基于移動式浮標(biāo)的無人艇航行監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

　　摘要：針對無人艇航行性能測試需求，設(shè)計基于移動式浮標(biāo)的無人艇航行監(jiān)測系統(tǒng)。首先以浮標(biāo)-岸基交互為基礎(chǔ)，三維激光雷達(dá)和DGPS等作為感知傳感器，設(shè)計無人艇航行監(jiān)測系統(tǒng)框架。然后對三維激光雷達(dá)點云濾波處理，結(jié)合歐式聚類分割法把點云數(shù)據(jù)分割成多簇，利用OBB包圍盒計算每一簇點云的幾何特征并檢測識別出被測無人艇，從而計算無人艇相對浮標(biāo)的坐標(biāo)位置。信號處理及控制器利用ROS同步訂閱話題機制，對DGPS和三維激光雷達(dá)發(fā)布的消息融合，解算無人艇航行過程的位置信息。最后進(jìn)行無人艇位置監(jiān)測實驗，結(jié)果表明，平均誤差為1.34米，約為0.074個被測無人艇艇身長度，驗證了基于移動式浮標(biāo)的無人艇航行監(jiān)測系統(tǒng)有效性，為無人艇性能測試奠定基礎(chǔ)。

　　本文源自任兵; 陳衛(wèi)國; 饒銀輝; 崔彬; 洪曉斌， 中國測試 發(fā)表時間：2021-07-16

　　關(guān)鍵詞：移動式浮標(biāo);無人艇;DGPS;三維激光雷達(dá)

　　0 引言

　　隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，無人駕駛技術(shù)得到快速發(fā)展，無人艇無需人員艇上作業(yè)，可完成水文勘測、水質(zhì)監(jiān)測、漁業(yè)養(yǎng)殖、海上搜救、海上巡邏、海上掃雷、反潛、火力打擊和海上攔截等任務(wù)[1-3]。同時對無人艇航行性能的評估至關(guān)重要，評估無人艇自主航行性能需要獲得無人艇航行過程中的實時位置、航行軌跡等狀態(tài)信息，倘若把測量儀器直接安裝在被測無人艇上，被測無人艇自主航行性能容易受影響，故需要一種獨立于被測無人艇的監(jiān)測手段獲取被測無人艇航行信息。

　　相對于其它海洋監(jiān)測手段，以浮標(biāo)為載體的檢測技術(shù)在自動化、連續(xù)性以及長期等方面具有良好特征表現(xiàn)，是現(xiàn)代海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分[4]。近年來，利用浮標(biāo)為載體的監(jiān)測與導(dǎo)航定位平臺在各個領(lǐng)域已經(jīng)取得一定成果。如 Kato T 等利用海洋浮標(biāo)組成 GNSS 陣列，設(shè)計了海嘯等地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)[5];王朋朋等基于 BANG 設(shè)計了海洋浮標(biāo)岸站接收系統(tǒng)，實現(xiàn)與浮標(biāo)系統(tǒng)的通信、數(shù)據(jù)實時存儲，服務(wù)于氣象、水文要素需求[6] ;王柏林等通過 GPRS 與岸基數(shù)據(jù)中心對接，基于 STM32 設(shè)計了用于測量海水域的風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、氣溫等氣象要素的海洋浮標(biāo)[7];唐原廣等以浮標(biāo)作為觀測平臺，采用螺旋槳式風(fēng)傳感器、電子羅盤以及水文氣象數(shù)據(jù)采集器，采集和處理風(fēng)速風(fēng)向[8];周金金等為解決浮標(biāo)成像系統(tǒng)不穩(wěn)定問題，設(shè)計了一套基于 ARM11 的云臺穩(wěn)定控制系統(tǒng)，可用于船舶監(jiān)控[9];李鵬等針對近海海底觀測網(wǎng)的安全問題，設(shè)計了一套多警戒浮標(biāo)的實時監(jiān)控系統(tǒng)，該警戒浮標(biāo)可獲取浮標(biāo)本身工作狀態(tài)，并能實時、動態(tài)、連續(xù)的將警戒浮標(biāo)的運行狀態(tài)發(fā)送到陸基站，實現(xiàn)對目標(biāo)海域的實時監(jiān)控[10]。

　　目前浮標(biāo)主要用于水文氣象信息采集觀測和海域監(jiān)控，而針對無人艇性能測試的監(jiān)測浮標(biāo)研究尚處于起步階段。結(jié)合無人艇性能測試需求，本文設(shè)計一種移動式浮標(biāo)，該浮標(biāo)即可作為監(jiān)測平臺載體，又可作為性能測試時的靜態(tài)障礙物和動態(tài)障礙物。采用 DGPS 接收機、三維激光雷達(dá)和攝像機作為傳感設(shè)備，通過三維激光雷達(dá)測量無人艇在浮標(biāo)空間坐標(biāo)系上的相對位置，融合 DGPS 數(shù)據(jù)解算無人艇實時的位置信息，便可繪制無人艇實時航行軌跡，進(jìn)而計算各項技術(shù)指標(biāo)對其自主航行性能進(jìn)行評估。

　　1 總體框架設(shè)計

　　無人艇航行監(jiān) 測系統(tǒng)基于 ROS ( Robot Operating System)實現(xiàn)，由電源系統(tǒng)、信號處理及控制系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、傳感信息采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和岸基可視無紙化系統(tǒng)組成，各個傳感設(shè)備作為 ROS 系統(tǒng)的一個節(jié)點和信號處理及控制器通信傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)框架如圖 1 所示。其中，外接電源采用 24V 直流電池。樹莓派 4B、攝像機、三維激光雷達(dá)、電機驅(qū)動和圖傳電臺需 12V 供電，樹莓派 4B、DGPS 接收機、電機控制器需 5V 供電，因此需要設(shè)計降壓穩(wěn)壓電路，如圖 2 所示。選取電源芯片 LM2596 降壓穩(wěn)壓模塊，它內(nèi)含固定頻率振蕩器(150kHz)和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器(1.23V)，并具有完善的保護(hù)電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等，降壓穩(wěn)壓電路為可調(diào)節(jié)狀態(tài)，根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)輸出為 5V 和 12V。

　　信號處理及控制器采用樹莓派 4B，擁有 4 個 USB 端口，40 針 pin 引腳，其 CPU 為高性能的 64 位 ARM Cortex-A72，擁有 4GBRAM，能夠支持無人艇航行監(jiān)測平臺系統(tǒng)的計算需求和功能擴展。

　　傳感器采集系統(tǒng)由高精度厘米級別 DGPS 接收機、攝像機和三維激光雷達(dá)組成。DGPS 接收機通過轉(zhuǎn)換器連接到信息處理與控制器的 USB 口上。將 DGPS 主機站安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測，基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實時將這一數(shù)據(jù)發(fā)送出去。浮標(biāo)上的 DGPS 接收機在獲取位置信息的同時，也接收到基準(zhǔn)站發(fā)出的改正數(shù)，并對其定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而提高定位精度。三維激光雷達(dá)通過 RJ45 接口連接到信息處理與控制器上，該激光雷達(dá)內(nèi)部裝有 16 對激光發(fā)射接收模組，電機以 5Hz 轉(zhuǎn)速驅(qū)動進(jìn)行360°掃描。其垂直方向上視場角為-15°~15°，角分度 2°;水平方向上視場角為 360°，分辨率為 0.09°。激光雷達(dá)安裝在防抖云臺上，其內(nèi)置 Y 軸指向正北方向。攝像機通過 RJ45 接口連接到信息處理與控制器上。清晰度 4MP，180°大廣角，在浮標(biāo)上安裝 2 個攝像機便可實現(xiàn) 360°監(jiān)測。攝像機視頻傳輸至岸基實現(xiàn)實時無人艇航行實時畫面顯示，既可作為無人艇自主航行功能測試的參考依據(jù)，又可實時監(jiān)控?zé)o人艇，在無人艇遇到危險狀況時能及時采取相應(yīng)措施。

　　推進(jìn)系統(tǒng)選用螺旋槳為推進(jìn)器，由無刷電機控制其方向。電機驅(qū)動模塊通過 RS485 轉(zhuǎn) USB 模塊連接到信息處理及控制器的 USB 口上，可以直接給定目標(biāo)位置(絕對位置或相對于當(dāng)前的位置)使驅(qū)動器轉(zhuǎn)動到目標(biāo)位置。驅(qū)動器將根據(jù)設(shè)定的加、減速加速度和最大速度，自動控制電機按照牛頓運動定律迅速、平穩(wěn)地運動到目標(biāo)位置。

　　通信系統(tǒng)用于實現(xiàn)浮標(biāo)上信息處理及控制器與岸基可視無紙化平臺之間的遠(yuǎn)距離通信，工作在 2.4GHz 頻段，傳輸距離可達(dá) 15km，通過 RJ45 接口和信息處理及控制器連接。

　　2 無人艇航行監(jiān)測方法

　　以浮標(biāo)上的三維激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)和 DGPS 位置信息為基礎(chǔ)，無人艇航行監(jiān)測方法分為四個部分，解算出無人艇的航行位置精確數(shù)據(jù)，為計算無人艇性能評估技術(shù)指標(biāo)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

　　2.1 雷達(dá)點云數(shù)據(jù)過濾

　　在三維激光雷達(dá)獲取無人艇坐標(biāo)位置時，雷達(dá)會不可避免地檢測到海面上其它浮標(biāo)、無人艇、海面和岸上陸地。為減輕后續(xù)雷達(dá)點云數(shù)據(jù)處理的計算壓力，首先過濾過高的點云數(shù)據(jù)，因此可過濾三維激光雷達(dá)點云 Z 軸的值大于無人艇高度與激光雷達(dá)安裝高度之差的點云。在三維激光雷達(dá)獲取點云數(shù)據(jù)時，由于存在電磁干擾、浮標(biāo)晃動等環(huán)境因素影響，點云數(shù)據(jù)中會存在一些不合理的離散干擾點。為濾除這些離散噪聲點，可計算每個點云數(shù)據(jù)離附近 k 個點云數(shù)據(jù)的平均值，若該值超過設(shè)定閾值，則認(rèn)為該點云數(shù)據(jù)為離散噪聲點，應(yīng)當(dāng)濾除。

　　海面點云數(shù)據(jù)量較大，且對后續(xù)聚類分割效果影響大，因此應(yīng)當(dāng)先對海面點云-非海面點云濾除。本文采用 Ray Ground Filter 方法[11]，將點云數(shù)據(jù)的(x,y,z)三維空間降到(x，y)平面來看，計算每一個點到浮標(biāo)正方向的平面夾角