基于运动姿态信息的无人船雷达避障系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于运动姿态信息的无人船雷达避障系统及方法，该系统包括：雷达信号处理系统，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系统；无人船航行控制系统，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；以及波束调整系统，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。本发明专利技术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。

Obstacle avoidance system and method of unmanned ship radar based on motion attitude information

【技术实现步骤摘要】
基于运动姿态信息的无人船雷达避障系统及方法
本专利技术涉及无人船避障
，尤其涉及一种基于运动姿态信息的无人船雷达避障系统及方法。
技术介绍
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系统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系统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系统，控制系统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，系统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系统，航行控制系统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。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于运动姿态信息的无人船雷达避障系统及方法，用以解决无人船毫米波雷达避障系统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，本专利技术提出的技术方案为：一种基于运动姿态信息的无人船雷达避障系统，包括：雷达信号处理系统，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系统；和，无人船航行控制系统，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：波束调整系统，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，无人船航行控制系统，还用于实时将无人船运行信息通过数据处理系统转发给雷达信号处理系统；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；无人船数据处理系统，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，雷达信号处理系统，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，雷达信号处理系统，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，雷达信号处理系统，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，雷达信号处理系统，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系统的航行速度、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，雷达信号处理系统，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系统。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。本专利技术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系统；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。本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术的基于运动姿态信息的无人船雷达避障系统及方法，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，本专利技术的基于运动姿态信息的无人船雷达避障系统，通过无人船数据处理系统与航行控制系统，数据处理系统与雷达系统的双向交互，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.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于运动姿态信息的无人船雷达避障系统，包括：/n雷达信号处理系统，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系统；/n和，无人船航行控制系统，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；/n其特征在于，还包括：/n波束调整系统，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。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于运动姿态信息的无人船雷达避障系统，包括：
雷达信号处理系统，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系统；
和，无人船航行控制系统，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：
波束调整系统，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系统，其特征在于，所述无人船航行控制系统，还用于实时将无人船运行信息通过数据处理系统转发给雷达信号处理系统；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系统，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系统，其特征在于，所述雷达信号处理系统，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系统，其特征在于，所述雷达信号处理系统，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系统，其特征在于，所述雷达信号处理系统，还包括：
目标过滤单元，用于根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵欣，王帅，周坤明，
申请(专利权)人：湖南纳雷科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43