無人作戰(zhàn)艇在未知海域避碰規(guī)劃算法研究

竇 強(qiáng),馬金偉,韓 昱

(1. 海裝駐連云港地區(qū)軍事代表室,江蘇 連云港 222061; 2. 江蘇自動(dòng)化研究所,江蘇 連云港 222061; 3. 連云港中等專業(yè)學(xué)校機(jī)電工程系,江蘇 連云港 222061)

無人水面艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)以船舶作為運(yùn)載平臺,以其跨介質(zhì)存在、機(jī)動(dòng)靈活、被發(fā)現(xiàn)和攻擊概率小、可避免復(fù)雜海況下因長時(shí)間執(zhí)行任務(wù)導(dǎo)致人員疲勞等優(yōu)勢,作為跨域協(xié)同、馬賽克戰(zhàn)等新軍事理論的重要支撐裝備,正受到美、英等西方軍事科技強(qiáng)國的高度重視,并納入其國家發(fā)展規(guī)劃,進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。無人艇在作戰(zhàn)領(lǐng)域的使用模式被逐漸拓展,國內(nèi)外研制出一批綜合能力突出的無人艇,如以色列的“海上騎士”無人艇裝備了“長釘”導(dǎo)彈、美國海軍“幽靈艦隊(duì)霸王”的“游騎兵”成功發(fā)射了SM-6導(dǎo)彈、英國Madfox無人艇發(fā)射“彈簧刀300”巡飛彈等;國內(nèi)珠海云洲發(fā)布了“瞭望者Ⅱ”察打一體導(dǎo)彈無人艇、中國船舶集團(tuán)展出了JARI-USV多功能作戰(zhàn)無人艇。

隨著無人艇發(fā)射武器試驗(yàn)的開展和技術(shù)的不斷成熟,由無人艇自主執(zhí)行遠(yuǎn)程目標(biāo)打擊任務(wù)逐漸成為可能,自主航行是實(shí)現(xiàn)無人艇遂行導(dǎo)彈打擊作戰(zhàn)任務(wù)的前提條件和必要基礎(chǔ),從而自主航路規(guī)劃已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。近年來,在無人艇航路規(guī)劃解決方案方面有了大量的實(shí)踐和驗(yàn)證,全局航路規(guī)劃算法有Dijkstra算法、A算法、蟻群算法、遺傳算法等,局部規(guī)劃算法有人工勢場法、速度障礙法、向量場直方圖法等。以上算法均有特定的適用場景及前提條件,優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。

1 相關(guān)算法

作為以智能化作戰(zhàn)為主要任務(wù)形式的無人艇,依托自身傳感器探測感知信息實(shí)現(xiàn)航路規(guī)劃和自主航行控制是一項(xiàng)基本能力需求,因此要求規(guī)劃算法不依賴環(huán)境先驗(yàn)知識、反應(yīng)迅速、實(shí)時(shí)性好。通過表1的規(guī)劃算法優(yōu)缺點(diǎn)比較,本文基于艇載導(dǎo)航雷達(dá)回波數(shù)字視頻信息,對無人艇近區(qū)進(jìn)行柵格化,以無人艇安全航行需求確定柵格大小,以雷達(dá)回波信息控制單元柵格屬性,采用改進(jìn)的人工勢場法,快速進(jìn)行避碰規(guī)劃,從而實(shí)現(xiàn)無人艇在陌生海區(qū)自主航行。

表1 規(guī)劃算法優(yōu)缺點(diǎn)比較

1.1 柵格法

圖1 環(huán)境柵格化

將柵格表示為

=(Left,Top,Right,Bottom,Value)

(1)

其中，Left、Top、Right、Bottom表示第行列柵格的左上和右下位置信息,Value表示該柵格障礙置信值,值越大，表示該柵格不可通行的可能性越確定。

1.2 人工勢場法

根據(jù)Khatib在1986年提出的人工勢場法思想,將無人艇近區(qū)海域模擬為人造勢場區(qū)域,以目標(biāo)點(diǎn)為中心構(gòu)建全局引力勢場,引力大小與陣位點(diǎn)距離成正比,即距離越遠(yuǎn),引力越大;以礙航物點(diǎn)構(gòu)建局部斥力勢場,斥力大小與礙航物點(diǎn)距離成反比,即無人艇距離礙航物越近,斥力越大,礙航物所在位置點(diǎn)斥力無窮大,從而避免無人艇與礙航物的碰撞。無人艇進(jìn)行自主航行時(shí),受到目標(biāo)點(diǎn)的引力和礙航物的斥力綜合作用,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自主避碰航行,運(yùn)行原理如圖2所示。

圖2 人工勢場法原理圖

無人艇環(huán)境柵格中,勢場函數(shù)定義為

()=()+()

從而無人艇所受的力為

()=()+()

(2)

其中，為無人艇在環(huán)境柵格中所處的柵格(柵格環(huán)境中心點(diǎn)),()為柵格的勢場函數(shù),()為引力勢場函數(shù),()為斥力勢場函數(shù),()為無人艇所在柵格的受力,()為無人艇在柵格受到目標(biāo)點(diǎn)的引力,()為無人艇在柵格受到礙航物斥力的合力。

目標(biāo)點(diǎn)對無人艇產(chǎn)生的引力場為全局勢場,且與無人艇到陣位點(diǎn)距離的平方成正比例關(guān)系,引力的方向?yàn)闊o人艇指向陣位點(diǎn),且距離越大,引力越大。礙航物產(chǎn)生的斥力勢場為局部勢場,只有在影響無人艇安全航行的區(qū)域才具有勢場,只有在礙航物影響范圍內(nèi),無人艇才會受到該礙航物的斥力作用。

傳統(tǒng)的人工勢場法對柵格化雷達(dá)回波視頻的高密度和不規(guī)則,極易出現(xiàn)規(guī)劃發(fā)散;當(dāng)引力方向和斥力方向之間的夾角大于一定角度時(shí),極易陷入局部最小點(diǎn);在通過狹長水道時(shí),易出現(xiàn)航向震蕩現(xiàn)象。因此需對傳統(tǒng)人工勢場法進(jìn)行改進(jìn),以滿足自主航行需求。

2 無人艇近區(qū)環(huán)境構(gòu)建

2.1 雷達(dá)回波信息解析

根據(jù)雷達(dá)探測原理,雷達(dá)波照射到物體表面反射到雷達(dá)接收機(jī),經(jīng)信號處理后形成回波,周期內(nèi)接收的所有回波信號形成了可視的雷達(dá)視頻信息。雷達(dá)視頻數(shù)字化可采用以本艇為中心的射線表示某個(gè)方位的視頻數(shù)據(jù),再進(jìn)行離散化,即第個(gè)方位的視頻表示為

=(,,0,1,2,…,)

(3)

其中，表示視頻方位編號,為實(shí)時(shí)艏向,表示方位上第處的回波強(qiáng)度,范圍為[0,15],為方位采樣點(diǎn)數(shù)。

第個(gè)方位的第處回波對應(yīng)的直角坐標(biāo)為

其中，=(+*) mod 360,為雷達(dá)方位分辨率,為雷達(dá)量程。

根據(jù)無人艇導(dǎo)航雷達(dá)回波視頻數(shù)字化設(shè)計(jì),=1 024,從而雷達(dá)回波視頻圖像繪制為2 047*2 047像素的bmp圖像,雷達(dá)單幀視頻圖像如圖3所示。

圖3 導(dǎo)航雷達(dá)原始視頻圖像

2.2 環(huán)境構(gòu)建

1) 雷達(dá)圖像二值化

雷達(dá)回波圖像是一種16色灰度圖像,對于以避碰航行為目的的圖像處理,僅需識別點(diǎn)為障礙點(diǎn)或自由點(diǎn),為降低圖像處理復(fù)雜度,提高圖像處理速度,將雷達(dá)圖像進(jìn)行二值化轉(zhuǎn)換。

假設(shè)灰度值為的像素占總體像素的比例為(),初始圖像閾值為,計(jì)算回波像素點(diǎn)比例和自由區(qū)像素點(diǎn)比例,以及回波區(qū)域的平均灰度和自由區(qū)域的平均灰度。

計(jì)算類間方差最大值:

則為雷達(dá)圖像二值化轉(zhuǎn)換閾值。

假設(shè)原始圖像各像素點(diǎn)值為(,),則二值化后圖像為

其中，(,)表示二值化后圖像各個(gè)像素點(diǎn)的值,為閾值(0≤≤255)。

針對圖3進(jìn)行二值化處理,=142,處理輸出圖像如圖4所示。

圖4 無人艇雷達(dá)二值化圖像

2) 雷達(dá)圖像閉運(yùn)算

由于受雷達(dá)探測分辨率、噪點(diǎn)等因素影響,雷達(dá)圖像可能會出現(xiàn)毗連區(qū)域的回波缺失或鄰近區(qū)域斷裂，均可能會規(guī)劃出可通行航路,消除不適用于無人艇通過的微小間隙,根據(jù)圖像形態(tài)學(xué)處理方法,對二值化雷達(dá)圖像進(jìn)行閉運(yùn)算操作。

采用7*7的結(jié)構(gòu)元(如圖5a)所示),對圖像進(jìn)行閉運(yùn)算,即:·=(?)。

腐蝕操作:={|[()∩]=?},是對膨脹后圖像的細(xì)化和平滑操作。

對二值圖像的處理結(jié)果如圖5b)所示。

圖5 無人艇雷達(dá)圖像閉運(yùn)算輸出圖像

3) 基于雷達(dá)回波圖像的環(huán)境構(gòu)建

針對方位采樣點(diǎn)為的雷達(dá)圖像,圖像像素值為(2*-1)*(2*-1)個(gè),雷達(dá)量程為,則每個(gè)像素代表的距離為。表示雷達(dá)圖像閉運(yùn)算輸出圖像,處的像素值,則圖像上的點(diǎn)可表示為

(4)

構(gòu)建2*2環(huán)境柵格,柵格大小設(shè)為*,則相對于中心點(diǎn)(無人艇所在位置),根據(jù)式(1),第,處柵格參數(shù)為

=(*-,*-,*(+1)-,*(+1)-,)

(5)

的初始值為0,值越大,表示該柵格內(nèi)雷達(dá)回波點(diǎn)越多,柵格區(qū)域內(nèi)障礙物的密度越大。

(6)

對按照式(4)～(6)對圖5b)進(jìn)行柵格化,得到基于雷達(dá)圖像的無人艇近區(qū)環(huán)境柵格如圖6所示。

圖6 基于雷達(dá)圖像的柵格化環(huán)境

3 避碰規(guī)劃算法

3.1 改進(jìn)人工勢場法

根據(jù)無人艇特性,無人艇在自主航行過程中根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)設(shè)置恒定航速,故人工勢場中受恒定引力的作用,即

=

無人艇所受斥力為勢場區(qū)域內(nèi)障礙柵格對無人艇斥力的合力,因此,斥力的計(jì)算轉(zhuǎn)化為某時(shí)刻障礙柵格的提取。

定義(無人艇所在柵格)與之間的距離和方位分別為：

(7)

(8)

因此,某時(shí)刻對無人艇有斥力作用的障礙柵格集:

=(,,…,)滿足條件

(9)

其中，為無人艇雷達(dá)周期內(nèi)的最大轉(zhuǎn)向角。

由于雷達(dá)回波圖像柵格化后,障礙柵格成片出現(xiàn),直接采用中元素計(jì)算斥力,同一方位會出現(xiàn)多個(gè)障礙柵格對無人艇有斥力作用,存在無效計(jì)算且極易出現(xiàn)無解現(xiàn)象。實(shí)際情況下,無人艇只需考慮規(guī)避該方位上距無人艇最近的障礙柵格,即需從中提取面向無人艇的障礙柵格的邊緣柵格′,執(zhí)行步驟如下:

步驟1:根據(jù)式(7)、式(8),=((,),(,),…,(,));

步驟4:重復(fù)步驟2,直至=?。

其中，為障礙柵格作用距離,為該柵格作用力的增益系數(shù),柵格區(qū)域中有個(gè)有效柵格。

根據(jù)式(2),無人艇所受合力為=+。

針對圖6柵格化環(huán)境,采用上述改進(jìn)的人工勢場法進(jìn)行航路規(guī)劃,規(guī)劃結(jié)果如圖7所示,可見規(guī)劃結(jié)果不一定全局最優(yōu),若設(shè)置過大,在柵格化雷達(dá)圖像上常出現(xiàn)障礙柵格密集區(qū)域,易導(dǎo)致無解現(xiàn)象;試驗(yàn)中設(shè)置=5,即障礙柵格影響區(qū)域?yàn)槠渲車?個(gè)柵格,在空曠區(qū)域,USV僅受到目標(biāo)點(diǎn)引力作用,航向指向目標(biāo)點(diǎn),直到受到障礙柵格斥力作用時(shí)改變航向。柵格化圖像輸入到規(guī)劃結(jié)果輸出用時(shí)僅0.05 s,遠(yuǎn)小于雷達(dá)圖像更新周期。該算法可實(shí)現(xiàn)基于雷達(dá)圖像的避碰規(guī)劃目標(biāo),但為局部規(guī)劃,不一定達(dá)到全局最優(yōu)。

圖7 柵格環(huán)境人工勢場法規(guī)劃結(jié)果

3.2 航速航向輸出

由于導(dǎo)航雷達(dá)圖像的抖動(dòng)、回波信號的密集、噪聲的干擾等因素影響,不可避免地出現(xiàn)斥力方向劇烈變化或局部最小點(diǎn)情況。航向變化劇烈會導(dǎo)致無人艇推進(jìn)效率降低,發(fā)生海豚運(yùn)動(dòng),局部最小點(diǎn)會導(dǎo)致無人艇迷失航向,因此，航路規(guī)劃執(zhí)行過程中需要對這兩種情況進(jìn)行處理。

針對局部最小點(diǎn)現(xiàn)象,主要采用增加引導(dǎo)目標(biāo)點(diǎn)方法,當(dāng)引力方向和斥力方向夾角大于某一個(gè)大角度時(shí)(如170°),在無人艇向目標(biāo)點(diǎn)連線方向的45°方向,個(gè)柵格處設(shè)置一個(gè)引導(dǎo)點(diǎn),直至無人艇走出局部最小點(diǎn)。

針對輸出航向劇烈震蕩情況,在模型向控制機(jī)構(gòu)輸出期望航速航向前,增加航向過濾器,平滑航向變化,控制安全航速。模型解算輸出期望航向?yàn)?則無人艇下一周期的目標(biāo)航向?yàn)?/p>

無人艇速度為

其中，與為無人艇巡航速度和最小速度,無人艇轉(zhuǎn)向越小,目標(biāo)航速越接近巡航速度。

4 模型驗(yàn)證

通過將基于雷達(dá)視頻柵格化的人工勢場模型嵌入無人艇艇載控制系統(tǒng),設(shè)置導(dǎo)航雷達(dá)方位采樣點(diǎn)數(shù)為1 024,分辨率為2 048,天線周期為1 s,設(shè)置目標(biāo)點(diǎn)。艇載控制系統(tǒng)接收雷達(dá)回波數(shù)字信號,實(shí)時(shí)進(jìn)行雷達(dá)回波圖像生成、圖像閉運(yùn)算、近區(qū)環(huán)境柵格化構(gòu)建；基于改進(jìn)人工勢場法的航路規(guī)劃,輸出航速航向引導(dǎo)無人艇自主航行至目標(biāo)點(diǎn)。模型接收雷達(dá)數(shù)字視頻信息到解算輸出執(zhí)行航速航向平均時(shí)間為0.12 s,模型引導(dǎo)無人艇自主出港池航跡如圖8所示,整體看航跡較為平滑,航向較為穩(wěn)定,無震蕩現(xiàn)象。

圖8 模型引導(dǎo)無人艇自主航行出港池試驗(yàn)航跡圖

5 結(jié)束語

針對無人艇在未知海域執(zhí)行任務(wù)中的自主避碰規(guī)劃問題,提出了一種基于雷達(dá)回波圖像柵格化的環(huán)境構(gòu)建方法和改進(jìn)的人工勢場法,實(shí)現(xiàn)了在陌生海域無人艇自主航行避碰模型,試驗(yàn)結(jié)果表明:

1) 所設(shè)計(jì)的算法在柵格化導(dǎo)航雷達(dá)回波圖像支持下,能夠快速規(guī)劃出到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的航路,屬于局部規(guī)劃;

2) 所設(shè)計(jì)的算法在真實(shí)海況(3級以下),無對抗目標(biāo)時(shí)可用;

3) 通過設(shè)定障礙柵格作用范圍,限定障礙柵格區(qū)域,提取障礙柵格邊緣,有效減少計(jì)算量,提高實(shí)時(shí)性,能夠滿足雷達(dá)圖像實(shí)時(shí)處理需求。

因柵格化對障礙柵格擴(kuò)張因素,該算法對小間隙密集目標(biāo)環(huán)境、窄航道不適用。針對動(dòng)態(tài)障礙物規(guī)避、高海況下環(huán)境適應(yīng)能力、有精度需求的航路規(guī)劃等其他應(yīng)用場景需求,需進(jìn)一步開展算法研究和試驗(yàn)探索。