基于毫米波雷达的船闸内领航-跟随船舶编队目标检测方法技术

本发明专利技术提供一种基于毫米波雷达的船闸内领航‑跟随船舶编队目标检测方法，1个长距离毫米波雷达获取船舶正前方的障碍物信息；3个短距离毫米波雷达分别安装在船头左侧、船头右侧和船尾中线位置，获取船舶左右两侧及后方的障碍物信息；获取船舶首向与闸室方向的夹角；根据不同材质反射率不同这一特性，区分毫米波雷达接收到的目标是闸壁、领航船、跟随船或其它干扰物；对没有探测到领航船的雷达进行约束角度处理；识别不同情境，计算出前方领航船与本船的相对距离、本船距离左右两侧闸壁的距离、本船距离后方障碍物的距离；判断继续航行是否有碰撞的危险或者出现丢失目标的可能性。本发明专利技术能够对船闸内跟随船前方领航船进行准确追踪。

Target detection method of navigation following ship formation in lock based on millimeter wave radar

【技术实现步骤摘要】
基于毫米波雷达的船闸内领航-跟随船舶编队目标检测方法
本专利技术属于水路交通领域，具体涉及一种基于毫米波雷达的船闸内领航-跟随船舶编队目标检测方法。
技术介绍
自三峡船闸通航以来，随着我国经济的高速高质量发展，水运货运量急速增长，过闸货运量持续增加，过闸船舶积压越来越普遍，平均船舶待闸时间也在逐年增加。领航-跟随船舶编队协同过闸是提升船舶过闸效率的重要举措，而如何获取编队内船舶之间的运动状态(相对运动速度和方向)是实现编队控制的基础。三峡-葛洲坝船舶闸室最大水位落差通常能达到20多米，低水位时GNSS信号十分微弱，很难通过GNSS定位实现船舶间的运动状态感知；采用室内定位技术又存在信号遮挡和高成本问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种基于毫米波雷达的船闸内领航-跟随船舶编队目标检测方法，能够对船闸内跟随船前方领航船进行准确追踪。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于毫米波雷达的船闸内领航-跟随船舶编队目标检测方法，其特征在于：用于跟随船，包括以下步骤：S1、信息获取：1个长距离毫米波雷达获取船舶正前方的障碍物信息；3个短距离毫米波雷达分别安装在船头左侧、船头右侧和船尾中线位置，获取船舶左右两侧及后方的障碍物信息；获取船舶首向与闸室方向的夹角；S2、障碍物区分：根据不同材质反射率不同这一特性，区分毫米波雷达接收到的目标是闸壁、领航船、跟随船或其它干扰物；S3、对没有探测到领航船的雷达进行约束角度处理；S4、根据S1获取的信息，识别不同情境，计算出前方领航船与本船的相对距离、本船距离左右两侧闸壁的距离、本船距离后方障碍物的距离；S5、根据S4得到的结果，判断继续航行是否有碰撞的危险或者出现丢失目标的可能性。按上述方案，S1具体通过罗经获取船舶首向与闸室方向的夹角。按上述方案，S1在用毫米波雷达获取障碍物信息时，采取最大探测角度的策略探知周围的目标，分析每个毫米波雷达返回的目标信息。按上述方案，S2中，通过对比反射率和反射面积，来区分接收到的目标。按上述方案，S4中，所述的不同情境包括：情景1：本船前进方向与闸壁方向一致，即船舶相对于闸室的前进方向的夹角为0°；装在船头的长距离毫米波雷达监测到前船的距离为d1角度为到两边闸壁的距离为d2、d3，到后方闸室的距离为d4；参数计算如下：式中，c1为本船到领航船的相对距离，即本船与领航船的直线距离在船舶编队整体前进方向的投影；情景2：本船航线发生较大偏移，即领航船处于跟随船船头的长距离毫米波雷达检测的盲区，但被一侧的短距离毫米波雷达所检测到，且其前进方向与闸壁方向不一致，船舶相对于闸室的前进方向的夹角为ψ，装在船左侧的短距离毫米波雷达监测到前船的距离为d2、角度为右侧的短距离毫米波雷达测得的障碍物距离为d3，后方障碍物距离为d4；参数计算如下：b2＝d3cosψ(4)b4＝b2+lsinψ(5)b1＝W-b2-wcosψ(6)b3＝W-b4-wcosψ(7)式中，c1为本船到领航船的相对距离，c2为本船到后面跟随船的相对距离，b1为本船左前端到左端闸壁的距离，b2为本船右前端到右端闸壁的距离，b3为本船左后端到左端闸壁的距离，b4为本船右后端到左端闸壁的距离，W为闸室的宽度，w、l分别为本船的宽度和长度；情景3：本船航线发生较大偏移，前进方向与闸壁方向不一致，船舶相对于闸室的前进方向的夹角为ψ，装在船右侧的短距离毫米波雷达监测到前船的距离为d3角度为左侧的短距离毫米波雷达测得的障碍物距离为d2，后方障碍物距离为d4；参数计算如下：b1＝d2cosψ(10)b3＝b1+lsinψ(11)b2＝W-b1-wcosψ(12)b4＝W-b3-wcosψ(13)式中，c1、c2、b1、b2、b3、b4、W、w、l参数定义与情景2相同；情景4：本船航线发生少量偏移，即领航船可以被跟随船船头的长距离毫米波雷达检测到，但其前进方向与闸壁方向不一致，装在船正中的罗经显示船舶相对于闸室的前进方向的夹角为ψ，装在船正前方的长距离毫米波雷达监测到前船的距离为d1角度为右侧的短距离毫米波雷达测得的障碍物距离为d3，后方障碍物距离为d4；参数计算如下：b2＝d3cosψ(16)b4＝b2-lsinψ17)b1＝W-b2-wcosψ(18)b3＝W-b4-wcosψ(19)式中，c1、c2、b1、b2、b3、b4、W、w、l参数与情景2相同。按上述方案，本方法还包括S7：若未检测到领航船目标，则重新进行S1-S6。按上述方案，本方法还包括S8：如果多次重复检测均不能发现领航船目标，则定义为目标追踪失败，根据船舶首向与闸室方向的夹角矫正船舶的航行角度，然后再检测。本专利技术的有益效果为：采用毫米波雷达，适用于闸室内船舶编队目标检测，具有成本低、可靠性高等优势，避免了使用传统定位装置(如GPS、北斗等)在闸室特殊环境内出现定位不准和室内定位成本高的缺点；采用的通过区分反射率判断障碍物类别的方式，结合毫米波雷达的探测模式，可以较好的区分测得的障碍物是来自船舶还是来自闸壁；通过雷达探测角度约束的方式，可以排除其他障碍物信息，减少识别难度；所使用的坐标变换公式较为简单，不会造成较大的误差。附图说明图1为本专利技术一实施例安装结构及雷达测量区域示意图。图2为毫米波雷达测量视角盲区类型一示意图。图3为毫米波雷达测量视角盲区类型二示意图。图4为本专利技术实际使用中出现情景1示意图。图5为本专利技术实际使用中出现情景2示意图。图6为本专利技术实际使用中出现情景3示意图。图7为本专利技术实际使用中出现情景4示意图。图中：1-领航船，2-本船，3-长距离毫米波雷达，4-短距毫米波雷达，5-罗经。具体实施方式下面结合具体实例和附图对本专利技术做进一步说明。本专利技术提供一种基于毫米波雷达的船闸内领航-跟随船舶编队目标检测方法，如图1所示，用于跟随船，包括以下步骤：S1、信息获取：1个长距离毫米波雷达3获取船舶正前方的障碍物信息；3个短距离毫米波雷达4分别安装在船头左侧、船头右侧和船尾中线位置，获取船舶左右两侧及后方的障碍物信息；通过设置在本船2正中间的罗经5获取船舶首向与闸室方向的夹角。其中各个毫米波雷达的返回信息包括：目标的反射面积、目标反射率、目标相对速度、目标角度、目标相对距离等信息，通过判断反射率的不同可以有效区分不同类别的目标(如闸室的水泥墙壁和船舶的金属拆料反射率不同，在雷达上的显示也不同)。图1颜色较深的阴影部分为雷达的短距探测区域(增大雷达发射角)，颜色较浅的区域为长距探测区域。领航-跟随编队中，可能会出现的跟随船无法追踪领航船的情况，即本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于毫米波雷达的船闸内领航-跟随船舶编队目标检测方法，其特征在于：用于跟随船，包括以下步骤：/nS1、信息获取：/n1个长距离毫米波雷达获取船舶正前方的障碍物信息；3个短距离毫米波雷达分别安装在船头左侧、船头右侧和船尾中线位置，获取船舶左右两侧及后方的障碍物信息；获取船舶首向与闸室方向的夹角；/nS2、障碍物区分：/n根据不同材质反射率不同这一特性，区分毫米波雷达接收到的目标是闸壁、领航船、跟随船或其它干扰物；/nS3、对没有探测到领航船的雷达进行约束角度处理；/nS4、根据S1获取的信息，识别不同情境，计算出前方领航船与本船的相对距离、本船距离左右两侧闸壁的距离、本船距离后方障碍物的距离；/nS5、根据S4得到的结果，判断继续航行是否有碰撞的危险或者出现丢失目标的可能性。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于毫米波雷达的船闸内领航-跟随船舶编队目标检测方法，其特征在于：用于跟随船，包括以下步骤：
S1、信息获取：
1个长距离毫米波雷达获取船舶正前方的障碍物信息；3个短距离毫米波雷达分别安装在船头左侧、船头右侧和船尾中线位置，获取船舶左右两侧及后方的障碍物信息；获取船舶首向与闸室方向的夹角；
S2、障碍物区分：
根据不同材质反射率不同这一特性，区分毫米波雷达接收到的目标是闸壁、领航船、跟随船或其它干扰物；
S3、对没有探测到领航船的雷达进行约束角度处理；
S4、根据S1获取的信息，识别不同情境，计算出前方领航船与本船的相对距离、本船距离左右两侧闸壁的距离、本船距离后方障碍物的距离；
S5、根据S4得到的结果，判断继续航行是否有碰撞的危险或者出现丢失目标的可能性。


2.根据权利要求1所述的目标检测方法，其特征在于：S1具体通过罗经获取船舶首向与闸室方向的夹角。


3.根据权利要求1所述的目标检测方法，其特征在于：S1在用毫米波雷达获取障碍物信息时，采取最大探测角度的策略探知周围的目标，分析每个毫米波雷达返回的目标信息。


4.根据权利要求1所述的目标检测方法，其特征在于：S2中，通过对比反射率和反射面积，来区分接收到的目标。


5.根据权利要求1所述的目标检测方法，其特征在于：S4中，所述的不同情境包括：
情景1：本船前进方向与闸壁方向一致，即船舶相对于闸室的前进方向的夹角为0°；装在船头的长距离毫米波雷达监测到前船的距离为d1角度为到两边闸壁的距离为d2、d3，到后方闸室的距离为d4；参数计算如下：



式中，c1为本船到领航船的相对距离，即本船与领航船的直线距离在船舶编队整体前进方向的投影；
情景2：本船航线发生较大偏移，即领航船处于跟随船船头的长距离毫米波雷达检测的盲区，但被一侧的短距离毫米波雷达所检测到，且其前进方向与闸壁方向不一致，船舶相对于闸室的前进方向的夹角为ψ，装在船左侧的短距离毫米波雷达监测到前船的距离为d2、角度为右侧的短距离毫米波雷达测得的障碍物距离为d3，后方障碍物距离为d4；参数计算如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：柳晨光，贺治卜，初秀民，吴勇，郑茂，吴明洋，郭珏菡，吴文祥，雷超凡，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42