基于移動式浮標的無人艇航行監測系統設計

　　摘要：針對無人艇航行性能測試需求，設計基于移動式浮標的無人艇航行監測系統。首先以浮標-岸基交互為基礎，三維激光雷達和DGPS等作為感知傳感器，設計無人艇航行監測系統框架。然后對三維激光雷達點云濾波處理，結合歐式聚類分割法把點云數據分割成多簇，利用OBB包圍盒計算每一簇點云的幾何特征并檢測識別出被測無人艇，從而計算無人艇相對浮標的坐標位置。信號處理及控制器利用ROS同步訂閱話題機制，對DGPS和三維激光雷達發布的消息融合，解算無人艇航行過程的位置信息。最后進行無人艇位置監測實驗，結果表明，平均誤差為1.34米，約為0.074個被測無人艇艇身長度，驗證了基于移動式浮標的無人艇航行監測系統有效性，為無人艇性能測試奠定基礎。

　　本文源自任兵; 陳衛國; 饒銀輝; 崔彬; 洪曉斌， 中國測試 發表時間：2021-07-16

　　關鍵詞：移動式浮標;無人艇;DGPS;三維激光雷達

　　0 引言

　　隨著人工智能技術的發展，無人駕駛技術得到快速發展，無人艇無需人員艇上作業，可完成水文勘測、水質監測、漁業養殖、海上搜救、海上巡邏、海上掃雷、反潛、火力打擊和海上攔截等任務[1-3]。同時對無人艇航行性能的評估至關重要，評估無人艇自主航行性能需要獲得無人艇航行過程中的實時位置、航行軌跡等狀態信息，倘若把測量儀器直接安裝在被測無人艇上，被測無人艇自主航行性能容易受影響，故需要一種獨立于被測無人艇的監測手段獲取被測無人艇航行信息。

　　相對于其它海洋監測手段，以浮標為載體的檢測技術在自動化、連續性以及長期等方面具有良好特征表現，是現代海洋環境立體監測系統的重要組成部分[4]。近年來，利用浮標為載體的監測與導航定位平臺在各個領域已經取得一定成果。如 Kato T 等利用海洋浮標組成 GNSS 陣列，設計了海嘯等地質災害預警系統[5];王朋朋等基于 BANG 設計了海洋浮標岸站接收系統，實現與浮標系統的通信、數據實時存儲，服務于氣象、水文要素需求[6] ;王柏林等通過 GPRS 與岸基數據中心對接，基于 STM32 設計了用于測量海水域的風速、風向、氣壓、氣溫等氣象要素的海洋浮標[7];唐原廣等以浮標作為觀測平臺，采用螺旋槳式風傳感器、電子羅盤以及水文氣象數據采集器，采集和處理風速風向[8];周金金等為解決浮標成像系統不穩定問題，設計了一套基于 ARM11 的云臺穩定控制系統，可用于船舶監控[9];李鵬等針對近海海底觀測網的安全問題，設計了一套多警戒浮標的實時監控系統，該警戒浮標可獲取浮標本身工作狀態，并能實時、動態、連續的將警戒浮標的運行狀態發送到陸基站，實現對目標海域的實時監控[10]。

　　目前浮標主要用于水文氣象信息采集觀測和海域監控，而針對無人艇性能測試的監測浮標研究尚處于起步階段。結合無人艇性能測試需求，本文設計一種移動式浮標，該浮標即可作為監測平臺載體，又可作為性能測試時的靜態障礙物和動態障礙物。采用 DGPS 接收機、三維激光雷達和攝像機作為傳感設備，通過三維激光雷達測量無人艇在浮標空間坐標系上的相對位置，融合 DGPS 數據解算無人艇實時的位置信息，便可繪制無人艇實時航行軌跡，進而計算各項技術指標對其自主航行性能進行評估。

　　1 總體框架設計

　　無人艇航行監 測系統基于 ROS ( Robot Operating System)實現，由電源系統、信號處理及控制系統、電機驅動系統、傳感信息采集系統、通信系統和岸基可視無紙化系統組成，各個傳感設備作為 ROS 系統的一個節點和信號處理及控制器通信傳輸數據，系統框架如圖 1 所示。其中，外接電源采用 24V 直流電池。樹莓派 4B、攝像機、三維激光雷達、電機驅動和圖傳電臺需 12V 供電，樹莓派 4B、DGPS 接收機、電機控制器需 5V 供電，因此需要設計降壓穩壓電路，如圖 2 所示。選取電源芯片 LM2596 降壓穩壓模塊，它內含固定頻率振蕩器(150kHz)和基準穩壓器(1.23V)，并具有完善的保護電路、電流限制、熱關斷電路等，降壓穩壓電路為可調節狀態，根據實際需要調節輸出為 5V 和 12V。

　　信號處理及控制器采用樹莓派 4B，擁有 4 個 USB 端口，40 針 pin 引腳，其 CPU 為高性能的 64 位 ARM Cortex-A72，擁有 4GBRAM，能夠支持無人艇航行監測平臺系統的計算需求和功能擴展。

　　傳感器采集系統由高精度厘米級別 DGPS 接收機、攝像機和三維激光雷達組成。DGPS 接收機通過轉換器連接到信息處理與控制器的 USB 口上。將 DGPS 主機站安置在基準站上進行觀測，基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛星的距離改正數，并由基準站實時將這一數據發送出去。浮標上的 DGPS 接收機在獲取位置信息的同時，也接收到基準站發出的改正數，并對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。三維激光雷達通過 RJ45 接口連接到信息處理與控制器上，該激光雷達內部裝有 16 對激光發射接收模組，電機以 5Hz 轉速驅動進行360°掃描。其垂直方向上視場角為-15°~15°，角分度 2°;水平方向上視場角為 360°，分辨率為 0.09°。激光雷達安裝在防抖云臺上，其內置 Y 軸指向正北方向。攝像機通過 RJ45 接口連接到信息處理與控制器上。清晰度 4MP，180°大廣角，在浮標上安裝 2 個攝像機便可實現 360°監測。攝像機視頻傳輸至岸基實現實時無人艇航行實時畫面顯示，既可作為無人艇自主航行功能測試的參考依據，又可實時監控無人艇，在無人艇遇到危險狀況時能及時采取相應措施。

　　推進系統選用螺旋槳為推進器，由無刷電機控制其方向。電機驅動模塊通過 RS485 轉 USB 模塊連接到信息處理及控制器的 USB 口上，可以直接給定目標位置(絕對位置或相對于當前的位置)使驅動器轉動到目標位置。驅動器將根據設定的加、減速加速度和最大速度，自動控制電機按照牛頓運動定律迅速、平穩地運動到目標位置。

　　通信系統用于實現浮標上信息處理及控制器與岸基可視無紙化平臺之間的遠距離通信，工作在 2.4GHz 頻段，傳輸距離可達 15km，通過 RJ45 接口和信息處理及控制器連接。

　　2 無人艇航行監測方法

　　以浮標上的三維激光雷達點云數據和 DGPS 位置信息為基礎，無人艇航行監測方法分為四個部分，解算出無人艇的航行位置精確數據，為計算無人艇性能評估技術指標奠定數據基礎。

　　2.1 雷達點云數據過濾

　　在三維激光雷達獲取無人艇坐標位置時，雷達會不可避免地檢測到海面上其它浮標、無人艇、海面和岸上陸地。為減輕后續雷達點云數據處理的計算壓力，首先過濾過高的點云數據，因此可過濾三維激光雷達點云 Z 軸的值大于無人艇高度與激光雷達安裝高度之差的點云。在三維激光雷達獲取點云數據時，由于存在電磁干擾、浮標晃動等環境因素影響，點云數據中會存在一些不合理的離散干擾點。為濾除這些離散噪聲點，可計算每個點云數據離附近 k 個點云數據的平均值，若該值超過設定閾值，則認為該點云數據為離散噪聲點，應當濾除。

　　海面點云數據量較大，且對后續聚類分割效果影響大，因此應當先對海面點云-非海面點云濾除。本文采用 Ray Ground Filter 方法[11]，將點云數據的(x,y,z)三維空間降到(x，y)平面來看，計算每一個點到浮標正方向的平面夾角