一種新型自主避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想

翟偉東

摘 要：本設(shè)計(jì)構(gòu)想旨在設(shè)計(jì)一種新型的自主避障系統(tǒng)，它能夠搭載在水下航行器上，幫助航行器識(shí)別并躲避水下的障礙物，保證水下航行器的安全工作。系統(tǒng)攜帶有聲納和GPS，能夠準(zhǔn)確定位航行器所處的地理位置信息，并利用超聲波檢測(cè)到周圍的障礙物，采用避障算法，進(jìn)行避障路徑規(guī)劃，同時(shí)通過(guò)搭載的水下全景攝像頭，將海洋環(huán)境情況實(shí)時(shí)傳送給地面站，供研究人員對(duì)水下環(huán)境做更深層的研究?？傊摫苷舷到y(tǒng)能解決傳統(tǒng)水下巡航監(jiān)測(cè)遇到的諸多問題，幫助人們更好地進(jìn)行水下巡航工作。

關(guān)鍵詞：自主避障;聲納測(cè)距;工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

0 引言

20世紀(jì)90年代以來(lái)，海洋工程與科技的發(fā)展受到廣泛的關(guān)注與研究。水中的無(wú)人航行器作為一種低風(fēng)險(xiǎn)的自主作業(yè)產(chǎn)品，在軍事生產(chǎn)等各個(gè)方面都有著廣泛的應(yīng)用。目前，無(wú)人航行器包括水面水下航行器、遙控式水下航行器、自主式水下航行器等很多種。這些航行器可以完成水上水下的信息采集監(jiān)測(cè)任務(wù)，在具有較高的工作效率的同時(shí)還可以避免海洋中的巡航監(jiān)測(cè)任務(wù)所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。目前，自主式巡航船主要依靠激光進(jìn)行水面避障，而水下航行器主要通過(guò)工業(yè)級(jí)的視頻傳輸，由地面進(jìn)行路徑規(guī)劃與避障，因此，目前的水下航行器缺乏一定的自主判斷能力，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)也需要更高的人力物力成本，工作難度顯著提升。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)在水下航行器上的缺陷，本文將闡述一種能在水下可靠地進(jìn)行障礙規(guī)避與航跡規(guī)劃的自主避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)思，從而大大增加水下航行器的自主性，降低水下航行器航行檢測(cè)成本。

1 設(shè)計(jì)方案

這種新興的自主避障系統(tǒng)主要包括五個(gè)部分：信息收集系統(tǒng)、水下建圖系統(tǒng)、核心處理系統(tǒng)、核心控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

1.1 信息收集系統(tǒng)

信息收集系統(tǒng)主要包括聲納測(cè)距模塊、發(fā)射換能模塊和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。聲納測(cè)距模塊包含超聲波聲納測(cè)距器與聲納控制儀，超聲波聲納測(cè)距器為矢量聲波測(cè)距器，聲納控制儀可以開關(guān)聲納測(cè)距器并且儲(chǔ)存測(cè)距數(shù)據(jù)。發(fā)射換能模塊為聲納測(cè)距模塊的輔助模塊，用以將電能轉(zhuǎn)化為聲波。發(fā)射換能模塊與聲納測(cè)距器都與聲納控制儀連接，它與聲納測(cè)距模塊共同進(jìn)行超聲波測(cè)距工作，對(duì)水下航行器周圍的障礙物進(jìn)行測(cè)距。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)包括GPS導(dǎo)航系統(tǒng)與IMU慣性測(cè)量單元，具體包括陀螺儀、加速度計(jì)和微型計(jì)算機(jī)。其中GPS系統(tǒng)用以監(jiān)測(cè)水下航行器的地理位置信息，IMU慣性測(cè)量單元為基于MEMS技術(shù)的陀螺儀與加速度計(jì)。最終信息收集系統(tǒng)中收集到的測(cè)距數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)以及地理位置數(shù)據(jù)都會(huì)傳輸至核心處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

1.2 水下建圖系統(tǒng)

水下建圖系統(tǒng)為水下全景攝像模塊，由兩臺(tái)廣角相機(jī)組成，位于水下航行器的前端，得到的水下二維圖像數(shù)據(jù)會(huì)傳輸至核心處理系統(tǒng)。

1.3 核心處理系統(tǒng)

核心處理系統(tǒng)使用的是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，目的是能夠在水下復(fù)雜的環(huán)境中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的處理。核心處理系統(tǒng)一方面可以根據(jù)信息收集系統(tǒng)中的測(cè)距數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)等，融合后利用實(shí)時(shí)環(huán)境建模法確定出障礙物的位置（這塊方法很多，也比較成熟，這樣說(shuō)已經(jīng)比較明白了），之后通過(guò)避障算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)避障。另一方面可以根據(jù)水下二維圖像數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)以及GPS數(shù)據(jù)，利用pix4d mapper實(shí)現(xiàn)水下環(huán)境三維建模，提高路徑規(guī)劃的準(zhǔn)確性并將建模數(shù)據(jù)回傳至地面站。

1.4 核心控制系統(tǒng)

核心控制系統(tǒng)使用的是STM32單片機(jī)，核心控制系統(tǒng)主要進(jìn)行底層控制，即根據(jù)路徑規(guī)劃指令控制水下航行器的動(dòng)力設(shè)備，從而使水下航行器按照避障路線行駛。

1.5 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可采用WiFi模塊、藍(lán)牙模塊、ZigBee模塊、或者sub-IG模塊實(shí)現(xiàn)，主要用于向地面?zhèn)鬏敪h(huán)境建模數(shù)據(jù)，也用于地面向水下航行器發(fā)送指令。

2 具體工作流程

地面站上位機(jī)為水下航行器規(guī)定航跡路線后，水下航行器開始航行。信息收集系統(tǒng)收集水下航行器的實(shí)時(shí)姿態(tài)、實(shí)時(shí)位置、障礙物測(cè)距信息，之后，通過(guò)I/0口、RS232串口通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)信息傳輸至核心處理系統(tǒng)。水下建圖系統(tǒng)采集水下圖像信息通過(guò)USB2.0標(biāo)準(zhǔn)連接傳輸至核心處理系統(tǒng)。核心處理系統(tǒng)對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：（1）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)對(duì)位置信息、姿態(tài)信息與聲納聲波信息進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)化與數(shù)據(jù)處理，通過(guò)時(shí)間差定位算法確定水下障礙物的方位與距離，之后進(jìn)行路徑規(guī)劃;（2）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)利用pix4d mapper將圖像信息與姿態(tài)信息疊加輸出，生成三維水下環(huán)境模型，之后利用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將水下環(huán)境模型回傳至地面站上位機(jī)。地面站上位機(jī)通過(guò)對(duì)水下環(huán)境建模數(shù)據(jù)分析后也可直接向水下航行器發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)有效避障。由核心控制系統(tǒng)收到的運(yùn)動(dòng)控制指令，來(lái)控制水下航行器上的動(dòng)力裝置，如舵機(jī)與電機(jī)，從而使水下航行器按照避障航跡航行。

3 結(jié)論

本文闡述了一種新型自主避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，它能夠搭載在水下航行器上，通過(guò)GPS和聲納，實(shí)現(xiàn)航行器的定位及周圍障礙物監(jiān)測(cè)，利用避障算法，規(guī)劃出較好的巡航路線。通過(guò)全景攝像機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境，并利用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，將得到的數(shù)據(jù)傳遞給地面站，供研究人員更好地觀察水下環(huán)境，從而有計(jì)劃地開展后續(xù)的水下工作。

當(dāng)今社會(huì)，“和平與發(fā)展”仍是主流，但國(guó)家想要在世界立足，必須擁有絕對(duì)的軍事力量。可以看到，我國(guó)正在積極進(jìn)行海上的軍事訓(xùn)練，以及開展各種海洋工程建設(shè)。其中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水下環(huán)境的監(jiān)測(cè)變得尤為重要。本文所闡述的新型避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就在于解決傳統(tǒng)水下航行器自主避障能力不強(qiáng)，且需要較高人力物力的缺點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)水下環(huán)境的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，從而方便相關(guān)人員更好地開展在海洋的相關(guān)工作。因此，該自主避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在海洋軍事領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦政，邊信黔，嚴(yán)浙平.多波束前視聲吶在潛器避障中的應(yīng)用研究[M].電子器件，1005-9490（2007）05-1909-05.

[2]喻俊志.多仿生機(jī)器魚控制與協(xié)調(diào)研究[D].中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所博士論文，北京：中國(guó)科學(xué)院，2003：1-2.

[3]宋敏，鄶新凱，鄭亞茹.CCD與CMOS圖像傳感器探測(cè)性能比較[J].半導(dǎo)體光電，2005，26（1）：5-9.