水面無人艇環(huán)境感知系統(tǒng)研究

關(guān)鍵詞：水面無人艇；環(huán)境感知；艇載傳感器

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）28-0099-03

0 引言

水面無人艇（Unmanned Surface Vehicle，USV） 作為一種新質(zhì)海上力量，它的研究和發(fā)展對(duì)維護(hù)我國(guó)海洋權(quán)益具有重要意義。USV是一種具有自主導(dǎo)航、自主避障和自主決策控制等功能的無人平臺(tái)，主要包括動(dòng)力與推進(jìn)系統(tǒng)、決策控制系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等[1]。其中，決策控制系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)是其最核心的系統(tǒng)，決定了無人艇自主等級(jí)和智能程度。決策控制系統(tǒng)的運(yùn)行需要環(huán)境感知系統(tǒng)提供必要信息，因此，環(huán)境感知系統(tǒng)是無人艇自主控制的第一步。

本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外多型無人艇裝備調(diào)研基礎(chǔ)上，系統(tǒng)概述了USV環(huán)境感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，總結(jié)并分析了USV 常用的傳感器設(shè)備和各自優(yōu)缺點(diǎn)，剖析了USV在復(fù)雜海面環(huán)境下實(shí)現(xiàn)精確感知存在的挑戰(zhàn)和關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望，為我國(guó)無人艇環(huán)境感知技術(shù)研究提供了思路。

1 無人艇環(huán)境感知系統(tǒng)

環(huán)境感知系統(tǒng)類比于人類和高等動(dòng)物的感覺系統(tǒng)，通過安裝在平臺(tái)上的各類傳感器獲取自身信息以及周邊環(huán)境數(shù)據(jù)。對(duì)這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，將融合的態(tài)勢(shì)信息傳送給決策控制系統(tǒng)，為其提供環(huán)境態(tài)勢(shì)信息。

1.1 USV 環(huán)境感知系統(tǒng)的作用

1.1.1 為自主決策系統(tǒng)提供環(huán)境信息

無人系統(tǒng)之所以能夠“無須”操作者的干預(yù)，其關(guān)鍵在于它具有一定程度的自主性[2]。USV的路徑規(guī)劃能力是其自主化水平的直接體現(xiàn)。在航行前， USV可利用電子海圖獲取全局環(huán)境信息，以進(jìn)行全局路徑規(guī)劃。然而，當(dāng)USV按已規(guī)劃的全局路徑航行，遇到動(dòng)態(tài)障礙物時(shí)，就需要根據(jù)當(dāng)前傳感器感知的局部環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)局部路徑規(guī)劃。只有感知系統(tǒng)對(duì)局部環(huán)境做到快速精準(zhǔn)地感知，自主決策系統(tǒng)結(jié)合避碰規(guī)則實(shí)時(shí)避障，才能提高USV的生存能力和任務(wù)執(zhí)行效率，這也是環(huán)境感知系統(tǒng)最核心的功能。

1.1.2 基于載荷任務(wù)的其他功能

無人艇可以根據(jù)任務(wù)需求搭載不同的環(huán)境感知載荷。在巡邏警戒、偵察監(jiān)視等任務(wù)中，通過搭載光電相機(jī)、紅外探測(cè)等設(shè)備獲取信息；在執(zhí)行水下目標(biāo)探測(cè)任務(wù)時(shí)，搭載不同類型的聲吶設(shè)備；在編隊(duì)行動(dòng)時(shí)，需要毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等設(shè)備精確定位。總之，環(huán)境感知系統(tǒng)對(duì)無人艇任務(wù)執(zhí)行具有重要作用。

1.2 USV 環(huán)境感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無人艇環(huán)境感知系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩方面組成。其中，硬件系統(tǒng)包括傳感器設(shè)備和感知工控機(jī)，軟件系統(tǒng)安裝在感知工控機(jī)中用于對(duì)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行不同需求的處理，按照部署位置不同可分為艇載端和岸基端。

1.2.1 硬件系統(tǒng)

表1列出了各國(guó)主要型號(hào)USV的載荷情況。USV 上常用的傳感器設(shè)備主要包括雷達(dá)設(shè)備、視覺傳感器和聲吶探測(cè)設(shè)備。雷達(dá)設(shè)備分為激光雷達(dá)與導(dǎo)航雷達(dá)兩類，能夠結(jié)合定位設(shè)備精確計(jì)算周邊水面目標(biāo)的位置，有助于無人艇進(jìn)行自主避碰與路徑規(guī)劃。視覺傳感器則包括可見光攝像頭與紅外攝像頭，能夠同時(shí)捕捉場(chǎng)景的光學(xué)圖像與紅外圖像。聲吶探測(cè)設(shè)備分為主動(dòng)式與被動(dòng)式，分別用于對(duì)水下環(huán)境進(jìn)行測(cè)量與監(jiān)聽。各傳感器采集的數(shù)據(jù)在工控機(jī)中進(jìn)行處理與融合，自動(dòng)識(shí)別無人艇周邊的各類目標(biāo)，建立周邊環(huán)境態(tài)勢(shì)。

航海雷達(dá)是無人水面艇最主要的感知設(shè)備，為無人艇路徑規(guī)劃和自主航行提供重要信息。航海雷達(dá)相較其他傳感器，探測(cè)距離遠(yuǎn)、范圍廣，探測(cè)距離能夠達(dá)到幾十甚至上百公里，是無人艇不可或缺的感知設(shè)備。但其探測(cè)精度不高，存在小目標(biāo)漏檢、近距離盲區(qū)等問題，通常與其他傳感器搭配使用，形成互補(bǔ)。

激光雷達(dá)測(cè)距精度高，能夠以較高的頻率提供周圍環(huán)境的三維點(diǎn)云信息，與其他距離傳感器相比，能兼顧精度要求和速度要求，這使其特別適用移動(dòng)無人平臺(tái)。此外，激光雷達(dá)對(duì)工作環(huán)境光沒有要求，而且在黑暗中測(cè)量效果更好。但是，激光雷達(dá)無法獲得環(huán)境的色彩信息，不利于目標(biāo)的精確識(shí)別，在雨雪煙塵環(huán)境中其測(cè)量精度也會(huì)受到影響。

可見光攝像頭是當(dāng)前無人平臺(tái)環(huán)境感知系統(tǒng)必備的傳感器，具有采集速度快、信息豐富等特點(diǎn)，且數(shù)據(jù)利用率高。近年來，隨著機(jī)器視覺和人工智能技術(shù)的發(fā)展，基于圖像和視頻的目標(biāo)識(shí)別、場(chǎng)景理解等任務(wù)越來越可靠，使其成為無人系統(tǒng)必不可少的傳感器。它的缺點(diǎn)主要是容易受到光線的干擾、距離信息估計(jì)精度較低。

紅外攝像頭是一種非接觸式被動(dòng)測(cè)量傳感器，它通過感受紅外光線成像。紅外傳感器對(duì)環(huán)境無特殊要求，能夠全天候工作，在夜晚、逆光、強(qiáng)光等環(huán)境下可以彌補(bǔ)可見光攝像頭的短板，更好地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，使其成為無人系統(tǒng)中不可或缺的傳感器。

聲吶探測(cè)設(shè)備是利用聲波在水下的傳播特性，通過電聲轉(zhuǎn)換和信息處理進(jìn)行測(cè)距和通訊的電子設(shè)備，廣泛應(yīng)用于海洋勘探、水文測(cè)量、海底地質(zhì)地貌勘測(cè)等領(lǐng)域。聲吶設(shè)備種類繁多，按工作方式可以分為被動(dòng)聲吶和主動(dòng)聲吶；按安裝位置不同可分為艦殼聲吶、拖曳聲吶、吊放聲吶及聲吶浮標(biāo)等[3]，另外還可以分為單波束聲吶和多波束聲吶，不同噸位的USV根據(jù)其使命任務(wù)組合配置一種或多種聲吶。

感知工控機(jī)按照配置位置可分為艇載和岸基兩類。艇載工控機(jī)能直接與感知設(shè)備和控制器相連，無須遠(yuǎn)程通信，數(shù)據(jù)處理反饋及時(shí)，能大大提高控制系統(tǒng)的決策速度。岸基工控機(jī)與感知設(shè)備和控制器之間通過無線連接，通信距離和速度有限，不能實(shí)時(shí)響應(yīng)，但能讓人直觀了解無人艇周圍環(huán)境態(tài)勢(shì)，便于人員操作控制。

1.2.2 軟件系統(tǒng)

環(huán)境感知系統(tǒng)的軟件組成形式多樣，不同功能的無人艇對(duì)感知功能需求不同，常見軟件模塊如圖1所示。其中，感知設(shè)備數(shù)據(jù)處理分析模塊部署在艇載工控機(jī)上，目的是快速分析周圍目標(biāo)屬性、位置；綜合信息監(jiān)控模塊、綜合信息管理模塊則部署在岸基工控機(jī)上，綜合信息監(jiān)控模塊主要作用是對(duì)無人艇周邊環(huán)境態(tài)勢(shì)建模和可視化，綜合信息管理模塊主要是對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)和管理等。

2 環(huán)境感知系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

USV通過其搭載的各類傳感器來獲得周圍環(huán)境的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這是無人艇“感”的過程。然而，這些原始數(shù)據(jù)往往具有龐大的數(shù)據(jù)量和高度復(fù)雜性，包含大量冗余和無效信息，無法直接被自主決策系統(tǒng)利用。要想實(shí)現(xiàn)無人艇可靠的“知”覺，必須依靠感知系統(tǒng)對(duì)原始環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和理解，最終形成實(shí)時(shí)的場(chǎng)景態(tài)勢(shì)信息，指導(dǎo)無人艇自主航行和任務(wù)決策。環(huán)境感知系統(tǒng)通常涉及多種技術(shù)，如數(shù)字圖像處理、雷達(dá)數(shù)據(jù)處理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)視覺和信息融合等[4]。

2.1 數(shù)字圖像處理

數(shù)字圖像處理技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理分析的技術(shù)，主要包括圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像編碼、圖像壓縮、圖像分割、圖像描述和分類識(shí)別等方面，是計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的基礎(chǔ)，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。在無人平臺(tái)上，諸多傳感器數(shù)據(jù)以圖像形式展現(xiàn)，如攝像頭采集的可見光圖像、紅外圖像，導(dǎo)航雷達(dá)生成的雷達(dá)圖像，圖像聲吶生成的聲圖?；趫D像數(shù)據(jù)的感知，旨在通過一些處理算法，從圖像、視頻中提取目標(biāo)，理解環(huán)境。

2.2 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理和雷達(dá)信號(hào)處理一樣，都是現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分。信號(hào)處理用于檢測(cè)目標(biāo)，利用一定的方法獲取目標(biāo)的距離、速度和目標(biāo)形狀等信息；而數(shù)據(jù)處理則可以進(jìn)一步對(duì)目標(biāo)的點(diǎn)跡和航跡進(jìn)行處理，預(yù)測(cè)目標(biāo)未來時(shí)刻的位置，形成可靠的目標(biāo)航跡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

無人艇上的激光雷達(dá)與多波束聲吶等傳感器，其探測(cè)數(shù)據(jù)常以三維點(diǎn)云形式呈現(xiàn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的主要研究?jī)?nèi)容包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云分割、目標(biāo)檢測(cè)等。由于設(shè)備性能和環(huán)境隨機(jī)因素，采集的數(shù)據(jù)難免存在一些異常點(diǎn)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理就是通過濾波技術(shù)去除這些孤立點(diǎn)，降低其對(duì)后續(xù)處理精度的影響；點(diǎn)云分割是將屬性相近且空間鄰域的點(diǎn)劃分為一類，從而在大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取感興趣的對(duì)象；目標(biāo)檢測(cè)則是在分割的基礎(chǔ)上，根據(jù)對(duì)象的特征識(shí)別不同的目標(biāo)。

2.4 計(jì)算機(jī)視覺

計(jì)算機(jī)視覺（Computer Vision，CV）是一門用計(jì)算機(jī)模擬生物視覺的學(xué)科，就是讓計(jì)算機(jī)代替人眼實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別、分類、跟蹤和場(chǎng)景理解。計(jì)算機(jī)視覺是人工智能的重要分支，涉及圖像處理、機(jī)器學(xué)習(xí)和模式識(shí)別等技術(shù)，是目前人工智能最為熱門的研究方向之一，在無人駕駛中發(fā)揮重要作用。

2.5 信息融合

單一類型的傳感器某一采樣時(shí)刻只能獲取環(huán)境的1個(gè)片面數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)顏色信息、紋理信息豐富，目標(biāo)識(shí)別能力強(qiáng)，能夠讓無人艇具有“畫面感”，點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以獲得目標(biāo)空間位置和三維信息，能夠讓無人艇具有“空間感”。不同的傳感器感知范圍和能力有所不同，因此實(shí)現(xiàn)多種傳感器信息融合，能夠克服單一傳感器的缺點(diǎn)，形成互補(bǔ)。不同的融合層次涉及不同的算法和模型，目前，多傳感器信息融合算法有加權(quán)平均法、卡爾曼濾波法、貝葉斯推理法、統(tǒng)計(jì)決策理論、模糊理論法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[5]。

3 結(jié)論與展望

環(huán)境感知、智能決策和控制執(zhí)行是無人駕駛的關(guān)鍵技術(shù)。其中，環(huán)境感知是其他技術(shù)的基礎(chǔ)，為智能決策和控制執(zhí)行提供依據(jù)，環(huán)境感知能力的強(qiáng)弱直接決定了無人艇自主能力。本文圍繞USV環(huán)境感知系統(tǒng)功能、軟硬件結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。為適應(yīng)未來瞬息萬變、多域立體的海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，USV應(yīng)朝著以下幾個(gè)方面研究發(fā)展：

3.1 高智能化

當(dāng)前，USV已展現(xiàn)出一定的自主能力，如目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、自主避障等，但在復(fù)雜環(huán)境或任務(wù)中，其自主性仍有待提升。要實(shí)現(xiàn)USV的高智能化，還需要從提升傳感器信息融合算法性能、動(dòng)態(tài)環(huán)境建模與預(yù)測(cè)和編隊(duì)協(xié)同態(tài)勢(shì)構(gòu)建等方向著手?？傊?，無人艇環(huán)境感知系統(tǒng)的高度智能化是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。

3.2 高模塊化

首先，通過制定系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和接口規(guī)范，使得各個(gè)模塊能夠按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)集成，讓更多技術(shù)人員參與研發(fā)，能大大縮短裝備迭代周期，降低風(fēng)險(xiǎn)和成本。其次，模塊化的設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，讓無人艇成為一個(gè)通用平臺(tái)，不同的模塊集成可以執(zhí)行不同的任務(wù)，大大提高了無人艇裝備的作戰(zhàn)能力。

3.3 強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力

海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變對(duì)環(huán)境感知來說是巨大挑戰(zhàn)，因此，須加強(qiáng)感知技術(shù)的適應(yīng)性研究，確保感知系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)各種氣候與環(huán)境變化，具備一定的自適應(yīng)能力，以穩(wěn)定可靠地執(zhí)行任務(wù)。

3.4 強(qiáng)自學(xué)習(xí)能力

深度學(xué)習(xí)模型大都依賴訓(xùn)練數(shù)據(jù)，一次性訓(xùn)練成型的方式難以滿足復(fù)雜多變的海面環(huán)境變化。針對(duì)該問題，可以考慮改進(jìn)模型訓(xùn)練方式，嘗試研究自學(xué)習(xí)式、迭代式的訓(xùn)練方式，以更好地適應(yīng)海面環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化。