USV 地形測(cè)量路徑自主規(guī)劃研究與應(yīng)用

宋吉廣，張京晶，馮 亮，林 揚(yáng)，李德隆，谷海濤

(1. 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110016；2. 中國(guó)科學(xué)院 機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110169；3. 中國(guó)人民解放軍91053 部隊(duì)，北京 100070)

0 引 言

一直以來(lái)，近岸海域水上水下地形測(cè)量是海洋工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容，對(duì)于海運(yùn)安全、港口領(lǐng)航、維護(hù)國(guó)家主權(quán)、沿海城市及島礁的海洋開(kāi)發(fā)、規(guī)劃決策等都具有重要意義[1]。近岸海域周?chē)哂协h(huán)境復(fù)雜、缺乏先驗(yàn)信息和海況惡劣等特點(diǎn)，而無(wú)人水面艇作為一種小型智能無(wú)人平臺(tái)，具備自主感知環(huán)境信息、路徑規(guī)劃、自主航行的能力，可通過(guò)人工預(yù)置或自主信息采集處理的方式完成環(huán)境感知、目標(biāo)識(shí)別與探測(cè)、自主規(guī)劃等多種任務(wù)。近年來(lái)，相關(guān)研究人員針對(duì)不同的任務(wù)需求進(jìn)行水運(yùn)航道、水庫(kù)、島嶼等水域的水上水下地形測(cè)量。但在測(cè)量過(guò)程中，多以人工設(shè)定測(cè)量路徑的方式為主[2-5]，在測(cè)量區(qū)域較大或較為復(fù)雜的情況下，需耗費(fèi)巨大人力、物力和財(cái)力，且布設(shè)測(cè)量路徑帶有人為主觀性，影響最終測(cè)量效果。

操文芷[6]使用電子海圖與雷達(dá)圖像疊加匹配方式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行無(wú)人水面艇路徑規(guī)劃，可有效進(jìn)行障礙物規(guī)避以及局部路徑規(guī)劃動(dòng)任務(wù)。劉強(qiáng)等[7]采用船載多傳感器一體化測(cè)量技術(shù)對(duì)海島礁、港口地區(qū)與水中構(gòu)筑物、湖泊、庫(kù)區(qū)進(jìn)行測(cè)量，完成了對(duì)測(cè)量區(qū)域的水上水下一體化點(diǎn)云無(wú)縫拼接。苗潤(rùn)龍等[8]使用基于重復(fù)海灣和遺漏海灣的搜索行為設(shè)計(jì)方法完成了海洋自主航行器多海灣區(qū)域完全遍歷路徑規(guī)劃試驗(yàn)，規(guī)劃結(jié)果在遍歷性、重復(fù)率方面優(yōu)于其他遍歷方法。上海大學(xué) “精海3 號(hào)”無(wú)人艇水面船在金塘大橋附近按設(shè)定的規(guī)劃航線進(jìn)行測(cè)繪工作，因人為規(guī)劃航線只能掃測(cè)航線所覆蓋部分的區(qū)域，鐘雨軒等[9]提出一種考慮主動(dòng)方向的動(dòng)態(tài)柵格法與啟發(fā)式搜索算法的無(wú)人水面艇島礁海域完全遍歷路徑規(guī)劃方法，并通過(guò)了仿真驗(yàn)證。

由現(xiàn)研究現(xiàn)狀分析知，在進(jìn)行水上水下一體化測(cè)量時(shí)均將海圖作為已知輸入，若在未知地形復(fù)雜的近岸海域進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，無(wú)法進(jìn)行測(cè)量相關(guān)的路徑規(guī)劃工作，同時(shí)易出現(xiàn)擱淺、刮底事故，不能保障研究人員及設(shè)備安全。因此，設(shè)計(jì)一種能夠適應(yīng)近岸復(fù)雜的水上水下環(huán)境，準(zhǔn)確感知周?chē)鷳B(tài)勢(shì)信息并合理規(guī)劃測(cè)量路徑的方法是解決以上問(wèn)題的關(guān)鍵?，F(xiàn)階段，采用具有自主定位、導(dǎo)航、感知及控制功能的無(wú)人水面艇，攜帶相關(guān)測(cè)量設(shè)備，無(wú)疑是解決上述問(wèn)題、并可以更快、更經(jīng)濟(jì)和更安全地完成近岸水上水下地形測(cè)量任務(wù)的一種理想手段。本文以USV 為研究平臺(tái)，搭載導(dǎo)航雷達(dá)、深度計(jì)、POS MV、多波束測(cè)深儀及激光掃描儀和其他必要設(shè)備，面向近岸地形測(cè)量任務(wù)需求，基于離線電子海圖，實(shí)現(xiàn)測(cè)量路徑在線規(guī)劃，以完全覆蓋預(yù)設(shè)待測(cè)量海域，最終獲取未知環(huán)境的水上水下地形地貌。首先，基于感知、測(cè)量設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)在線地圖構(gòu)建工作[10]，本文的在線地圖信息輸入來(lái)自于雷達(dá)感知及深度計(jì)信息，其中，雷達(dá)感知數(shù)據(jù)提供無(wú)人水面艇所在環(huán)境周?chē)鷳B(tài)勢(shì)信息，由深度計(jì)提供無(wú)人水面艇實(shí)時(shí)深度信息，通過(guò)POS MV 獲取USV 實(shí)時(shí)位姿，融合信息輸入，實(shí)時(shí)構(gòu)建測(cè)量地圖。在此基礎(chǔ)上，采用基于神經(jīng)元激勵(lì)方法下的完全遍歷路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)，結(jié)合A 星算法路徑搜尋優(yōu)勢(shì)防止路徑規(guī)劃鎖死，為USV 提供安全有效的規(guī)劃路徑，提高USV 測(cè)量工作的安全性、合理性、有效性。同時(shí)，考慮實(shí)時(shí)水深對(duì)測(cè)量設(shè)備掃測(cè)的影響，自主調(diào)節(jié)測(cè)量路徑的梳型間距，以達(dá)到要求的掃描重疊率，實(shí)現(xiàn)完全覆蓋預(yù)定測(cè)量區(qū)域[11]。

1 地圖構(gòu)建方法設(shè)計(jì)

首先，存在一個(gè)基本問(wèn)題，即如何使用地圖描述測(cè)量區(qū)域環(huán)境，目前已存在多種地圖表示方法，主要分為柵格地圖、特征地圖和拓?fù)涞貓D3 類[12]。本文采用柵格地圖方式，使用占據(jù)概率的柵格地圖將測(cè)量區(qū)域分成若干相同邊長(zhǎng)的柵格，將每個(gè)柵格分配概率值以表示被障礙物占據(jù)的可能性大小。無(wú)人艇搭載導(dǎo)航雷達(dá)和深度計(jì)設(shè)備，實(shí)時(shí)更新柵格地圖，根據(jù)路徑規(guī)劃方法生成符合海底地形測(cè)量要求的實(shí)時(shí)梳型路徑[13-14]，能應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境下各類問(wèn)題，在實(shí)時(shí)性和安全性方面具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)[15]。

在線地圖構(gòu)建過(guò)程如圖1 所示。其中，基準(zhǔn)地圖是指由初始離線地圖和實(shí)時(shí)的雷達(dá)感知信息以及水深等信息所構(gòu)建的實(shí)時(shí)地圖，地圖北向?yàn)榈壬罹€[16]由深至淺方向；測(cè)量地圖是由基準(zhǔn)地圖作為輸入，根據(jù)水深情況以及海底地形測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)需求更新柵格大小，該地圖直接用于測(cè)量路徑規(guī)劃算法輸入。

圖1 在線地圖構(gòu)建流程圖Fig. 1 Flow chart of online map construction

地圖構(gòu)建采用一種基于貝葉斯估計(jì)方式的占據(jù)柵格建圖方法。占據(jù)柵格地圖把測(cè)量范圍分解成若干二元隨機(jī)變量填充的柵格，分為占據(jù)或空閑2 種狀態(tài)。每一個(gè)柵格具有獨(dú)立性，估計(jì)環(huán)境地圖需要對(duì)每個(gè)獨(dú)立的柵格進(jìn)行估計(jì)，更新地圖時(shí)，通過(guò)傳感器觀測(cè)結(jié)果計(jì)算獲得[17]。

初始離線地圖/基準(zhǔn)地圖采用一系列二值隨機(jī)變量表示，該二值數(shù)據(jù)表示該位置是否被占據(jù)，即是否存在障礙物[18]，而待更新地圖處理方法是對(duì)二值隨機(jī)變量進(jìn)行后驗(yàn)估計(jì)?，F(xiàn)已知USV 位姿信息x和測(cè)量值z(mì)，為構(gòu)建規(guī)范化地圖m，設(shè)其根據(jù)給定的位姿和測(cè)量信息計(jì)算整個(gè)地圖的后驗(yàn)概率為p(m|z1:k,x1:k)。其中z1:k表示1 到k時(shí)刻的測(cè)量值，二值化后取0 或1（有障礙物1，無(wú)障礙物0），x1:k表示1 到k時(shí)刻的位姿組成的路徑（梳型完全遍歷），地圖將二維空間分割為有限多個(gè)柵格單元（即網(wǎng)格），地圖表示如下：

其中，mij為地圖中第i行j列個(gè)柵格單元，mij的值代表柵格是否被占據(jù)（是否存在障礙物），M為地圖的柵格最大行數(shù)，N為地圖的柵格最大列數(shù)，如果被占據(jù)則值為“1”，未被占據(jù)則為“0”。p(mij)為該柵格單元被占據(jù)的可能性。對(duì)于后驗(yàn)概率p(m|z1:k,x1:k)，由于m的聯(lián)合概率計(jì)算的維數(shù)為指數(shù)級(jí)2|MN|，因此假設(shè)地圖中的每個(gè)柵格單元mij相互獨(dú)立，通過(guò)條件獨(dú)立性假設(shè)，可用邊緣概率乘積近似表示整個(gè)地圖m的后驗(yàn)概率。

地圖中每個(gè)柵格單元的占據(jù)概率由靜態(tài)二值貝葉斯濾波方法獲得，該方法依靠傳感器的測(cè)量信息來(lái)估計(jì)環(huán)境地圖中一個(gè)固定的二值數(shù)，該二值數(shù)分別表示此次更新為占據(jù)或空閑，且假設(shè)地圖在此期間的狀態(tài)不改變。該方法中，占據(jù)概率用后驗(yàn)概率的對(duì)數(shù)幾率表示，以保證0 和1 附近數(shù)值的穩(wěn)定性。

則在時(shí)刻k第i行j列柵格單元的占據(jù)概率pk,ij為：

因此，可得后驗(yàn)概率為：

證明式（3）。

對(duì)于后驗(yàn)概率，由貝葉斯準(zhǔn)則有：

對(duì)于zk，由馬爾可夫過(guò)程屬性可知，當(dāng)xk已知時(shí)其與x1:k-1和z1:k-1無(wú)關(guān)，對(duì)式(5)有：

再對(duì)p(zk|mij,xk)應(yīng)用貝葉斯準(zhǔn)則有：

在zk未知時(shí)，有， 且。再將式（8）代入式(5)中有：

對(duì)于mij的對(duì)立事件，同理有：

則式(9)除以式(10)，并取對(duì)數(shù)，可得：

其中，p(mij)為先驗(yàn)概率，定義測(cè)量前初值為：

則有：

將式(13)更新方式為迭代更新，則有：

對(duì)于環(huán)境中未被探索區(qū)域中柵格，設(shè)初始化值p0。pk為時(shí)刻k對(duì)地圖的更新。

由于無(wú)人艇在不同位姿x時(shí)，雷達(dá)感知環(huán)境不同，經(jīng)過(guò)研究雷達(dá)感知數(shù)據(jù)表明，無(wú)人艇姿態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)下，雷達(dá)將會(huì)獲得更優(yōu)的感知數(shù)據(jù)，且對(duì)不同角度、不同距離的障礙物感知效果不一。故在獲得感知數(shù)據(jù)后，取無(wú)人艇前向 2φ角度、距離dR∈[Dmin,Dmax]內(nèi)數(shù)據(jù)。其中，Dmin和Dmax為設(shè)定的最近和最遠(yuǎn)可用感知數(shù)據(jù)距離。為排除雷達(dá)雜波的干擾，求取每個(gè)柵格倍距離內(nèi)測(cè)量值z(mì)二值化豎直為“1”柵格的個(gè)數(shù) κ，通過(guò)以下形式獲得存在障礙物的概率值：

其中，pSij為構(gòu)成當(dāng)前柵格的輸入小柵格面積相關(guān)概率值。

初始離線地圖柵格化邊長(zhǎng)或輸入雷達(dá)感知信息和深度計(jì)信息所構(gòu)成的柵格邊長(zhǎng)設(shè)為l，均小于基準(zhǔn)地圖柵格大小L，已知2 個(gè)地圖間的旋轉(zhuǎn)角度 θ，首先依次判斷小柵格的4 個(gè)頂點(diǎn)是否在大柵格內(nèi)部，經(jīng)對(duì)各種情況分析有：當(dāng)有2 個(gè)點(diǎn)在基準(zhǔn)地圖柵格外時(shí)，查看基準(zhǔn)地圖端點(diǎn)是否有在小柵格內(nèi)部，若不在且距離小柵格中心最近的端點(diǎn)和基準(zhǔn)地圖內(nèi)部端點(diǎn)異側(cè)，與基準(zhǔn)地圖柵格有3 個(gè)交點(diǎn)否則有2 個(gè)交點(diǎn)。在依次獲得各個(gè)交點(diǎn)后，進(jìn)行逆時(shí)針排序，得到多邊形的邊數(shù)n，通過(guò)如下公式進(jìn)行面積占據(jù)求?。?/p>

通過(guò)以上方法得到基準(zhǔn)地圖每個(gè)柵格的面積大小。由此可得面積覆蓋比率，等效為面積覆蓋概率，有

式中：pSij為由雷達(dá)和深度計(jì)獲得信息在基準(zhǔn)地圖中，第i行j列為占用狀態(tài)的面積概率；K為更新信息落在該基準(zhǔn)地圖中的小柵格個(gè)數(shù)。

將式(15)結(jié)果代入式(3)獲得在時(shí)刻k第i行j列柵格單元的占據(jù)概率pk,ij。通過(guò)設(shè)定閾值 α來(lái)確定柵格的二值化值z(mì)k,ij。

測(cè)量地圖的設(shè)定需按照海底地形測(cè)量及多波束掃描重復(fù)率相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，確定測(cè)量地圖柵格邊長(zhǎng)Lsd，如下式：

式中： η為多波束掃描重復(fù)率設(shè)置值；dwat為當(dāng)前的深度計(jì)測(cè)量最淺水深； Ω為測(cè)量狀態(tài)下的多波束開(kāi)角；Γ為當(dāng)前基準(zhǔn)地圖的橫向或縱向邊長(zhǎng)，其所在邊與主體遍歷方向垂直，與等深線方向約平行。L為基準(zhǔn)地圖柵格邊長(zhǎng)；Lsdmax為完全遍歷梳型路徑間的最大間距，即柵格的最大邊長(zhǎng)；dl為多波束射線可掃描的最遠(yuǎn)距離； Ω為多波束掃描開(kāi)角；ceil()為任意數(shù)的向上取整函數(shù)；floor()為任意數(shù)的向下取整函數(shù)。

然后，將基準(zhǔn)地圖信息按照上述使用面積法求取概率，并依據(jù)式(17)求出在時(shí)刻k第i行j列柵格單元的占據(jù)概率p'k,ij。同時(shí)設(shè)定閾值 β來(lái)確定柵格的二值化值z(mì)'k,ij，所獲得的z'k作為完全遍歷路徑規(guī)劃方法輸入。

2 完全遍歷路徑規(guī)劃方法

在k時(shí)刻測(cè)量地圖為Mc×Nc二值化矩陣，令每個(gè)柵格等效為神經(jīng)元，并被賦予活性值，鄰近活性值最大的神經(jīng)元具有被選擇優(yōu)先性。神經(jīng)元活性值由固定活性值和外部激勵(lì)確定[19]，當(dāng)為障礙物時(shí)，設(shè)其活性值為-1，若不為障礙物則其活性值計(jì)算公式為：

式中： λ為該柵格的活性值，由其所在位置及遍歷方向決定，遍歷方向與等深線方向垂直；x為在測(cè)量地圖坐標(biāo)系橫軸坐標(biāo)值；c為常數(shù)。 τ為神經(jīng)元活性值外部激勵(lì)，由于在海底地形測(cè)量過(guò)程中，無(wú)人艇頻繁的轉(zhuǎn)彎會(huì)使多波束測(cè)深儀掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接后誤差增大，為保證無(wú)人艇的良好運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，設(shè)τ為關(guān)于轉(zhuǎn)彎角度和移動(dòng)距離的函數(shù)，則有：

式中： δ為當(dāng)前規(guī)劃路徑方向轉(zhuǎn)向預(yù)規(guī)劃柵格所需要的角度；dm為當(dāng)前所在柵格位置移動(dòng)到預(yù)規(guī)劃柵格的距離。

將式(21)代入式(20)，分別選擇當(dāng)前柵格周?chē)? 個(gè)柵格(不計(jì)上一周期所在柵格，盡量避免USV 原地掉頭)作為下一移動(dòng)目標(biāo)，在其中選擇活性值最大的作為移動(dòng)目標(biāo)。

在實(shí)際海底地形測(cè)量過(guò)程中，無(wú)人艇所在區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，由于海底地形測(cè)量要求以及無(wú)人艇操縱性限制，在路徑規(guī)劃過(guò)程中可能出現(xiàn)鎖死現(xiàn)象，因此加入A*算法[20]作為疏導(dǎo)策略，尋找距離當(dāng)前位置最近的非障礙物柵格位置。同時(shí)，對(duì)A*所規(guī)劃路徑進(jìn)行平滑處理，使得無(wú)人艇最快速度到達(dá)指定柵格位置。

此外，在出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況時(shí)，如突然進(jìn)入測(cè)量區(qū)域的非合作船舶、水深變淺等，伴隨測(cè)量地圖的變化，進(jìn)行路徑重規(guī)劃工作，為防止再次將已完成測(cè)量的區(qū)域作為規(guī)劃區(qū)域，在進(jìn)行測(cè)量路徑重規(guī)劃時(shí)，將歷史形式區(qū)域神經(jīng)元活性值置-1，以保證測(cè)量工作的高效性。

在Matlab 仿真平臺(tái)下，設(shè)定測(cè)量地圖z柵格化后，行數(shù)Mc=30，列數(shù)Nc=29。隨機(jī)設(shè)置障礙物的位置及形狀，其仿真結(jié)果如圖2 所示。

可知，該路徑規(guī)劃方法可在復(fù)雜環(huán)境中較好地規(guī)劃出符合海底地形測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的梳型路徑，對(duì)所測(cè)區(qū)域進(jìn)行全覆蓋遍歷，且有效避免了規(guī)劃過(guò)程中出現(xiàn)規(guī)劃鎖死現(xiàn)象，以最快方式到達(dá)符合要求的下一規(guī)劃位置，繼續(xù)完成路徑規(guī)劃任務(wù)。這種方法在實(shí)際的復(fù)雜環(huán)境中具有較好的環(huán)境適應(yīng)性和安全性，尤其可較好地應(yīng)對(duì)未知海域島岸環(huán)境。

3 實(shí)航驗(yàn)證情況

基于水上水下一體化無(wú)人測(cè)量任務(wù)需求，以中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的“問(wèn)?！碧?hào)無(wú)人水面測(cè)量艇作為試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)本文提出的在線地圖構(gòu)建方法和完全遍歷路徑規(guī)劃方法在松花湖某區(qū)域進(jìn)行實(shí)航驗(yàn)證。

設(shè)定測(cè)量區(qū)域?yàn)?00×800 m 近岸水域，多波束掃描重復(fù)率設(shè)置值η=21%，測(cè)量狀態(tài)下的多波束開(kāi)角Ω=120°，基準(zhǔn)地圖柵格邊長(zhǎng)L=15，完全遍歷梳型路徑間距Lsd=50，即柵格邊長(zhǎng)，多波束射線可掃描的最遠(yuǎn)距離dl=200，則有行數(shù)Mc=15，列數(shù)Nc=13。輸入空白初始離線地圖，設(shè)定測(cè)量艇航行速度為4 kn，“問(wèn)海”號(hào)USV 通過(guò)搭載的導(dǎo)航雷達(dá)、深度計(jì)、多波束、激光掃描儀等設(shè)備，自主感知環(huán)境信息按照文中所設(shè)計(jì)方法進(jìn)行地圖構(gòu)建，實(shí)時(shí)更新基準(zhǔn)地圖，當(dāng)歷史規(guī)劃路徑與現(xiàn)地圖環(huán)境沖突時(shí)，進(jìn)行路徑重規(guī)劃，無(wú)人艇對(duì)規(guī)劃路徑進(jìn)行實(shí)時(shí)的軌跡跟蹤，按此步驟直至完成設(shè)定區(qū)域的水上水下一體化測(cè)量?？紤]到水深變化導(dǎo)致的USV 安全問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中加入等深線方向思路，同時(shí)自主更改測(cè)量區(qū)域的邊界情況，以此方式提高測(cè)量工作的效率。其實(shí)航試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 初始全局完全遍歷路徑規(guī)劃結(jié)果Fig. 3 Initial global complete traversal path planning result

圖4 初次基準(zhǔn)地圖構(gòu)建結(jié)果Fig. 4 Initial baseline map construction results

由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，在設(shè)定測(cè)量區(qū)域后，問(wèn)海號(hào)USV 可實(shí)時(shí)感知周?chē)h(huán)境。經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)的雷達(dá)感知信息柵格化處理以及占據(jù)概率計(jì)算形成數(shù)據(jù)更新源，實(shí)時(shí)改變基準(zhǔn)地圖，最終構(gòu)建測(cè)量地圖，經(jīng)過(guò)與實(shí)際的測(cè)量區(qū)域衛(wèi)星圖比對(duì)，地圖構(gòu)建精度滿足測(cè)量路徑規(guī)劃要求?；鶞?zhǔn)地圖的實(shí)時(shí)更新驅(qū)動(dòng)路徑規(guī)劃方法的重規(guī)劃功能，如圖5 和圖7 所示。此時(shí)USV 在圖中所示的起點(diǎn)位置附近，按照路徑規(guī)劃方法設(shè)計(jì)，其能夠在此種環(huán)境中進(jìn)行任意的梳型路徑規(guī)劃，且可保證避免規(guī)劃過(guò)程中的鎖死情況。通過(guò)圖8 和圖10 可知，基于完全遍歷路徑規(guī)劃方法，可實(shí)現(xiàn)待測(cè)區(qū)域的測(cè)量路徑全覆蓋。圖11 為一體化成圖效果，完成了水上水下的無(wú)縫拼接。然后對(duì)測(cè)量質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，多波束測(cè)深儀測(cè)量?jī)?nèi)均方差不大于0.03 m，可形成1∶500 數(shù)字高程地圖。該結(jié)果滿足測(cè)量精度和測(cè)量效率的要求，即本文提出的在線地圖構(gòu)建方法以及完全遍歷路徑規(guī)劃方法設(shè)計(jì)合理可行，測(cè)量結(jié)果滿足海洋工程地形測(cè)量規(guī)范要求。

圖5 初次路徑重規(guī)劃結(jié)果Fig. 5 Result of the initial path replanning

圖6 二次雷達(dá)感知信息處理結(jié)果Fig. 6 Results of secondary radar sensing information processing

圖7 二次路徑重規(guī)劃結(jié)果Fig. 7 Result of the secondary path replanning

圖8 測(cè)量地圖構(gòu)建結(jié)果Fig. 8 Mapping and updating map construction results

圖9 測(cè)量區(qū)域衛(wèi)星圖截圖Fig. 9 Screenshot of satellite image of measurement area

圖10 USV 航行路徑結(jié)果Fig. 10 USV navigation path result

圖11 水上水下一體化無(wú)人測(cè)量結(jié)果效果圖Fig. 11 Above and underwater integrated unmanned measurement result rendering

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)近岸水域周邊的地形測(cè)量需求，本文提出基于貝葉斯估計(jì)的在線地圖構(gòu)建方法和完全遍歷路徑規(guī)劃方法，給出了一種解決方案，并利用無(wú)人水面測(cè)量艇進(jìn)行了實(shí)航驗(yàn)證，測(cè)量結(jié)果滿足海洋工程地形測(cè)量規(guī)范要求。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果，分析可得出結(jié)論如下：

1）USV 搭載導(dǎo)航雷達(dá)、深度計(jì)、多波束測(cè)深儀及激光測(cè)距儀等設(shè)備，使用基于貝葉斯估計(jì)的在線地圖構(gòu)建方法，該基準(zhǔn)地圖與實(shí)際環(huán)境相比平均誤差不大于15 m，可保證無(wú)人艇航行安全；

（2）基于在線地圖構(gòu)建結(jié)果，通過(guò)完全遍歷路徑規(guī)劃方法得到符合近岸水域地形測(cè)量要求的規(guī)劃路徑。USV 依據(jù)規(guī)劃路徑內(nèi)容執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)預(yù)定水域水上水下地形測(cè)量的全覆蓋，可使多波束點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)縫拼接，測(cè)量結(jié)果滿足海洋工程地形測(cè)量規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，即表明了設(shè)計(jì)方案的可行性。

按本文方法設(shè)計(jì)，USV 在搭載指定設(shè)備后，可自主完成近岸水域地形的測(cè)量工作。