激光雷達和單目視覺船舶智能導航系統

韓金霞，孫正偉

(1.江蘇海事職業技術學院 輪機電氣與智能工程學院，江蘇 南京 210000；2.嘉悅欣瑞智能科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引 言

船舶航行時，因海洋環境存在較大變動性，還會隨時出現未知障礙物，所以，智能導航系統的使用非常重要。智能導航系統的應用性能，對船舶航行的安全性存在直接影響[1-3]。陳立等[4]對智能礦砂船的航行控制問題進行深入研究后，設計了具有針對性應用的導航系統，此系統雖然能保證智能礦砂船按照預期軌跡穩定航行，但對航行環境中的障礙物是否存在避障能力，還需深入測試。龐璽斌等[5]將混合誤差模型用在船舶組合導航系統中，以此保證船舶在GPS 故障時，仍可按照導航系統的航跡規劃線路，可靠穩定航行至終點。但對航行環境中的障礙物也未深入研究，如果導航系統不能有效為船舶提供安全導航服務，便不能保證船舶的航行安全性[6-7]。為此，本文設計基于激光雷達和單目視覺的船舶智能導航系統，利用此系統為船舶提供定位服務的同時，還為船舶提供障礙物檢測和避障航跡規劃服務。

1 基于激光雷達和單目視覺的船舶智能導航系統

1.1 系統硬件結構

基于激光雷達和單目視覺的船舶智能導航系統結構如圖1 所示。系統主要分為船載子系統、地面監控子系統。船載子系統中，當衛星信號接收機獲取衛星信號后，能夠實時運算船舶目前的經緯地理信息，障礙物檢測單元能夠使用單目視覺CCD 傳感器、激光雷達，檢測船舶周圍的障礙物信息和距離信息，然后通過CAN 總線網絡，將信息傳輸到地面監控子系統，系統監控端把獲取的信息和電子海圖相匹配后，便可將電子海圖中對應的位置上標識船舶坐標信息和航行信息，且通過基于激光雷達的障礙目標測距方法完成障礙物測距。監控端能夠對船舶下達靜止、航行、轉向等指令，由CAN 總線網絡發送至船載子系統的控制單元，使用船舶航跡控制器完成智能導航。

圖1 船舶智能導航系統結構圖Fig.1 Structure of ship intelligent navigation system

圖2 為單目視覺CCD 傳感器的結構圖。CCD 傳感器的有效像素數是640×480 像元，像素大小是7.4 μm×7.4 μm，支持單、雙輸出通道信號輸出，傳感器的垂直驅動u2/u1，u2c/u1c和電荷泄放柵GE同時運行，啟動開窗功能，完成目標信息感知圖像采集。

圖2 單目視覺CCD 傳感器結構圖Fig.2 Structure diagram of monocular vision CCD sensor

圖3 為激光雷達測距單元結構圖。當傳感器發現船舶附近存在障礙物時，激光雷達測距單元便會在掃描頻率是100 MHz 的條件下，由光學發射端發射激光，返回激光由光子探測器接收后，以回波脈沖的模式，發送至主放大器和前置放大器執行放大，然后主處理器把放大的回波脈沖轉換成回波信號，將回波信號執行三角激光測距處理，完成測距。

圖3 激光雷達測距單元結構圖Fig.3 Structural diagram of laser radar ranging unit

圖4 為CAN 總線網絡通信模塊結構。系統中CAN總線網絡通信模塊結構分為通信節點、雙路CAN 總線、網橋/中繼器。通信節點以此和兩路總線相連，節點運行狀態無異常時，僅與一路總線相連執行數據通信服務，如果節點運行狀態出現異常，便會快速與另一路CAN 總線相連，以此保證導航系統的通信服務不出現中斷問題。網橋/中繼器可為總線提供導航信息數據轉發服務。

圖4 CAN 總線網絡通信模塊結構Fig.4 CAN bus network communication module structure

1.2 基于激光雷達的障礙目標測距方法

激光雷達的光學發射端、光子探測器與船舶周圍障礙物之間，可看作1 個三角形，使用三角形角度與邊長的幾何性質，便可運算障礙物和船舶自身的距離。此方法叫做三角激光測距法，如圖5 所示。

圖5 三角激光測距法Fig.5 Triangular laser ranging method

1.3 船舶航跡控制器設計

系統所用的船舶航跡控制器的控制模式，屬于間接航跡控制，此控制模式能把航向控制與航跡控制結合應用。航向控制能夠保證船舶朝預設航向穩定航行，航跡控制能夠保證船舶可根據障礙物測距數據，完成避障航行。圖6 為船舶航跡控制器的控制方法示意圖。航跡控制器將導航控制問題劃分成3 個閉環串級控制環節（舵角、航向、航跡），此舉能夠保證船載GPS 定位設備異常時，直接啟動航向控制程序，以此保證船舶穩定運行。

圖6 船舶航跡控制器的控制方法示意圖Fig.6 Schematic diagram of control method of ship track controller

2 實驗結果與分析

為驗證本文系統對船舶導航任務的使用效果，對其進行仿真實驗。在導航過程中，本文系統所用激光雷達的參數信息如表1 所示。

表1 激光雷達參數信息Tab.1 Lidar parameter information

設置船舶航行環境無風浪，圖7 為船舶航行時本文系統的智能導航界面。本文系統使用下，船舶實際航跡與導航系統規劃的預期避障航跡一致，不存在偏航問題，且未曾與障礙物碰撞，說明本文系統采用航跡控制器，可有效控制航行軌跡。

圖7 本文系統的船舶智能導航界面圖Fig.7 Interface diagram of ship intelligent navigation system in this paper

設定圖中障礙物與船舶的距離在12 s 內的變化是1 km，本文系統對其進行測距，測距結果如圖8所示。由圖8 可知，本文系統使用激光雷達對障礙物的測距結果主要處于[999.99～1 000.01 m]范圍中，由此可知，本文系統使用激光雷達對障礙物的測距誤差是±1 cm，誤差極小。

圖8 激光雷達測距效果Fig.8 Laser radar ranging effect

本文系統在為船舶提供導航服務時，地面監控子系統與船舶子系統之間的數據傳輸延時測試如圖9 所示。

圖9 系統數據傳輸延時測試結果Fig.9 System data transmission delay test results

可知，本文系統使用過程中，地面監控子系統與船舶子系統之間的數據傳輸延時小于0.4 ms，時延極短，說明CAN 總線網絡通信模塊的應用，可保證數據高效傳輸。

設置船舶航行環境存在2 級風浪，且船舶附近存在同類船舶，此類船舶可看作移動障礙物，此時，本文系統使用下，船舶的導航航行效果如圖10 所示。當航行環境存在2 級風浪，且船舶附近存在移動障礙物時，本文系統應用后，航行軌跡與移動障礙物不存在碰撞情況，船舶可動態避障，安全運行至終點。由此證明本文系統能夠有效規劃船舶的動態避障軌跡，保證船舶可以安全地自起點位置航行至終點位置。

圖10 本文系統的導航避障能力測試結果Fig.10 Test results of navigation obstacle avoidance ability of this system

3 結 語

針對目前船舶導航系統在協助船舶航行時，僅可以完成自我定位，而對航行障礙物信息的判斷能力不足導致航行過程易出現碰撞問題，本文設計基于激光雷達和單目視覺的船舶智能導航系統。此系統可以在激光雷達與單目視覺技術的協助下，判斷船舶航行環境中的障礙物類型與距離，從而完成智能、有效導航。