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      USV 地形測(cè)量路徑自主規(guī)劃研究與應(yīng)用

      2024-01-03 16:02:22宋吉廣張京晶李德隆谷海濤
      艦船科學(xué)技術(shù) 2023年22期
      關(guān)鍵詞:柵格波束基準(zhǔn)

      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。

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