一种采用机器视觉和惯导融合的水面导航方法技术

本发明专利技术涉及及无人船水面导航技术领域，具体涉及一种采用机器视觉和惯导融合的水面导航方法，包括以下步骤：首先在船身上布置RTK定位系统、惯性导航系统、毫米波雷达及视觉感知设备，然后将会它们全部接入船端工控计算机；岸基端综合显控系统通过无线以太网络与船端工控计算机建立通讯连接，实现对无人船运动状态和设备状态的实时显示和更新；基端设置有全局性航线规划模块，再根据具体的任务目标以调用栅格化方法计算一条规划的航线；船端工控计算机接收到全局航线数据时，并在此基础上进行障碍物碰撞危险的判断并计算避碰策略；本发明专利技术解决城市河流水域复杂、卫星信号差等导航难题，可自动驾驶连续作业水域面积比达95％。可自动驾驶连续作业水域面积比达95％。可自动驾驶连续作业水域面积比达95％。

A water surface navigation method based on fusion of machine vision and inertial navigation

【技术实现步骤摘要】
一种采用机器视觉和惯导融合的水面导航方法


[0001]本专利技术涉及无人船水面导航
，具体涉及一种采用机器视觉和惯导融合的水面导航方法。

技术介绍

[0002]随着自动化水平日益提高，水面无人作业船舶的研究愈来愈迫切，无人作业船的航迹控制研究更是其中的热点问题。可靠的无人作业船导航系统不仅是无人作业船实现自主作业的基本保障，还是判断系统的自动化程度的主要标准。船舶的导航精度和可靠性制约着无人船舶的自主作业水平，这也成为实现水产养殖自动化的一道瓶颈。
[0003]如专利号为201810975531.0的专利技术公开了一种无人艇基于毫米波雷达的跟踪和避障系统，包括无人艇和设置在无人艇上的毫米波雷达、卫星定位系统、惯性导航系统、主控计算机，其中，毫米波雷达均匀安装在无人艇的周围，测量无人艇前方、后方和左右两侧的环境相对于无人艇的位置、速度和加速度信息，所述卫星定位系统和惯性导航系统检测无人艇的位置、速度和加速度信息，所述卫星定位系统、惯性导航系统、毫米波雷达通过电缆与主控计算机连接。
[0004]如专利号为201910875242.8的专利技术公开了一种基于自适应联邦卡尔曼滤波的无人船组合导航方法，利用无人船组合导航系统进行导航，所述无人船组合导航系统包括SINS、GPS、Compass和嵌入式处理器。所述嵌入式处理器内采用自适应联邦卡尔曼滤波算法进行传感器信息融合，输出无人船的位置、速度和姿态信息。该专利技术应用了无人船SINS/GPS/Compass组合导航的误差模型和观测模型，减小各个子系统之间的故障干扰，提高无人船导航系统的可靠性与稳定性。
[0005]目前无人船系统深度依赖于高精度卫星导航系统，但在狭窄内陆水道环境下，卫星信号容易受到河岸植被、河道旁建筑以及桥梁的遮挡，导致卫星导航系统定位精度显著下降，在这种情况下，内河航道的准确定位与导航，依赖于对无人船与周围环境的感知；而在内河中，水面上的雾和强光反射会降低激光雷达探测精度；对于视觉系统，水面雾气和强光反射，岸边物体的反射和雨滴引起的涟漪也会带来干扰。此外，不同于路面车辆，水面上船只的横向漂移较大，船只的运动模型更为复杂，给精确定位带来新的挑战。因此，很有必要研发一种新型高精度水面导航方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对
技术介绍
所提出的的问题，而设计了一种采用机器视觉和惯导融合的水面导航方法，解决城市河流水域复杂、卫星信号差等导航难题，可自动驾驶连续作业水域面积比达95％。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0008]一种采用机器视觉和惯导融合的水面导航方法，包括以下步骤：
[0009](1)在船身上布置RTK定位系统、惯性导航系统、毫米波雷达及视觉感知设备，然后
将会它们全部接入船身内部的船端工控计算机，船端工控计算机内部装载船载主控软件；
[0010](2)通过RTK定位系统结合惯性导航系统测量无人船艇的实时速度，再由船端工控计算机将RTK定位系统和惯性导航系统测量的速度传入毫米波雷达，标定船体当前的运动信息，视觉感知设备通过对拍摄的图像信息进行特征提取、检测，最后通过卡尔曼滤波融合算法实现精确地定位；
[0011](3)岸基端综合显控系统通过无线以太网络与船端工控计算机建立通讯连接，并获取船端数据，实现对无人船运动状态和设备状态的实时显示和更新，并对异常情况进行报警；
[0012](4)岸基端设置有全局性航线规划模块，再根据具体的任务目标以调用栅格化方法计算一条规划的航线，岸基端的控制指令发送模块向无人船发送即时的全局航线数据；
[0013](5)船端工控计算机接收到全局航线数据时，并在此基础上进行障碍物碰撞危险的判断并计算避碰策略，将相应的运动指令发送到下位机PLC，下位机PLC根据船载主控软件发送给它的控制命令，生成相应的舵角和转速命令，驱动无人船对应的执行机构，以完成对无人船的运动控制。
[0014]作为对上述方案的进一步改进，所述RTK定位系统、惯性导航系统、毫米波雷达及视觉感知设备的工作基于障碍物距离模型算法，障碍物距离模型算法中10～100m范围目标使用毫米波雷达自动生成点云参与导航；0～10m近距离目标使用视觉感知设备进行三维实时重建参与导航；卫星数≤10颗时惯性导航系统参与导航，卫星数＞11颗时RTK定位系统参与导航。
[0015]作为对上述方案的进一步改进，所述下位机PLC与所述船端工控计算机之间双向电性连接，所述下位机PLC的信号输出端与信号切换器电学连接，所述信号切换器的信号输出端与无人船的舵机、电子调速器电性连接。
[0016]作为对上述方案的进一步改进，所述船身上还布置交换机，所述交换机同样与所述船端工控计算机之间双向电性连接，所述交换机与所述视觉感知设备之间双向电性连接。
[0017]作为对上述方案的进一步改进，所述RTK定位系统基于载波相位观测值的实时动态定位方法，实时地提供检测点在指定坐标系中的维定位结果，并达到厘米级精度；所述RTK定位系统在作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站，流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果。
[0018]作为对上述方案的进一步改进，所述岸基端上还设立数据管理模块并建立数据库，对船端传回的实时运动数据、设备状态数据进行存储，以供后续的分析和处理。
[0019]作为对上述方案的进一步改进，所述步骤(4)中栅格化方法需使用栅格化地图，所述栅格地图是由许多精细粒度的栅格构成，每个栅格代表了地图中的一个小区域即是环境信息，可以将地图表示为：其中，i表示第i个栅格单元，n表示的是整个环境地图。
[0020]作为对上述方案的进一步改进，所述栅格化地图中每个栅格与一个二值占用变量对应，即是代表该栅格是否被占用的概率，其中每个栅格被占据的概率为：ρ(n|x
1:t
，y
1:t
)，同时每个栅格是相互独立的，那么整个地图的后验概率就可以用每个栅格的边缘概率乘积
表示为：其中x代表横向的坐标点，y代表纵向的坐标点，t代表时间变化量；
[0021]其中，每个栅格的状态有两种，一种为占据用1表示，另外的一种为空闲用0表示，那么根据二值化概率的方法每个栅格被占据的状态为：
[0022][0023]为了避免概率接近0或者1的截断问题，采用对数占用概率来表示：
[0024][0025]则每个栅格的后验概率为：
[0026][0027]作为对上述方案的进一步改进，所述船端工控计算机使用Linux系统作为操作系统，通过串口连接STM32F103处理器。
[0028]作为对上述方案的进一步改进，所述步骤(5)中在进行障碍物碰撞危险的判断并计算避碰策略时，先预测环境障碍物的运动状态，计算无人船与目标障碍之间的最近会遇距离和最近会遇时间，分析碰撞风险，并且在存在碰撞可能的前提下，调用速度障碍模型算法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用机器视觉和惯导融合的水面导航方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在船身上布置RTK定位系统、惯性导航系统、毫米波雷达及视觉感知设备，然后将会它们全部接入船身内部的船端工控计算机，船端工控计算机内部装载船载主控软件；(2)通过RTK定位系统结合惯性导航系统测量无人船艇的实时速度，再由船端工控计算机将RTK定位系统和惯性导航系统测量的速度传入毫米波雷达，标定船体当前的运动信息，视觉感知设备通过对拍摄的图像信息进行特征提取、检测，最后通过卡尔曼滤波融合算法实现精确地定位；(3)岸基端综合显控系统通过无线以太网络与船端工控计算机建立通讯连接，并获取船端数据，实现对无人船运动状态和设备状态的实时显示和更新，并对异常情况进行报警；(4)岸基端设置有全局性航线规划模块，再根据具体的任务目标以调用栅格化方法计算一条规划的航线，岸基端的控制指令发送模块向无人船发送即时的全局航线数据；(5)船端工控计算机接收到全局航线数据时，并在此基础上进行障碍物碰撞危险的判断并计算避碰策略，将相应的运动指令发送到下位机PLC，下位机PLC根据船载主控软件发送给它的控制命令，生成相应的舵角和转速命令，驱动无人船对应的执行机构，以完成对无人船的运动控制。2.根据权利要求1所述的一种采用机器视觉和惯导融合的水面导航方法，其特征在于：所述RTK定位系统、惯性导航系统、毫米波雷达及视觉感知设备的工作基于障碍物距离模型算法，障碍物距离模型算法中10～100m范围目标使用毫米波雷达自动生成点云参与导航；0～10m近距离目标使用视觉感知设备进行三维实时重建参与导航；卫星数≤10颗时惯性导航系统参与导航，卫星数＞11颗时RTK定位系统参与导航。3.根据权利要求1所述的一种采用机器视觉和惯导融合的水面导航方法，其特征在于：所述下位机PLC与所述船端工控计算机之间双向电性连接，所述下位机PLC的信号输出端与信号切换器电学连接，所述信号切换器的信号输出端与无人船的舵机、电子调速器电性连接。4.根据权利要求1所述的一种采用机器视觉和惯导融合的水面导航方法，其特征在于：所述船身上还布置交换机，所述交换机同样与所述船端工控计算机之间双向电性连接，所述交换机与所述视觉感知设备之间双向电性连接。5.根据权利要求1所述的一种采用机器视觉和惯导融合的水面导航方法，其特征在于：所述RTK定位系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：张延伟，雷晓玲，胡咏君，窦培林，肖峰，解雪玲，项天远，
申请(专利权)人：江苏虹湾威鹏信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：