无人船目标探测与跟踪系统研究

发布时间：2021-01-05 10:21

　　海洋作业危险、肮脏、枯燥等特点日益凸显,使人类对无人船的需求日益提高,而高性能传感器、高带宽通讯和智能控制器等技术的进步为无人船的实现奠定了技术基础。目标探测与跟踪是无人船必须具备的能力之一,在海洋军事作战、海洋科学研究和海洋救援等领域具有广泛的应用前景。本文基于GNC架构完整构建了无人船目标探测与跟踪系统,并在案例三体船上完成了试验航行验证。系统软件系统包括7个模块,分别为数据预处理、数据分割、特征提取、数据关联、状态估计、静态地图构建和目标跟踪控制。数据预处理将激光雷达的原始数据转化为二维信息矩阵,降低了系统的计算规模;数据分割基于DBSCAN聚类生成相互独立的类簇;特征提取基于主成分分析提取各个类簇的特征;数据关联使用最近邻域算法在已知目标和类簇间建立一一对应的关系;状态估计使用卡尔曼滤波完成目标运动状态的预报和估计;静态地图构建将逐渐积累的静态障碍物信息保存;目标跟踪控制使用基于纯跟踪法的航向控制器控制船模跟踪目标航行。本研究实现了无人船的自主目标探测与跟踪,使无人船能够基于激光雷达对周围环境的扫描结果,探测到周围环境中的障碍物,并对具有一定特征的目标进行自主跟踪航行。 

【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：89 页

【学位级别】：硕士

【图文】：

AAWA无人船系统结构图

如图1-3 所示。视线法跟踪目标时，需要引入除跟踪船位置和被跟踪目标位置以外的第三个位置作为参考点，由参考点指向目标点的向量称为 LOS 矢量，决策依据是使被控对象逐渐贴近 LOS 矢量航行。LOS 法常用于直线循迹航行决策，上海交通大学的侯春晓等研究者将 LOS 法应用于内河无人船的曲线循迹[26]。纯跟踪法跟踪目标时，只考虑跟踪船位置和被跟踪目标位置，决策依据是使被控对象的运动方向等于跟踪船位置指向被跟踪目标位置的矢量方向。方位不变法跟踪目标时，同样只考虑跟踪船位置和被跟踪目标位置，但需要了解被跟踪目标的运动速度，决策依据是使被控对象的速度为两个分速度的矢量和，其中一个分速度是被跟踪目标的速度，另一个分速度的方向是跟踪船位置指向被跟踪目标位置的矢量方向，大小在合速度不超过上限的前提下根据实际情况决定。图 1-3 目标跟踪决策方法[25]Fig.1-3 Target tracking guidance method

上海交通大学硕士学位论文第二章 无人船试验平台 船体本文模型试验平台的整体架构如图 2-1 所示。“TLG001”无人三体船系和实现始于 2015 年，主要服务于船工系本科生的无人船创新实验课程和科研工作，至今已作为试验平台在无人船循迹、自主避碰、自动靠泊等中发挥了重要作用。

【参考文献】：
期刊论文
[1]内河无人船局部路径规划和循迹控制[J]. 侯春晓,许劲松,杨荣武.  船舶工程. 2017(06)
[2]美反潜无人艇作战使用分析[J]. 李本江,高孟,罗向前.  舰船电子工程. 2012(08)
[3]超细长三体船耐波性试验研究[J]. 李培勇,裘泳铭,顾敏童,王文富.  海洋工程. 2002(04)
[4]多体船型完整稳性计算[J]. 李培勇,裘泳铭,顾敏童,许统铨.  上海交通大学学报. 2002(11)



本文编号：2958491