一种路径跟踪避障制导方法及系统

技术领域

本发明属于船舶控制工程与船舶自动化航行装备应用技术领域，尤其涉及一种路径跟踪避障制导方法及系统。

背景技术

目前，通过制导策略实现船舶的航迹保持及避碰/避障是船舶运动控制的关键技术，传统的基于航路点的船舶路径规划，要求船舶沿着设定航线自动航行，归结于路径跟踪的制导问题。但现有路径跟踪避障制导系统及难以进行路径规划，且在通过狭窄通道时极易失去稳定，造成振荡，故不适用于具有多变性的真实海况。因此，亟需一种新的路径跟踪避障制导方法及系统。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有路径跟踪避障制导系统及难以进行路径规划，且在通过狭窄通道时极易失去稳定，造成振荡，故不适用于具有多变性的真实海况。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种路径跟踪避障制导方法及系统。

本发明是这样实现的，一种路径跟踪避障制导系统，所述路径跟踪避障制导系统包括：

图像数据获取模块，与中央控制模块连接，用于通过CCD摄像机实时采集船舶的航线信息以及船舶周围水域的环境监测信息；

DSP图像预处理模块，与中央控制模块连接，用于通过数字图像处理器DSP对采集的船舶航线信息以及船舶周围水域的环境监测信息进行滤波、灰度化、阈值分割以及形态学的预处理；

所述通过数字图像处理器DSP对采集的船舶航线信息以及船舶周围水域的环境监测信息进行滤波处理包括：

(1)建立带权的高斯平滑滤波器矩阵模型：

其中:Q为滤波器矩阵，Q为1*n的矩阵；n为矩阵大小阀值；i为距离中心坐标点的相对坐标值，即Q[i]所得为该坐标点相对中心点的权重差；

(2)计算高斯平滑中心点相对左右阀值的差值和；

其中，S[k]为中心点相对左右阀值的差值和；buf[k]为中心点的样本测量值；n为滤波器矩阵大小；

(3)计算高斯平滑处理后的样本值：

其中:buf′[k]为中心点处理后的值；buf[k]为中心点的样本测量值；n为滤波器矩阵大小；

导航参数确定模块，与中央控制模块连接，用于通过参数确定程序根据预处理后的图像信息进行船舶瞄点坐标的提取，进而确定船舶导航参数；

无线通信模块，与中央控制模块连接，用于通过无线通信设备进行所述路径跟踪避障制导系统数据的无线传输；

中央控制模块，与图像数据获取模块、DSP图像预处理模块、导航参数确定模块、无线通信模块、路径规划模块、路径跟踪控制模块、避障操纵制导模块、运动控制模块、数据存储模块、更新显示模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述路径跟踪避障制导系统各个模块的正常运行，并控制船舶跟踪预瞄点的自主导航；

路径规划模块，与中央控制模块连接，用于通过路径规划程序对船舶的航行路线进行规划，确定船舶的最优航行轨迹；

路径跟踪控制模块，与中央控制模块连接，用于获取船舶的实时航行轨迹，并通过路径跟踪控制程序根据确定的船舶的最优航行轨迹进行船舶的路径跟踪控制；

避障操纵制导模块，与中央控制模块连接，用于感知船舶周围水域的障碍物信息，并通过避障操纵制导程序根据障碍物优先级序列对障碍物信号进行处理，实现船舶的避障操纵制导，并进行安全预警通知；

运动控制模块，与中央控制模块连接，用于通过运动控制程序根据船舶的航行轨迹和避障操纵制导信息，对船舶的整体运动进行实时控制；

数据存储模块，与中央控制模块连接，用于通过存储器存储采集的船舶的航线信息以及船舶周围水域的环境监测信息、DSP图像预处理结果、船舶导航参数、最优航行轨迹、路径跟踪控制信息、避障操纵制导信息、安全预警通知以及船舶运动控制信息；

更新显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器对采集的船舶的航线信息以及船舶周围水域的环境监测信息、DSP图像预处理结果、船舶导航参数、最优航行轨迹、路径跟踪控制信息、避障操纵制导信息、安全预警通知以及船舶运动控制信息的实时数据进行更新显示。

进一步，所述对环境信息进行灰度化处理包括：

进一步，步骤二中，所述对采集的船舶航线信息以及船舶周围水域的环境监测信息进行阈值分割，包括：

运用线性区域阈值分割法对灰度化处理后的图像进行船舶与背景的分割，包括以每列为整体计算类间方差、以最佳阈值对每列类间方差进行分割、每列阈值分割后的图像进行组合、输出最佳阈值分割图像。

进一步，步骤三中，所述通过导航参数确定模块利用参数确定程序根据预处理后的图像信息进行船舶瞄点坐标的提取，进而确定船舶导航参数，包括：

(1)通过导航参数确定模块提取出图像的路径边缘信息与预瞄点坐标；

(2)结合CCD摄像机的标定参数，利用参数确定程序最终确定世界坐标系中预瞄点的位置信息和跟踪预瞄点的导航参数；

(3)将确定的船舶导航参数通过无线通信模块传送至中央处理器。

进一步，步骤四中，所述通过中央控制模块利用中央处理器控制船舶跟踪预瞄点的自主导航，包括：

(1)中央处理器在接收到数字图像处理器DSP传来的船舶导航参数信号后，将导航参数作为模糊-PID混合控制器的输入；

(2)通过控制器输出正确的控制信号来控制船舶的驱动电机，进而控制船舶跟踪预瞄点自主导航。

进一步，步骤六中，所述通过避障操纵制导模块感知船舶周围水域的障碍物信息，并利用避障操纵制导程序根据障碍物优先级序列对障碍物信号进行处理，实现船舶的避障操纵制导，包括：

(1)通过避障操纵制导模块利用障碍物探测设备感知船舶周围水域的障碍物信息；其中，所述障碍物探测设备包括导航雷达、摄像设备和超声波传感器；

(2)设定航路点信息，在采样时间点进行采样，并判断船舶是否进入障碍物探测环；如进入障碍物探测环，则进入障碍物排序过程；

(3)对避障物的优先级进行排序，得到障碍物的优先级序列，选取最高优先级障碍物作为当前避障目标，实现船舶的避障操纵制导。

进一步，所述对避障物的优先级进行排序，得到障碍物的优先级序列，包括：

1)将障碍物分为静态障碍物和动态障碍物，所述静态障碍物的优先级高于所述动态障碍物的优先级；

2)静态障碍物的优先级与动态船舶到该静态障碍物安全极限环的距离e大小成反比，e最小的障碍物拥有最高的优先级。

进一步，所述动态障碍物的优先级由下列公式确定：

其中，F为评价函数，R

本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的路径跟踪避障制导系统。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的路径跟踪避障制导系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的路径跟踪避障制导方法，基于机器视觉，通过跟踪预瞄点进行导航，操作简便，适用性强；通过控制预瞄点与道路右边缘的位置关系进行导航，大大的提高了船舶导航的实时性与简便性；通过超声波传感器感知道路的障碍物信息，并进行安全预警，保障了船舶视觉导航的安全性与可靠性，解决了船舶在路径跟踪过程中对多目标进行避障的现实问题，提高了船舶的自动化程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的路径跟踪避障制导系统结构框图；

图中：1、图像数据获取模块；2、DSP图像预处理模块；3、导航参数确定模块；4、无线通信模块；5、中央控制模块；6、路径规划模块；7、路径跟踪控制模块；8、避障操纵制导模块；9、运动控制模块；10、数据存储模块；11、更新显示模块。

图2是本发明实施例提供的路径跟踪避障制导方法流程图。

图3是本发明实施例提供的通过导航参数确定模块利用参数确定程序根据预处理后的图像信息进行船舶瞄点坐标的提取，进而确定船舶导航参数的方法流程图。

图4是本发明实施例提供的通过中央控制模块利用中央处理器控制船舶跟踪预瞄点的自主导航的方法流程图。

图5是本发明实施例提供的通过避障操纵制导模块感知船舶周围水域的障碍物信息，并利用避障操纵制导程序根据障碍物优先级序列对障碍物信号进行处理，实现船舶的避障操纵制导的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种路径跟踪避障制导方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的路径跟踪避障制导系统包括：图像数据获取模块1、DSP图像预处理模块2、导航参数确定模块3、无线通信模块4、中央控制模块5、路径规划模块6、路径跟踪控制模块7、避障操纵制导模块8、运动控制模块9、数据存储模块10、更新显示模块11。

图像数据获取模块1，与中央控制模块5连接，用于通过CCD摄像机实时采集船舶的航线信息以及船舶周围水域的环境监测信息；

DSP图像预处理模块2，与中央控制模块5连接，用于通过数字图像处理器DSP对采集的船舶航线信息以及船舶周围水域的环境监测信息进行滤波、灰度化、阈值分割以及形态学的预处理；

导航参数确定模块3，与中央控制模块5连接，用于通过参数确定程序根据预处理后的图像信息进行船舶瞄点坐标的提取，进而确定船舶导航参数；

无线通信模块4，与中央控制模块5连接，用于通过无线通信设备进行所述路径跟踪避障制导系统数据的无线传输；

中央控制模块5，与图像数据获取模块1、DSP图像预处理模块2、导航参数确定模块3、无线通信模块4、路径规划模块6、路径跟踪控制模块7、避障操纵制导模块8、运动控制模块9、数据存储模块10、更新显示模块11连接，用于通过中央处理器协调控制所述路径跟踪避障制导系统各个模块的正常运行，并控制船舶跟踪预瞄点的自主导航；

路径规划模块6，与中央控制模块5连接，用于通过路径规划程序对船舶的航行路线进行规划，确定船舶的最优航行轨迹；

路径跟踪控制模块7，与中央控制模块5连接，用于获取船舶的实时航行轨迹，并通过路径跟踪控制程序根据确定的船舶的最优航行轨迹进行船舶的路径跟踪控制；

避障操纵制导模块8，与中央控制模块5连接，用于感知船舶周围水域的障碍物信息，并通过避障操纵制导程序根据障碍物优先级序列对障碍物信号进行处理，实现船舶的避障操纵制导，并进行安全预警通知；

运动控制模块9，与中央控制模块5连接，用于通过运动控制程序根据船舶的航行轨迹和避障操纵制导信息，对船舶的整体运动进行实时控制；

数据存储模块10，与中央控制模块5连接，用于通过存储器存储采集的船舶的航线信息以及船舶周围水域的环境监测信息、DSP图像预处理结果、船舶导航参数、最优航行轨迹、路径跟踪控制信息、避障操纵制导信息、安全预警通知以及船舶运动控制信息；

更新显示模块11，与中央控制模块5连接，用于通过显示器对采集的船舶的航线信息以及船舶周围水域的环境监测信息、DSP图像预处理结果、船舶导航参数、最优航行轨迹、路径跟踪控制信息、避障操纵制导信息、安全预警通知以及船舶运动控制信息的实时数据进行更新显示。

如图2所示，本发明实施例提供的路径跟踪避障制导方法包括以下步骤：

S101，通过图像数据获取模块利用CCD摄像机实时采集船舶的航线信息以及船舶周围水域的环境监测信息；

S102，通过DSP图像预处理模块利用数字图像处理器DSP对采集的船舶航线信息以及船舶周围水域的环境监测信息进行滤波、灰度化、阈值分割以及形态学的预处理；

S103，通过导航参数确定模块利用参数确定程序根据预处理后的图像信息进行船舶瞄点坐标的提取，进而确定船舶导航参数；通过无线通信模块利用无线通信设备进行所述路径跟踪避障制导系统数据的无线传输；

S104，通过中央控制模块利用中央处理器协调控制所述路径跟踪避障制导系统各模块的正常运行，并控制船舶跟踪预瞄点的自主导航；通过路径规划模块利用路径规划程序对船舶的航行路线进行规划，确定船舶的最优航行轨迹；

S105，通过路径跟踪控制模块获取船舶的实时航行轨迹，并利用路径跟踪控制程序根据确定的船舶的最优航行轨迹进行船舶的路径跟踪控制；

S106，通过避障操纵制导模块感知船舶周围水域的障碍物信息，并利用避障操纵制导程序根据障碍物优先级序列对障碍物信号进行处理，实现船舶的避障操纵制导，并进行安全预警通知；

S107，通过运动控制模块利用运动控制程序根据船舶的航行轨迹和避障操纵制导信息，对船舶的整体运动进行实时控制；

S108，通过数据存储模块利用存储器存储采集的船舶的航线信息以及船舶周围水域的环境监测信息、DSP图像预处理结果、船舶导航参数、最优航行轨迹、路径跟踪控制信息、避障操纵制导信息、安全预警通知以及船舶运动控制信息；

S109，通过更新显示模块利用显示器对采集的船舶的航线信息以及船舶周围水域的环境监测信息、DSP图像预处理结果、船舶导航参数、最优航行轨迹、路径跟踪控制信息、避障操纵制导信息、安全预警通知以及船舶运动控制信息的实时数据进行更新显示。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

本发明实施例提供的路径跟踪避障制导方法如图2所示，作为优选实施例，本发明实施例提供的通过数字图像处理器DSP对采集的船舶航线信息以及船舶周围水域的环境监测信息进行滤波处理包括：

(1)建立带权的高斯平滑滤波器矩阵模型：

其中:Q为滤波器矩阵，Q为1*n的矩阵；n为矩阵大小阀值；i为距离中心坐标点的相对坐标值，即Q[i]所得为该坐标点相对中心点的权重差；

(2)计算高斯平滑中心点相对左右阀值的差值和；

其中，S[k]为中心点相对左右阀值的差值和；buf[k]为中心点的样本测量值；n为滤波器矩阵大小；

(3)计算高斯平滑处理后的样本值：

其中:buf′[k]为中心点处理后的值；buf[k]为中心点的样本测量值；n为滤波器矩阵大小。

本发明实施例提供的通过数字图像处理器DSP对采集的船舶航线信息以及船舶周围水域的环境监测信息进行灰度化处理包括：

获取滤波后的图像中各像素的灰度值，得到灰度矩阵；根据所述灰度矩阵中行/列灰度分布趋势，得到均衡数组；根据所述均衡数组修正所述灰度矩阵，得到所述图像修正后的灰度矩阵。

实施例2

本发明实施例提供的路径跟踪避障制导方法如图2所示，作为优选实施例，本发明实施例提供的对采集的船舶航线信息以及船舶周围水域的环境监测信息进行阈值分割，包括：

运用线性区域阈值分割法对灰度化处理后的图像进行船舶与背景的分割，包括以每列为整体计算类间方差、以最佳阈值对每列类间方差进行分割、每列阈值分割后的图像进行组合、输出最佳阈值分割图像。

实施例3

本发明实施例提供的路径跟踪避障制导方法如图2所示，作为优选实施例，如图3所示，本发明实施例提供的通过导航参数确定模块利用参数确定程序根据预处理后的图像信息进行船舶瞄点坐标的提取，进而确定船舶导航参数，包括：

S201，通过导航参数确定模块提取出图像的路径边缘信息与预瞄点坐标；

S202，结合CCD摄像机的标定参数，利用参数确定程序最终确定世界坐标系中预瞄点的位置信息和跟踪预瞄点的导航参数；

S203，将确定的船舶导航参数通过无线通信模块传送至中央处理器。

实施例4

本发明实施例提供的路径跟踪避障制导方法如图2所示，作为优选实施例，如图4所示，本发明实施例提供的通过中央控制模块利用中央处理器控制船舶跟踪预瞄点的自主导航，包括：

S301，中央处理器在接收到数字图像处理器DSP传来的船舶导航参数信号后，将导航参数作为模糊-PID混合控制器的输入；

S302，通过控制器输出正确的控制信号来控制船舶的驱动电机，进而控制船舶跟踪预瞄点自主导航。

实施例5

本发明实施例提供的路径跟踪避障制导方法如图2所示，作为优选实施例，如图5所示，本发明实施例提供的通过避障操纵制导模块感知船舶周围水域的障碍物信息，并利用避障操纵制导程序根据障碍物优先级序列对障碍物信号进行处理，实现船舶的避障操纵制导，包括：

S401，通过避障操纵制导模块利用障碍物探测设备感知船舶周围水域的障碍物信息；其中，所述障碍物探测设备包括导航雷达、摄像设备和超声波传感器；

S402，设定航路点信息，在采样时间点进行采样，并判断船舶是否进入障碍物探测环；如进入障碍物探测环，则进入障碍物排序过程；

S403，对避障物的优先级进行排序，得到障碍物的优先级序列，选取最高优先级障碍物作为当前避障目标，实现船舶的避障操纵制导。

本发明实施例提供的对避障物的优先级进行排序，得到障碍物的优先级序列，包括：

1)将障碍物分为静态障碍物和动态障碍物，所述静态障碍物的优先级高于所述动态障碍物的优先级；

2)静态障碍物的优先级与动态船舶到该静态障碍物安全极限环的距离e大小成反比，e最小的障碍物拥有最高的优先级。

本发明实施例提供的动态障碍物的优先级由下列公式确定：

其中，F为评价函数，R

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。