改進人工勢場法的無人船航行自動避障系統(tǒng)

余海洋

（常州大學(xué)，江蘇 常州 213164）

0 引言

在水上作業(yè)技術(shù)日臻成熟的背景下，利用無人船進行水上作業(yè)的方式越來越廣泛。無人船不需要人工遙控，可依據(jù)自身攜帶的衛(wèi)星定位裝置和傳感裝置在水面上自由航行，其可用于水環(huán)境監(jiān)測、科研勘探、測繪以及救援等多種需求[1,2]。受無人船作業(yè)區(qū)域水環(huán)境復(fù)雜影響，其作業(yè)區(qū)域會存在漂浮的障礙物或者固定障礙物，阻擋無人船航行甚至造成無人船傾覆。為使無人船實現(xiàn)自動避障，很多學(xué)者設(shè)計了無人船自動避障系統(tǒng)。畢衛(wèi)紅等[3]設(shè)計了多線激光雷達的避障系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用激光雷達獲得當(dāng)前無人船在水上環(huán)境周圍的連續(xù)數(shù)據(jù)，再通過對障礙物點云進行過濾、聚類和分割處理后，得到障礙物實際位置，然后使用A*算法規(guī)劃無人船航線后，實現(xiàn)無人船避障。羅賢程等[4]設(shè)計船舶自動避障系統(tǒng)，該系統(tǒng)將無人船航跡劃分為航跡保持、避讓以及復(fù)航3 個階段，然后對無人船航行環(huán)境進行建模后，通過控制無人船舵角實現(xiàn)避障。以上系統(tǒng)雖均可實現(xiàn)無人船航行避障，但均存在運行穩(wěn)定性欠佳問題，因此應(yīng)用范圍不夠廣泛。人工勢場法屬于路徑規(guī)劃算法的一種，其基本思想是通過目標(biāo)在周圍環(huán)境中的運行行為，利用抽象人造引力勢場規(guī)劃平滑、安全的路徑，該種路徑規(guī)劃方法被應(yīng)用在交通指揮、機器人巡檢、船舶避障等多個領(lǐng)域[5]。在此針對人工勢場法存在的缺陷加以改進，以其為基礎(chǔ)，設(shè)計改進人工勢場法的無人船航行自動避障系統(tǒng)，為無人船航行提供有效的避障手段。

1 無人船航行自動避障系統(tǒng)設(shè)計

無人船航行自動避障系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。無人船航行自動避障系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由信息感知與處理模塊、反饋模塊決策模塊和避障控制執(zhí)行模塊組成。其中信息感知與處理模型將氣象預(yù)報、海事安全和無人船航行計劃存儲到岸基數(shù)據(jù)庫后，通過衛(wèi)星通信方式將其傳輸?shù)酱藬?shù)據(jù)庫內(nèi)，同時反饋模型將無人船當(dāng)前航向、航速和航行環(huán)境圖像發(fā)送到信息感知與處理模塊中的感知信息融合單元內(nèi)，將融合后的無人船航向、航速等信息存儲到船端基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫內(nèi)。決策模塊通過調(diào)取船端基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫內(nèi)無人船航行信息后，對其當(dāng)前航行環(huán)境中的障礙物進行識別后，依據(jù)該識別結(jié)果使用改進人工勢場的碰撞路徑規(guī)劃單元規(guī)劃無人船航行路徑。再將路徑規(guī)劃結(jié)果發(fā)送到避障控制執(zhí)行模塊內(nèi)，該模塊通過無人船載控單元控制無人船動力體系運行，實現(xiàn)無人船航行自動避障。

圖1 無人船航行自動避障系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the automatic obstacle avoidance system for man ship navigation

1.1 無人船載控單元硬件設(shè)計

無人船航行自動避障系統(tǒng)的載控單元硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。無人船載控單元硬件包括接收機、遙控器、數(shù)傳模塊、陀螺儀、電機等多種硬件，其通過遙控器和QGC 指令向無人船發(fā)送路徑規(guī)劃航行信息，使用接收機和數(shù)傳模塊將控制指令發(fā)送到船載控制芯片內(nèi)，通過該芯片連接無人船電機、舵機等硬件，將其發(fā)送控制指令，無人船載控單元主要是負(fù)責(zé)接收指令并將其傳輸?shù)綗o人船動力體系內(nèi)。

圖2 無人船載控單元硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of unmanned ship control unit

1.2 無人船動力設(shè)計

無人船的動力源為鋰電池，其為無人船航行提供動力，無人船動力裝置結(jié)構(gòu)如圖3 所示。無人船動力裝置連接系統(tǒng)載控單元，通過DTU 無線終端與無人船的DSP 控制單元相連。使用12 V 鋰電池為其供電，鋰電池可直接輸電到DSP 控制單元或經(jīng)過DC/DC 轉(zhuǎn)換單元將12 V 電壓轉(zhuǎn)換成5 V 電壓輸入到DSP 控制單元。DSP 控制單元通過驅(qū)動程序啟動推進電機，通過推進電機驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動。同時DC/DC 轉(zhuǎn)換單元將電壓轉(zhuǎn)換成24 V，驅(qū)動數(shù)字舵機，通過數(shù)字舵機控制無人船轉(zhuǎn)向軸，控制無人船轉(zhuǎn)向。

圖3 無人船動力裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Unmanned ship power system structure

1.3 無人船航行環(huán)境障礙物識別程序設(shè)計

系統(tǒng)決策模塊內(nèi)航行環(huán)境障礙物識別單元負(fù)責(zé)識別無人船當(dāng)前航行環(huán)境中存在的障礙物，其障礙物識別過程如下：

步驟1無人船航行環(huán)境圖像濾波去噪處理。

步驟2確定當(dāng)前無人船航行環(huán)境圖像分辨率是否為400×400。

步驟3將無人船航行環(huán)境圖像等分劃分為40 個網(wǎng)格。

步驟4在每個網(wǎng)格中逐個判斷當(dāng)前像素點是否為白色，若是則認(rèn)為該像素點位置為障礙物位置[6]，對該位置進行標(biāo)記。

步驟5使用十六進制到十進制信息轉(zhuǎn)換方式將標(biāo)記為障礙物的像素點進行轉(zhuǎn)換處理后[7]，得到當(dāng)前障礙物實際位置，由此完成無人船航行環(huán)境障礙物識別程序設(shè)計。

1.4 基于改進人工勢場法的無人船路徑規(guī)劃

人工勢場法屬于虛擬力法，其將無人船航行的目的地看作是引力場而環(huán)境中的障礙物為斥力場，無人船在引力場和斥力場共同作用下向著目標(biāo)前進。因此無人船勢場斥力函數(shù)隨著其航行距離縮小而增大。以無人船航行環(huán)境中的障礙物位置為基礎(chǔ)，令g0表示無人船最小安全距離，g表示當(dāng)前無人船距離障礙物距離，當(dāng)g→g0，斥力值Frep則趨近于無窮大，因此無人船的斥力計算公式為：

式中：ZR表示當(dāng)前無人船位置；Kr為斥力場常量；Z0表示障礙物當(dāng)前位置；g(ZR,Z0)2表示一個矢量；gm表示斥力場影響距離。

由于斥力場引力函數(shù)受無人船目標(biāo)位置和其自身運動影響，在使用人工勢場法規(guī)劃無人船避障路徑時，弱化了目標(biāo)對無人船自身的吸引作用，無法形成連貫的航行路徑，在此為每個航行路徑單位長度引入一個質(zhì)點，通過質(zhì)點調(diào)整來描述無人船移動。無人船當(dāng)前勢場的拉力Falt(ZR)計算公式為：

式中：Ka表示引力場常量；ZC表示引力源位置，該引力源即為相鄰質(zhì)點。

結(jié)合式（1）和式（2），則無人船在斥力和引力作用下的合力表達式為：

無人船在人工勢場內(nèi)行駛的路徑即為避障規(guī)劃路徑。

2 性能測試與分析

以某測繪無人船作為實驗對象，該無人船尺寸為1.05 m×0.55 m，船體材質(zhì)為碳纖維，總重量為10 kg，可抗3 級風(fēng)和0.5 m 高的浪，最小工作水深為0.2 m，最高航行速度為0.5 m/s。使用本文系統(tǒng)控制該無人船進行避障，分析驗證本文系統(tǒng)實際應(yīng)用效果。

首先驗證本文系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行是其應(yīng)用的基礎(chǔ)，以系統(tǒng)運行時的性能損失值作為衡量指標(biāo)，測試在運行線程數(shù)量不同情況下的本文系統(tǒng)性能損失情況，并設(shè)置系統(tǒng)性能損失閾值為10%，測試結(jié)果如圖4 所示。分析可知，本文系統(tǒng)在運行時，其運行線程數(shù)量低于20 個時，系統(tǒng)的性能損失值微乎其微，但當(dāng)運行線程超過20 個后，系統(tǒng)的性能損失值呈現(xiàn)上升趨勢。在線程數(shù)量為90 個時，本文系統(tǒng)的性能損失值為7%左右，該數(shù)值低于預(yù)設(shè)閾值。上述結(jié)果說明：本文系統(tǒng)在多線程環(huán)境下運行時，系統(tǒng)性能損失值較小，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性能較好。

圖4 系統(tǒng)運行穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.4 System operation stability test results

驗證本文系統(tǒng)識別障礙物能力，以某水面區(qū)域為實驗對象，使用本文方法識別該區(qū)域障礙物，識別結(jié)果如圖5 所示。分析可知，在該無人船航行區(qū)域內(nèi)共存在8 個障礙物，其分布較為分散，使用本文系統(tǒng)可有效識別8 個障礙物，說明本文系統(tǒng)識別障礙物能力較好，也從側(cè)面說明本文系統(tǒng)對無人船的自主避障能力較強。

圖5 障礙物識別結(jié)果Fig.5 Obstacle Identification results

以該無人船某個執(zhí)行任務(wù)區(qū)域為實驗對象，該區(qū)域內(nèi)存在若干個不規(guī)則分布的障礙物，使用本文系統(tǒng)控制該無人船進行避障，規(guī)劃其路徑，結(jié)果如圖6 所示。分析可知，在無人船執(zhí)行任務(wù)區(qū)域內(nèi)，存在眾多的障礙物，而本文系統(tǒng)規(guī)劃其避障路徑后，可以最短的距離使無人船到達終點，且在路徑上，無人船距離障礙物位置較遠(yuǎn)。結(jié)果說明：本文系統(tǒng)可有效為無人船規(guī)劃路徑，使其躲避障礙物，本文系統(tǒng)具備較為顯著的應(yīng)用效果。

圖6 無人船避障路徑規(guī)劃結(jié)果Fig.6 Planning results of obstacle avoidance path for unmanned ships

3 結(jié)語

本文設(shè)計改進人工勢場法的無人船航行自動避障系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中運用人工勢場法為無人船航行規(guī)劃避障路徑，并針對人工勢場法存在的缺陷，引入相鄰質(zhì)點對其進行改進處理。經(jīng)過實驗驗證，本文系統(tǒng)運行穩(wěn)定性能較好，在多線程運行環(huán)境中，本文系統(tǒng)性能損失數(shù)值較少，可有效識別無人船航行環(huán)境中的障礙物并規(guī)劃其避障路徑，應(yīng)用效果較好。