通过前视探障声纳实时获取水下潜航器前方声纳视域范围内的声学图像，对声学图像实时进行连通域分析以确定声学图像中障碍物目标数量，并感知每个障碍物目标的尺度、方位及其到潜航器的距离，形成水下潜航器前方的当前障碍物探测结果；

S3：根据水下潜航器前方的当前障碍物探测结果，分别判断声呐视域中每个等级区域内是否存在满足当前等级碰撞报警触发条件的障碍物目标，若存在则触发所在等级区域对应的碰撞危险等级，若不存在则不触发；

S4：根据水下潜航器前方的当前障碍物探测结果，分别判断声呐视域中每个等级区域内是否存在满足升级碰撞报警触发条件的障碍物目标，若存在则触发比所在等级区域对应的碰撞危险等级更高的碰撞危险等级，若不存在则不触发；

S5：选择S3和S4中触发的最高的碰撞危险等级作为水下潜航器当前的碰撞危险等级发送至用于报警的信号接收端。

作为优选，所述声纳的视域划分3～5个等级区域。

进一步的，所述水下潜航器的碰撞危险度值的区间划分为4个连续的值区间，声纳的视域也对应划分4个等级区域。

作为优选，不同等级区域中的所述最小像素点数量阈值不同。

作为优选，不同等级区域中的所述尺度阈值不同。

作为优选，所述S4中，若一个等级区域内存在满足升级碰撞报警触发条件的障碍物目标，则触发比所在等级区域对应的碰撞危险等级高一级的碰撞危险等级；当所在等级区域对应的碰撞危险等级已经是最高碰撞危险等级时，则仅触发最高碰撞危险等级。

作为优选，所述S5中，信号接收端为报警***和/或水下潜航器的指挥控制机。

进一步的，所述报警***中具有对应不同碰撞危险等级的报警声和报警灯光。

作为优选，若S3和S4中未触发任何碰撞危险等级，则输出代表无碰撞危险的缺省值。

作为优选，所述水下潜航器在航行过程中，对实时获取的声学图像迭代进行S2～S5处理，感知障碍物目标的实时动态信息，不断更新碰撞危险等级。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

本发明通过建立关于障碍物目标的尺度、方位和距离等参数的碰撞危险度函数，划分分级报警区域，设置碰撞报警阈值，实现碰撞报警信息的分级管控，能够降低碰撞报警的虚警率、客观体现可能发生碰撞的危急程度，更好地契合水下导航探障的应用场景。

本发明集“探测—感知—评判—报警”等功能于一体，借助二维前视多波束图像声纳获取探测范围内障碍物目标的数量、距离、方位、尺度等参数，按照建立的分级报警模型评判碰撞危险等级，以声光报警方式提醒潜航员或者将碰撞报警信息传输给潜航器的指挥控制机，实现智能化辅助载人/无人潜航器进行水下安全航行。

附图说明

图1是实施例中的声呐视域范围内碰撞危险等级分布区域示意图。

图2是实施例中Ⅰ级高风险探障报警试验结果。

图3是实施例中Ⅱ级中高风险探障报警试验结果。

图4是实施例中Ⅲ级中风险探障报警试验结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本发明中的前视探障声纳采用二维前视多波束图像声纳，其安装于水下潜航器艏部。但应用此类二维前视多波束图像声纳实现水下载人/无人潜航器的前视探障报警功能时，受水中微小型生物和环境噪声等因素影响，碰撞报警的虚警率较高，潜航员无法根据报警信息判断可能发生碰撞的危急程度。

基于该问题，本发明所采用的发明构思如下：通过二维前视多波束图像声纳探测的水声图像，感知目标的数量和各目标的尺度大小、方位、到潜航器的距离等参数；其次，建立关于目标尺度、方位和距离等参数的碰撞危险度函数，通过对探测区域进行离散化分块切割处理，确定分级报警区域和等级。再次，为每个分级报警区域设置碰撞报警阈值，当该区域内目标图像的像素点数量超过碰撞报警阈值时，触发相应等级的碰撞报警。此外，为客观评价大型目标对水下潜航器航行安全的威胁，设置目标尺度阈值，当某分级区域中障碍物目标尺度大于该阈值时，将水下潜航器与该障碍物目标的碰撞危险等级上调一级，直至最高Ⅰ级碰撞危险。最终，碰撞危险分级报警模型按各分级区域内的障碍物目标信息确定最高碰撞危险等级，自动调取对应的内置报警声音和闪烁灯光，提醒潜航员注意航行安全或者将碰撞报警信息传输给潜航器的指挥控制机。

下面详细描述本发明中一种前视探障声纳的分级自动碰撞报警方法具体实现方式。

S1：在声呐投入实际使用前，需要预先将声纳的视域(即呈扇形形状的探测范围)按照视域内每个点位的碰撞危险度被离散化划分多个等级区域，以便于后续实现分级报警。

视域需要依据障碍物目标出现在视域范围内的每个点位时所代表的碰撞危险度进行合理划分，具体的划分数量n可以根据实际需要调整，一般可划分为n＝3～5个等级区域。而碰撞危险度的衡量需要预先建立一个关于目标尺度、方位和距离等参数的碰撞危险度函数，以便于量化碰撞危险度的具体数值。

首先考虑方位θ对碰撞危险度的贡献，一般位于正前方的障碍物目标碰撞危险度较大，偏离正前方的障碍物目标碰撞危险度较小。由于二维前视多波束图像声纳的探测区域呈扇形且具有左右对称的分布特征，则关于方位θ的碰撞危险度随机变量满足标准差为σ的正态分布N(0,σ)，其概率密度函数由下式给出：

式中：θ₀(弧度)为声呐的探测开角，k为量化系数。标准差σ为统计值，由样本决定，本实施例中可设置标准差σ＝1。

根据概率密度函数的全域积分值等于1的原则，即：

可以计算得到：

进一步考虑障碍物目标的尺度l及其到水下潜航器的距离r等两个因素对碰撞危险度的贡献，且l在半径为r的弧线上为均匀分布，确定二者的碰撞概率近似为：

式中，r₀为声呐的最小探测距离。

综合考虑障碍物目标的尺度l、方位θ、距离r等参数对碰撞危险度的贡献，本发明中建立碰撞危险度函数如下：

基于该碰撞危险度函数，对于任意一个点位，可以根据其在视域中的所处位置，确定该点位相对于声呐的方位θ和距离r，将所有点位的障碍物目标的尺度l设置为固定值，就可以计算声呐的视域内每个点位的碰撞危险度

该过程可以通过绘制碰撞危险度函数的三维曲面图并做离散化分块切割处理来实现。

由此，可以将水下潜航器的碰撞危险度值的区间划分为n个连续的值区间，每一个值区间对应于一个碰撞危险等级，碰撞危险度值越大碰撞危险等级越高，表示越有可能发生碰撞。由此，根据划分的碰撞危险度值区间，即可将整个视域离散化划分出n个等级区域，其中同一等级区域中的所有点位的碰撞危险度处于同一碰撞危险度值区间。

当视域范围完成等级区域的划分后，后续实际探测过程中就可以根据落入每个等级区域的障碍物目标的大小和尺度来实现碰撞危险等级的确定。受水中微小型生物及噪声的影响，探测图像中容易出现虚警，因此一方面需要针对每个等级需要设置一个碰撞报警的像素阈值，即确定触发碰撞报警的区域内单个目标最小像素点数量，而另一方面由于感知到尺度较大的障碍物目标时碰撞风险会增加，应当采取升级报警措施，因此需要设置目标尺度阈值，当感知到的障碍物目标尺度大于该阈值时，应将水下潜航器与该障碍物目标的碰撞危险等级上调。

由此，在本发明中当视域范围完成等级区域的划分后，针对每一个等级区域，需要各自预先设置一个当前等级碰撞报警触发条件以及一个升级碰撞报警触发条件，两个触发条件具体如下：

a)当前等级碰撞报警触发条件为：该等级区域内存在单个障碍物目标的像素点数量超过该等级区域的最小像素点数量阈值W₁。满足该条件，即可触发当前等级区域对应的报警等级。

b)升级碰撞报警触发条件为：该等级区域内存在单个障碍物目标的尺度超过该等级区域的尺度阈值W₂。满足该条件，即可触发比当前等级区域对应的报警等级更高的报警等级，提前对大型障碍物目标做出预警反馈。尺度阈值W₂可人为设定，其取值需要大于常规障碍物目标的尺度，以识别出过大的障碍物目标。

上述两个触发条件中，不同等级区域中的最小像素点数量阈值W₁可以相同或者不同。同样的，不同等级区域中的尺度阈值W₂也可以相同，也可以不同。一般而言，不同等级区域中的阈值W₁、W₂是不同的，具体取值需要根据实际进行优化。

当完成视域范围内的等级区域以及两个触发条件的设置后，即可将这些信息内嵌于声呐***上位机中，用于水下潜航器航行过程中的分级自动碰撞报警。参见S2～S5，下面对其具体过程进行详述。

S2：水下潜航器航行过程中通过前视探障声纳实时获取水下潜航器前方声纳视域范围内的水声声学图像，声呐的最大探测距离记为L，探测开角记为θ₀。

为了从声学图像中剔除微小水生生物和噪声的影响，提取出大型障碍物目标，需要进一步对获取到声学图像实时进行连通域分析，以确定声学图像中障碍物目标数量，并感知每个障碍物目标的尺度、方位及其到潜航器的距离，形成水下潜航器前方的当前障碍物探测结果。其中，连通域分析属于现有技术，可采用现有的算法实现，其中所采用的阈值可根据实际情况进行优化调整。障碍物目标的尺度、方位及其到潜航器的距离可由声呐内置的功能模块来感知，亦属于现有技术，不再赘述。因此，从一幅声学图像中得到的当前障碍物探测结果包含了声学图像中障碍物目标数量，以及每个障碍物目标的尺度、方位及其到潜航器的距离等基本信息，根据这些信息就可以将其映射在声呐的视域范围内，用于进行后续步骤的分级报警监测。

S3：根据水下潜航器前方的当前障碍物探测结果，分别判断声呐视域中每个等级区域内是否存在满足当前等级碰撞报警触发条件的障碍物目标，即判断声呐视域中每个等级区域内是否存在一个障碍物目标且该障碍物目标所占据的像素点数量超过该等级区域预先设置的最小像素点数量阈值W₁，若存在则触发所在等级区域对应的碰撞危险等级，若不存在则不触发所在等级区域对应的碰撞危险等级。

例如，对于一个对应的碰撞危险等级为A的等级区域，该等级区域的最小像素点数量阈值W_1A，根据当前障碍物探测结果可以发现这个等级区域中存在一个障碍物目标所占据的像素点数量超过了W_1A，那么需要触发碰撞危险等级A。当多个等级区域均存在满足当前等级碰撞报警触发条件的障碍物目标，那么需要各自触发其对应的碰撞危险等级。如果所有等级区域均不存在满足当前等级碰撞报警触发条件的障碍物目标，那么本步骤没有触发任一碰撞危险等级。

另外，在执行S3的判定的同时，还需要考虑障碍物目标的尺度大小的影响，对尺度大于一定值的障碍物目标进行升级报警，其做法如S4。

S4：根据水下潜航器前方的当前障碍物探测结果，分别判断声呐视域中每个等级区域内是否存在满足升级碰撞报警触发条件的障碍物目标，即判断声呐视域中每个等级区域内是否存在一个障碍物目标且该障碍物目标的尺度超过该等级区域的尺度阈值W₂，若存在则触发比所在等级区域对应的碰撞危险等级更高的碰撞危险等级，若不存在则不触发。

例如，对于一个对应的碰撞危险等级为C(更高一级和二级的等级分别为B和A)的等级区域，该等级区域的最小像素点数量阈值W_2C，根据当前障碍物探测结果可以发现这个等级区域中存在一个障碍物目标的尺度超过了该等级区域的尺度阈值W_2C，那么需要触发比等级C更高的碰撞危险等级。比等级C更高的碰撞危险等级可根据实际需要进行设置，可以高一级，也可以高多级。一般而言，触发比所在等级区域对应的碰撞危险等级高一级的碰撞危险等级就可以满足要求。因此此处需要触发碰撞危险等级B。当多个等级区域均存在满足升级碰撞报警触发条件的障碍物目标，那么需要各自触发相应的碰撞危险等级。如果所有等级区域均不存在满足升级碰撞报警触发条件的障碍物目标，那么本步骤没有触发任一升级碰撞危险等级。

另外需要注意的是，由于碰撞危险等级存在上限，因此当所在等级区域对应的碰撞危险等级已经是最高碰撞危险等级时，则仅触发最高碰撞危险等级即可，无需再触发更高碰撞危险等级。

S5：当S3和S4执行完毕后，得到了碰撞危险等级的所有输出结果，因此选择S3和S4中触发的最高的碰撞危险等级，即可作为水下潜航器当前的碰撞危险等级。但是假如S3和S4中未触发任何碰撞危险等级，则输出代表无碰撞危险的缺省值。

为了实现报警的功能，水下潜航器当前的碰撞危险等级需要发送至用于报警的信号接收端。信号接收端可以根据实际情况进行设置，只要能够实现报警功能即可，一般而言信号接收端可以采用报警***或水下潜航器的指挥控制机。报警***中具有对应不同碰撞危险等级的报警声和报警灯光，报警***亦可集成于指挥控制机上，以UI界面或者其他形式体现。

由于水下潜航器前方障碍物是实时变化的，因此在水下潜航器的航行过程中，需要对实时获取的声学图像迭代进行S2～S5处理，以便于感知障碍物目标的实时动态信息，不断更新评判全域碰撞危险等级，为水下导航与前视探障构建完整的“探测—感知—评判—报警”闭环体系。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面将上述方法应用于一个具体实施例中，以展示其技术效果。

实施例1

在本实施例中，其具体的报警方法参见前述的S1～S3所示，不再赘述。

其中，S1中根据前述的碰撞危险度函数，将水下潜航器的碰撞危险度值的区间划分为4个连续的值区间，因此最大探测距离为L的声纳视域也对应划分4个等级区域。如图1所示，为本实施例划分的碰撞危险分级报警区域图，其包含四个等级区域，实际使用时可以分别用红色、橙色、黄色和蓝色来表示，分别代表水下潜航器与该区域内障碍物目标的碰撞危险等级为Ⅰ级(高风险)、Ⅱ级(中高风险)、Ⅲ级(中风险)和Ⅳ级(低风险)。

本实施例中，在潜航器的指挥控制机UI界面上内置了报警扬声器和闪烁灯，可按各等级区域的最高碰撞危险等级，自动调取对应的内置报警声音和闪烁灯光(碰撞危险等级为无风险时，对外无声音报警或灯光闪烁提示)，提醒潜航员注意航行安全或者将碰撞报警信息传输给潜航器的指挥控制机，实现前视探障声纳的分级自动碰撞报警。

本实施例在实际的水域环境中开展二维前视多波束图像声纳应用于水下导航场景中的探障报警试验，设置Ⅰ级(高风险)、Ⅱ级(中高风险)、Ⅲ级(中风险)和Ⅳ级(低风险)等各等级区域的尺度阈值W₂分别为50m、100m、150m和200m，以验证本发明所述的分级自动碰撞报警方法的有效性，结果参见图2～图4。

如图2所示，为该实施例中二维前视多波束图像声纳探测得到的障碍物目标声学图像。根据感知的目标参数，结合图1中碰撞危险等级分布区域图，分别触发Ⅰ级高风险报警、Ⅱ级中高风险报警和Ⅲ级中风险报警。本发明所述的前视探障声纳分级自动碰撞报警方法以Ⅰ级高风险对外自动报警，在UI显示区域右上角显示碰撞危险等级为“高”，在参数设置与显示区域的下部闪烁显示红色指示灯。

如图3所示，根据感知的目标参数，结合图1中碰撞危险等级分布区域图，分别触发Ⅱ级中高风险报警和Ⅲ级中风险报警。需要注意的是，虽然Ⅰ级高风险碰撞等级(红色)区域内有若干微小型目标，但其图像像素点低于设置的碰撞报警阈值，也就没有触发Ⅰ级高风险碰撞等级。本发明所述的前视探障声纳分级自动碰撞报警方法以Ⅱ级中高风险对外自动报警，在UI显示区域右上角显示碰撞危险等级为“中高”，在参数设置与显示区域的下部闪烁显示橙色指示灯。

如图4所示，根据感知的目标参数，结合图1中碰撞危险等级分布区域图，触发Ⅲ级中风险报警。需要注意的是，虽然Ⅰ级高风险碰撞等级(红色)区域和Ⅱ级中高风险碰撞等级(橙色)区域内有若干微小型目标，但其图像像素点低于设置的碰撞报警阈值，也就没有触发Ⅰ级高风险或Ⅱ级中高风险碰撞等级。本发明所述的前视探障声纳分级自动碰撞报警方法以Ⅲ级中风险对外自动报警，在UI显示区域右上角显示碰撞危险等级为“中”，在参数设置与显示区域的下部闪烁显示黄色指示灯。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，以本发明中的碰撞危险度函数为原型，且以障碍物目标尺度、方位、距离等参数为综合考量因素形成各种变型的分级自动碰撞报警方法，视为等同替换或等效变换所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种前视探障声纳的分级自动碰撞报警方法，所述前视探障声纳为安装于水下潜航器艏部的二维前视多波束图像声纳，其特征在于，步骤如下：

S1：预先将声纳的视域按照视域内每个点位的碰撞危险度被离散化划分若干等级区域，其中同一等级区域中的所有点位的碰撞危险度处于同一碰撞危险度区间，每个点位的碰撞危险度由障碍物目标的尺度l以及该点位相对于声纳的方位θ和距离r决定，计算公式为：

式中：θ₀为声纳的探测开角，r₀为声纳的最小探测距离，σ为关于方位θ的碰撞危险度随机变量所满足的正态分布N(0,σ)中的标准差；

且针对每一个等级区域预先设置有当前等级碰撞报警触发条件以及升级碰撞报警触发条件；所述当前等级碰撞报警触发条件为该等级区域内存在单个障碍物目标的像素点数量超过该等级区域的最小像素点数量阈值；所述升级碰撞报警触发条件为该等级区域内存在单个障碍物目标的尺度超过该等级区域的尺度阈值；

S2：水下潜航器航行过程中通过前视探障声纳实时获取水下潜航器前方声纳视域范围内的声学图像，对声学图像实时进行连通域分析以确定声学图像中障碍物目标数量，并感知每个障碍物目标的尺度、方位及其到潜航器的距离，形成水下潜航器前方的当前障碍物探测结果；

S3：根据水下潜航器前方的当前障碍物探测结果，分别判断声纳视域中每个等级区域内是否存在满足当前等级碰撞报警触发条件的障碍物目标，若存在则触发所在等级区域对应的碰撞危险等级，若不存在则不触发；

S4：根据水下潜航器前方的当前障碍物探测结果，分别判断声纳视域中每个等级区域内是否存在满足升级碰撞报警触发条件的障碍物目标，若存在则触发比所在等级区域对应的碰撞危险等级更高的碰撞危险等级，若不存在则不触发；

S5：选择S3和S4中触发的最高的碰撞危险等级作为水下潜航器当前的碰撞危险等级发送至用于报警的信号接收端。

2.如权利要求1所述的前视探障声纳的分级自动碰撞报警方法，其特征在于，所述声纳的视域划分3～5个等级区域。

3.如权利要求2所述的前视探障声纳的分级自动碰撞报警方法，其特征在于，所述水下潜航器的碰撞危险度值的区间划分为4个连续的值区间，声纳的视域也对应划分4个等级区域。

4.如权利要求1所述的前视探障声纳的分级自动碰撞报警方法，其特征在于，不同等级区域中的所述最小像素点数量阈值不同。

5.如权利要求1所述的前视探障声纳的分级自动碰撞报警方法，其特征在于，不同等级区域中的所述尺度阈值不同。

6.如权利要求1所述的前视探障声纳的分级自动碰撞报警方法，其特征在于，所述S4中，若一个等级区域内存在满足升级碰撞报警触发条件的障碍物目标，则触发比所在等级区域对应的碰撞危险等级高一级的碰撞危险等级；当所在等级区域对应的碰撞危险等级已经是最高碰撞危险等级时，则仅触发最高碰撞危险等级。

7.如权利要求1所述的前视探障声纳的分级自动碰撞报警方法，其特征在于，所述S5中，信号接收端为报警***和/或水下潜航器的指挥控制机。

8.如权利要求7所述的前视探障声纳的分级自动碰撞报警方法，其特征在于，所述报警***中具有对应不同碰撞危险等级的报警声和报警灯光。

9.如权利要求1所述的前视探障声纳的分级自动碰撞报警方法，其特征在于，若S3和S4中未触发任何碰撞危险等级，则输出代表无碰撞危险的缺省值。

10.如权利要求1所述的前视探障声纳的分级自动碰撞报警方法，其特征在于，所述水下潜航器在航行过程中，对实时获取的声学图像迭代进行S2～S5处理，感知障碍物目标的实时动态信息，不断更新碰撞危险等级。

Images