韓金霞，孫正偉

(1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)電氣與智能工程學(xué)院，江蘇 南京 210000；2.嘉悅欣瑞智能科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引 言

船舶航行時，因海洋環(huán)境存在較大變動性，還會隨時出現(xiàn)未知障礙物，所以，智能導(dǎo)航系統(tǒng)的使用非常重要。智能導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用性能，對船舶航行的安全性存在直接影響[1-3]。陳立等[4]對智能礦砂船的航行控制問題進(jìn)行深入研究后，設(shè)計(jì)了具有針對性應(yīng)用的導(dǎo)航系統(tǒng)，此系統(tǒng)雖然能保證智能礦砂船按照預(yù)期軌跡穩(wěn)定航行，但對航行環(huán)境中的障礙物是否存在避障能力，還需深入測試。龐璽斌等[5]將混合誤差模型用在船舶組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，以此保證船舶在GPS 故障時，仍可按照導(dǎo)航系統(tǒng)的航跡規(guī)劃線路，可靠穩(wěn)定航行至終點(diǎn)。但對航行環(huán)境中的障礙物也未深入研究，如果導(dǎo)航系統(tǒng)不能有效為船舶提供安全導(dǎo)航服務(wù)，便不能保證船舶的航行安全性[6-7]。為此，本文設(shè)計(jì)基于激光雷達(dá)和單目視覺的船舶智能導(dǎo)航系統(tǒng)，利用此系統(tǒng)為船舶提供定位服務(wù)的同時，還為船舶提供障礙物檢測和避障航跡規(guī)劃服務(wù)。

1 基于激光雷達(dá)和單目視覺的船舶智能導(dǎo)航系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于激光雷達(dá)和單目視覺的船舶智能導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)主要分為船載子系統(tǒng)、地面監(jiān)控子系統(tǒng)。船載子系統(tǒng)中，當(dāng)衛(wèi)星信號接收機(jī)獲取衛(wèi)星信號后，能夠?qū)崟r運(yùn)算船舶目前的經(jīng)緯地理信息，障礙物檢測單元能夠使用單目視覺CCD 傳感器、激光雷達(dá)，檢測船舶周圍的障礙物信息和距離信息，然后通過CAN 總線網(wǎng)絡(luò)，將信息傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控子系統(tǒng)，系統(tǒng)監(jiān)控端把獲取的信息和電子海圖相匹配后，便可將電子海圖中對應(yīng)的位置上標(biāo)識船舶坐標(biāo)信息和航行信息，且通過基于激光雷達(dá)的障礙目標(biāo)測距方法完成障礙物測距。監(jiān)控端能夠?qū)Υ跋逻_(dá)靜止、航行、轉(zhuǎn)向等指令，由CAN 總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至船載子系統(tǒng)的控制單元，使用船舶航跡控制器完成智能導(dǎo)航。

圖1 船舶智能導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of ship intelligent navigation system

圖2 為單目視覺CCD 傳感器的結(jié)構(gòu)圖。CCD 傳感器的有效像素?cái)?shù)是640×480 像元，像素大小是7.4 μm×7.4 μm，支持單、雙輸出通道信號輸出，傳感器的垂直驅(qū)動u2/u1，u2c/u1c和電荷泄放柵GE同時運(yùn)行，啟動開窗功能，完成目標(biāo)信息感知圖像采集。

圖2 單目視覺CCD 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of monocular vision CCD sensor

圖3 為激光雷達(dá)測距單元結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)傳感器發(fā)現(xiàn)船舶附近存在障礙物時，激光雷達(dá)測距單元便會在掃描頻率是100 MHz 的條件下，由光學(xué)發(fā)射端發(fā)射激光，返回激光由光子探測器接收后，以回波脈沖的模式，發(fā)送至主放大器和前置放大器執(zhí)行放大，然后主處理器把放大的回波脈沖轉(zhuǎn)換成回波信號，將回波信號執(zhí)行三角激光測距處理，完成測距。

圖3 激光雷達(dá)測距單元結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of laser radar ranging unit

圖4 為CAN 總線網(wǎng)絡(luò)通信模塊結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信模塊結(jié)構(gòu)分為通信節(jié)點(diǎn)、雙路CAN 總線、網(wǎng)橋/中繼器。通信節(jié)點(diǎn)以此和兩路總線相連，節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)無異常時，僅與一路總線相連執(zhí)行數(shù)據(jù)通信服務(wù)，如果節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常，便會快速與另一路CAN 總線相連，以此保證導(dǎo)航系統(tǒng)的通信服務(wù)不出現(xiàn)中斷問題。網(wǎng)橋/中繼器可為總線提供導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。

圖4 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)通信模塊結(jié)構(gòu)Fig.4 CAN bus network communication module structure

1.2 基于激光雷達(dá)的障礙目標(biāo)測距方法

激光雷達(dá)的光學(xué)發(fā)射端、光子探測器與船舶周圍障礙物之間，可看作1 個三角形，使用三角形角度與邊長的幾何性質(zhì)，便可運(yùn)算障礙物和船舶自身的距離。此方法叫做三角激光測距法，如圖5 所示。

圖5 三角激光測距法Fig.5 Triangular laser ranging method

1.3 船舶航跡控制器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所用的船舶航跡控制器的控制模式，屬于間接航跡控制，此控制模式能把航向控制與航跡控制結(jié)合應(yīng)用。航向控制能夠保證船舶朝預(yù)設(shè)航向穩(wěn)定航行，航跡控制能夠保證船舶可根據(jù)障礙物測距數(shù)據(jù)，完成避障航行。圖6 為船舶航跡控制器的控制方法示意圖。航跡控制器將導(dǎo)航控制問題劃分成3 個閉環(huán)串級控制環(huán)節(jié)（舵角、航向、航跡），此舉能夠保證船載GPS 定位設(shè)備異常時，直接啟動航向控制程序，以此保證船舶穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 船舶航跡控制器的控制方法示意圖Fig.6 Schematic diagram of control method of ship track controller

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)對船舶導(dǎo)航任務(wù)的使用效果，對其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。在導(dǎo)航過程中，本文系統(tǒng)所用激光雷達(dá)的參數(shù)信息如表1 所示。

表1 激光雷達(dá)參數(shù)信息Tab.1 Lidar parameter information

設(shè)置船舶航行環(huán)境無風(fēng)浪，圖7 為船舶航行時本文系統(tǒng)的智能導(dǎo)航界面。本文系統(tǒng)使用下，船舶實(shí)際航跡與導(dǎo)航系統(tǒng)規(guī)劃的預(yù)期避障航跡一致，不存在偏航問題，且未曾與障礙物碰撞，說明本文系統(tǒng)采用航跡控制器，可有效控制航行軌跡。

圖7 本文系統(tǒng)的船舶智能導(dǎo)航界面圖Fig.7 Interface diagram of ship intelligent navigation system in this paper

設(shè)定圖中障礙物與船舶的距離在12 s 內(nèi)的變化是1 km，本文系統(tǒng)對其進(jìn)行測距，測距結(jié)果如圖8所示。由圖8 可知，本文系統(tǒng)使用激光雷達(dá)對障礙物的測距結(jié)果主要處于[999.99～1 000.01 m]范圍中，由此可知，本文系統(tǒng)使用激光雷達(dá)對障礙物的測距誤差是±1 cm，誤差極小。

圖8 激光雷達(dá)測距效果Fig.8 Laser radar ranging effect

本文系統(tǒng)在為船舶提供導(dǎo)航服務(wù)時，地面監(jiān)控子系統(tǒng)與船舶子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸延時測試如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸延時測試結(jié)果Fig.9 System data transmission delay test results

可知，本文系統(tǒng)使用過程中，地面監(jiān)控子系統(tǒng)與船舶子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸延時小于0.4 ms，時延極短，說明CAN 總線網(wǎng)絡(luò)通信模塊的應(yīng)用，可保證數(shù)據(jù)高效傳輸。

設(shè)置船舶航行環(huán)境存在2 級風(fēng)浪，且船舶附近存在同類船舶，此類船舶可看作移動障礙物，此時，本文系統(tǒng)使用下，船舶的導(dǎo)航航行效果如圖10 所示。當(dāng)航行環(huán)境存在2 級風(fēng)浪，且船舶附近存在移動障礙物時，本文系統(tǒng)應(yīng)用后，航行軌跡與移動障礙物不存在碰撞情況，船舶可動態(tài)避障，安全運(yùn)行至終點(diǎn)。由此證明本文系統(tǒng)能夠有效規(guī)劃船舶的動態(tài)避障軌跡，保證船舶可以安全地自起點(diǎn)位置航行至終點(diǎn)位置。

圖10 本文系統(tǒng)的導(dǎo)航避障能力測試結(jié)果Fig.10 Test results of navigation obstacle avoidance ability of this system

3 結(jié) 語

針對目前船舶導(dǎo)航系統(tǒng)在協(xié)助船舶航行時，僅可以完成自我定位，而對航行障礙物信息的判斷能力不足導(dǎo)致航行過程易出現(xiàn)碰撞問題，本文設(shè)計(jì)基于激光雷達(dá)和單目視覺的船舶智能導(dǎo)航系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以在激光雷達(dá)與單目視覺技術(shù)的協(xié)助下，判斷船舶航行環(huán)境中的障礙物類型與距離，從而完成智能、有效導(dǎo)航。