無(wú)人船航行規(guī)劃和目標(biāo)跟蹤方法分析

都廣斌 陶瑞 雷震 吳雨峰 張明宇*

（1.珠海云洲智能科技有限公司 廣東省珠海市 519080 2.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院 吉林省長(zhǎng)春市 130052）

無(wú)人船的應(yīng)用前景非常廣泛，未來(lái)無(wú)人船項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)可以應(yīng)用于海上交通工具以及海上信息情報(bào)工作等。當(dāng)前我國(guó)的無(wú)人船開(kāi)發(fā)正在邁向正軌，有必要提升其航行規(guī)劃和目標(biāo)跟蹤的便捷性和準(zhǔn)確性，從而為無(wú)人船實(shí)現(xiàn)脫離人為操作、實(shí)現(xiàn)全自主航行提供重要技術(shù)支撐，強(qiáng)化我國(guó)海事作業(yè)的綜合能力。

1 無(wú)人船研究背景

1.1 無(wú)人船研究歷程

無(wú)人船研究開(kāi)始得相對(duì)較晚，2007年，美國(guó)海軍的《海軍無(wú)人水面艇主計(jì)劃》以技術(shù)成熟但應(yīng)用不成熟、技術(shù)不成熟兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分無(wú)人水面艇技術(shù)，為海軍無(wú)人船舶的研究提供了重要的參考依據(jù)。2012年，歐洲委員會(huì)（European Commissions）向多家無(wú)人船試驗(yàn)開(kāi)發(fā)單位提供了380 萬(wàn)美元的資助。2013年，美國(guó)國(guó)防部發(fā)布的《無(wú)人系統(tǒng)路線圖》對(duì)無(wú)人艇未來(lái)的技術(shù)發(fā)展做出了詳細(xì)的規(guī)劃，計(jì)劃未來(lái)5年內(nèi)集中于無(wú)人船相關(guān)的傳感器和通信技術(shù)的研究，未來(lái)10年內(nèi)集中于增加作業(yè)任務(wù)、擴(kuò)展作業(yè)范圍技術(shù)的研究，未來(lái)25年內(nèi)集中于自動(dòng)避碰避障等自助系統(tǒng)，提高無(wú)人船艇作業(yè)的自主性方面的研究[1]。

1.2 無(wú)人船研究意義

傳統(tǒng)的航線設(shè)計(jì)和目標(biāo)跟蹤都需要依靠人工分析靜態(tài)海圖，查閱航海文獻(xiàn)資料，手工繪制航海路線圖，但是這種方法準(zhǔn)確性和效率其實(shí)并不高。隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，以數(shù)據(jù)為中心的智慧海事建設(shè)逐步成為海事信息化發(fā)展的新理念，現(xiàn)代無(wú)人船的技術(shù)也在大數(shù)據(jù)庫(kù)、人工智能技術(shù)、智能識(shí)別技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信、云計(jì)算、傳感器技術(shù)的發(fā)展中得到了完善。在全球一體化的影響下，我國(guó)的海洋經(jīng)濟(jì)正在蓬勃發(fā)展的道路上不斷前行，各式各樣的水上活動(dòng)也隨之增多，尤其在海運(yùn)產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，無(wú)人船技術(shù)的開(kāi)發(fā)可以極大地節(jié)約人工成本，提高運(yùn)輸效率。另外，無(wú)人船的研究開(kāi)發(fā)可以讓無(wú)人船更好地適應(yīng)海上氣候，從而在水質(zhì)監(jiān)測(cè)、海上搜救等工作中得到廣泛應(yīng)用。

2 無(wú)人船航行規(guī)劃和目標(biāo)跟蹤運(yùn)行機(jī)制分析

2.1 無(wú)人船航行規(guī)劃運(yùn)行機(jī)制分析

2.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件裝備：

（1）GNSS 設(shè)備：GNSS 為船只提供自身所運(yùn)行的方向以及當(dāng)前所處的經(jīng)緯位置，無(wú)人船選用廈門(mén)新諾科技有限公司的船用GNSS 導(dǎo)航儀希圖-HM-1507,其參數(shù)為：

顯示器：800*480 分辨率，7 英寸LED 顯示屏。

圖1：無(wú)人船航行規(guī)劃流系統(tǒng)運(yùn)行圖

圖2：無(wú)人船目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)程序流程圖

電路：12-40V。

精度：定位精度1.5 米。

波特率：默認(rèn)19200，支持修改。

通訊接口：RS-232，標(biāo)準(zhǔn)UART 通訊協(xié)議。

（2）雷達(dá)設(shè)備。雷達(dá)可以幫助無(wú)人船在其檢測(cè)區(qū)域內(nèi)鎖定目標(biāo)位置，以為船只數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供可靠的航域信息，幫助計(jì)算程序作出正確的決策。無(wú)人船采用上海無(wú)線電研究所（航天802 所）所定制的雷達(dá)設(shè)備，其參數(shù)為：

電路：12-24V 直流。

輸出功率：6kw。

測(cè)量范圍：1000m。

最小量程：25m。

掃描周期：3s。

通訊接口：CAN 協(xié)議接口，標(biāo)準(zhǔn)幀格式。

2.1.2 程序設(shè)計(jì)

無(wú)人船海上航行規(guī)劃的技術(shù)方法一般是根據(jù)各傳感器所采集的信息進(jìn)行運(yùn)算，決策航線，并派給執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行自主航行操作。其中采集系統(tǒng)所采集的信息包括船舶的速度、方向等自身運(yùn)行狀態(tài)信息，船舶周?chē)恼系K距離、風(fēng)力、風(fēng)向等海面環(huán)境信息，以及無(wú)人船在海面上的位置等關(guān)系狀態(tài)信息。采集系統(tǒng)將所收集的數(shù)據(jù)傳送至分析系統(tǒng)，對(duì)海面風(fēng)力、海水深度、障礙距離等信息進(jìn)行綜合分析，判斷可航行區(qū)域并規(guī)劃航行路線，同時(shí)選用智能算法生成航行距離最短的線路，并同其他信息任務(wù)一同輸入決策系統(tǒng)。無(wú)人船航行規(guī)劃程序設(shè)計(jì)包括決策層的智能決策程序、分析層的信息分析、執(zhí)行分析程序、上位機(jī)與下位機(jī)之間的信息傳遞程序和下位機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的信息傳遞程序，其能夠?qū)λ盏降男畔?、指令、任?wù)按照其內(nèi)容構(gòu)成的復(fù)雜程度分別傳遞至不同的決策系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)同時(shí)容納多道運(yùn)算同步進(jìn)行的高效率決策，由此提供更為實(shí)時(shí)的決策指令[2]。

2.1.3 系統(tǒng)運(yùn)行圖

無(wú)人船航行規(guī)劃流系統(tǒng)運(yùn)行圖如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

（1）采集系統(tǒng)：通過(guò)感知設(shè)備，對(duì)無(wú)人船的運(yùn)行狀態(tài)、航行位置、交通環(huán)境、水文環(huán)境、氣候環(huán)境、海浪等進(jìn)行檢測(cè)和采集，并根據(jù)航行需求對(duì)信息進(jìn)行初步的分類(lèi)和組合。

（2）決策系統(tǒng)：分析航行中障礙物的密度、距離、范圍和周邊海事情況，根據(jù)信息復(fù)雜程度、重要程度和需求頻率對(duì)信息進(jìn)行優(yōu)先排序并分配不同的決策渠道，并根據(jù)實(shí)際需要對(duì)初步分類(lèi)后的信息進(jìn)行處理，排除環(huán)境中非典型目標(biāo)的干擾，提取出更加精準(zhǔn)的環(huán)境信息，判斷安全航行的水域，并生成可行的路線段指令。

（3）執(zhí)行系統(tǒng)：根據(jù)收到來(lái)自決策系統(tǒng)的航線信息和航向指令對(duì)未來(lái)行駛中將要遇見(jiàn)的障礙物采取水平轉(zhuǎn)向、縱向加減速等繞行操作，并與決策系統(tǒng)保持雙向反饋，對(duì)航行過(guò)程中的意外危險(xiǎn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和反饋。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

（1）通過(guò)雷達(dá)識(shí)別障礙物的類(lèi)型、體積、分布程度、移動(dòng)狀態(tài)，結(jié)合障礙物信息生成智能無(wú)人船海面航行環(huán)境障礙分布圖，輔助子系統(tǒng)提供傳感器數(shù)據(jù)接收運(yùn)算、船舶控制的工控機(jī)、岸端主機(jī)以及通信模塊等信息，從而搭建出無(wú)人船雷達(dá)傳感系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

（2）通過(guò)GNSS 確定船舶自身經(jīng)緯度和航向角信息，并將數(shù)據(jù)錄入陸地電腦系統(tǒng)，為決策系統(tǒng)提供計(jì)算航行的速度和距離的參數(shù)。

有關(guān)產(chǎn)品內(nèi)分工與就業(yè)利益研究的爭(zhēng)議主要集中在發(fā)展中國(guó)家通過(guò)參與產(chǎn)品內(nèi)分工，是否減少了發(fā)達(dá)國(guó)家的就業(yè)崗位。從現(xiàn)有研究來(lái)看，一般認(rèn)為，發(fā)展中國(guó)家通過(guò)參與產(chǎn)品內(nèi)分工，拓寬了產(chǎn)品生產(chǎn)種類(lèi)，在延伸產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)上，擴(kuò)寬了就業(yè)渠道，有效增加了國(guó)內(nèi)的就業(yè)崗位，并且產(chǎn)品內(nèi)分工能夠?qū)σ粐?guó)的就業(yè)結(jié)構(gòu)或者說(shuō)就業(yè)需求產(chǎn)生一定的影響，但在這種影響的方向和強(qiáng)度上都存在著一定的爭(zhēng)議。

（3）確定數(shù)據(jù)的及時(shí)和準(zhǔn)確。在采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，由于設(shè)備、船舶航行的波動(dòng)等設(shè)備條件限制和環(huán)境因素的影響，所收集的數(shù)據(jù)信息會(huì)構(gòu)成一定的失真范圍，所以應(yīng)當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)和目標(biāo)識(shí)別，根據(jù)傳感器的有效掃描范圍剔除無(wú)效數(shù)據(jù)，并根據(jù)聚類(lèi)后各類(lèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，刪除點(diǎn)數(shù)較少的類(lèi)，得到更為精準(zhǔn)的障礙物分類(lèi)結(jié)果。[3]

（4）當(dāng)無(wú)人船雷達(dá)傳達(dá)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)完成海事信息建模之后，基于無(wú)人船程序系統(tǒng)對(duì)海上航行數(shù)據(jù)的搜索與計(jì)算和當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，采用智能計(jì)算系統(tǒng)對(duì)航海路徑進(jìn)行實(shí)時(shí)的生成和優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)全程全自主的無(wú)人船海上航行。

2.2 無(wú)人船目標(biāo)跟蹤運(yùn)行機(jī)制分析

2.2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1.1 功能設(shè)計(jì)

（1）控制器設(shè)計(jì)：為了穩(wěn)定航向，控制推進(jìn)器基礎(chǔ)控制電壓，控制量為控制電壓增量，通過(guò)對(duì)推進(jìn)器控制器增減的方式實(shí)現(xiàn)航向控制。

（2）方差分類(lèi)器：將圖片轉(zhuǎn)化為灰度圖片，計(jì)算出全部像素的方差值，通過(guò)與目標(biāo)區(qū)域的方差值進(jìn)行對(duì)比，排除方差過(guò)小的區(qū)域。

（3）位點(diǎn)跟蹤控制器：計(jì)算期望航向、無(wú)人船速度、航向以及采樣周期計(jì)算位移量，累加得到當(dāng)前時(shí)刻變量值，控制使無(wú)人船航行至期望位點(diǎn)。

2.2.1.2 程序設(shè)計(jì)

（1）物理特征識(shí)別：通過(guò)記錄該目標(biāo)的速度、速度誤差、歷史總位移和可信度對(duì)聚類(lèi)結(jié)果以外的類(lèi)簇進(jìn)行特征提取，劃分目標(biāo)類(lèi)型，為數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)提供依據(jù)。對(duì)目標(biāo)列表和類(lèi)簇列表進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而有效追蹤不同時(shí)刻的目標(biāo)，并將獲得同一目標(biāo)的連續(xù)信息集合起來(lái)。

對(duì)任一類(lèi)簇所屬網(wǎng)格的二維位置信息進(jìn)行分析，將第一主成分方向上的極差作為長(zhǎng)度，將第二主成分方向上的極差作為寬度，并取第一主成分的方向來(lái)表示姿態(tài)。此外，使用聚類(lèi)坐標(biāo)表示類(lèi)簇的位置，用類(lèi)簇所屬網(wǎng)格在最高位置矩陣中的最大值作為最高位置，最低位置矩陣中的最小值作為最低位置，用類(lèi)簇占據(jù)網(wǎng)格的總面積作為水平面投影面積，獲得類(lèi)簇的物理特征值。

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理：程序?qū)?duì)雷達(dá)在每個(gè)周期內(nèi)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)盡量保留有效信息，減小數(shù)據(jù)規(guī)模，以便后續(xù)處理的數(shù)據(jù)形式。[4]

（3）數(shù)據(jù)分割：將沒(méi)有關(guān)聯(lián)的雷達(dá)數(shù)據(jù)分割為不同的類(lèi)簇，用以分離靜態(tài)障礙物和動(dòng)態(tài)目標(biāo)。對(duì)噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行處理，將非凸數(shù)據(jù)集進(jìn)行聚類(lèi)，分離出局部地圖中的靜態(tài)障礙物和動(dòng)態(tài)目標(biāo)。

程序流程圖：如圖2所示。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）試驗(yàn)?zāi)康?。使無(wú)人船程序能夠?qū)ν饨绛h(huán)境準(zhǔn)確感知，并根據(jù)收集到的信息對(duì)移動(dòng)目標(biāo)與船身的位置形成相對(duì)關(guān)系計(jì)算，由二維的平面軌跡計(jì)算進(jìn)化出包含著更多環(huán)境感知模塊的三維立體模型。使無(wú)人船能夠區(qū)分海上動(dòng)態(tài)障礙物和跟蹤目標(biāo)，并且能在多個(gè)相似變量的情況下排除干擾，繼續(xù)保持對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)追蹤，能夠在船體自身、障礙物、海面氣候、目標(biāo)狀態(tài)信息和預(yù)測(cè)信息調(diào)整隨后的運(yùn)行方向、速度等，并生成應(yīng)急方案，在有突發(fā)情況進(jìn)行臂章、停船、掉頭等操作的同時(shí)不對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)生干擾，保持穩(wěn)定的航行能力。最終讓無(wú)人船能夠取代或輔助人工前往制定海域執(zhí)行偵察巡航、收集數(shù)據(jù)、事故救援等任務(wù)。

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。使用分類(lèi)器分別對(duì)海面上的障礙物按照目標(biāo)與干擾因素進(jìn)行歸類(lèi)并發(fā)送給計(jì)算系統(tǒng)，作為避碰的參考依據(jù)，將無(wú)人船GNSS 所提供的位置的矢量方向作為目標(biāo)航向，減少路徑運(yùn)算誤差，利用計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)置程序?qū)β窂竭M(jìn)行篩選和優(yōu)化，使用航向控制器控制無(wú)人船進(jìn)行目標(biāo)跟蹤航行。動(dòng)態(tài)目標(biāo)追蹤過(guò)程中，在設(shè)定好一定的數(shù)據(jù)指令后，將觸發(fā)對(duì)該動(dòng)態(tài)目標(biāo)的跟蹤航行，直到跟蹤目標(biāo)消失或系統(tǒng)接到停止跟蹤的命令[6]。

3 無(wú)人船的應(yīng)用前景分析

3.1 海上搜救

無(wú)人船根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)于障礙物的精準(zhǔn)分類(lèi)，可以在海運(yùn)事故、空難事故的海面現(xiàn)場(chǎng)對(duì)施救對(duì)象進(jìn)行快速定位并為海上人員提供自主救援的物資設(shè)備，在黃金救援時(shí)間內(nèi)為海上人工營(yíng)救爭(zhēng)取時(shí)間，給生命營(yíng)救提供更多希望，提升海上搜救的能力和效率，為海上事故應(yīng)急提供信息和臨時(shí)設(shè)備的保障。

3.2 軍事偵察

無(wú)人船可以在軍事偵察中的海上偵察監(jiān)視、情報(bào)搜集、掃雷、反潛、反恐等戰(zhàn)爭(zhēng)和非戰(zhàn)爭(zhēng)任務(wù)當(dāng)中為海上執(zhí)勤人員提供援助和保護(hù)，并且隨著無(wú)人船智能技術(shù)的不斷提高，可以更加密切地配合無(wú)人機(jī)、無(wú)人潛艇等智能軍事設(shè)備執(zhí)行反水雷戰(zhàn)、反潛作戰(zhàn)、武裝特種作戰(zhàn)等任務(wù)，從而提高我國(guó)海上軍事技術(shù)偵察的綜合效率，為我國(guó)海防安全提供更為牢靠的技術(shù)保障。[6]

3.3 氣象勘測(cè)

無(wú)論是客船、漁船、軍事艦艇等船只，還是海上航巡、海上賽事等活動(dòng)都需要提前進(jìn)行氣象勘測(cè)，以作為行動(dòng)可行性的依據(jù)，包括沿海城市的氣象預(yù)報(bào)也需要海上氣象監(jiān)測(cè)提供相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。無(wú)人船可以通過(guò)智能程序在出海時(shí)記錄海上的風(fēng)速、風(fēng)向、水溫、浪高、海水鹽度、水面和海面能見(jiàn)度，為陸地端提供出海后和未來(lái)城市的氣象預(yù)測(cè)，并且可以通過(guò)監(jiān)測(cè)中所收集到的異常指標(biāo)發(fā)覺(jué)到大型自然災(zāi)害的事前跡象，在為海事活動(dòng)提供預(yù)測(cè)的同時(shí)，也能夠?yàn)槲覈?guó)沿海城市的自然災(zāi)害預(yù)防提供更為準(zhǔn)確的信息保障。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前各國(guó)正在服役的無(wú)人船只大都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全程全自主海上航行功能，相應(yīng)的航行規(guī)劃和目標(biāo)跟蹤技術(shù)程序仍需不斷完善，無(wú)人船決策系統(tǒng)的智能化水平也需進(jìn)一步提高，以此來(lái)應(yīng)對(duì)未來(lái)更為復(fù)雜的海事活動(dòng)。無(wú)人船擁有廣闊的開(kāi)發(fā)前景，預(yù)計(jì)能為我國(guó)海軍裝備、海上救援、海防建設(shè)等海事活動(dòng)提供更為現(xiàn)代化的功能保障，所以我國(guó)應(yīng)當(dāng)加速發(fā)展無(wú)人船的智能化和提高無(wú)人船應(yīng)用功能的開(kāi)發(fā)力度，積極開(kāi)展各項(xiàng)無(wú)人船關(guān)鍵技術(shù)的研究，推進(jìn)無(wú)人船艇的現(xiàn)代化應(yīng)用進(jìn)程，加強(qiáng)我國(guó)的海事裝備力量。