基于移动式浮标的无人艇航行监测系统设计

　　摘要：针对无人艇航行性能测试需求，设计基于移动式浮标的无人艇航行监测系统。首先以浮标-岸基交互为基础，三维激光雷达和DGPS等作为感知传感器，设计无人艇航行监测系统框架。然后对三维激光雷达点云滤波处理，结合欧式聚类分割法把点云数据分割成多簇，利用OBB包围盒计算每一簇点云的几何特征并检测识别出被测无人艇，从而计算无人艇相对浮标的坐标位置。信号处理及控制器利用ROS同步订阅话题机制，对DGPS和三维激光雷达发布的消息融合，解算无人艇航行过程的位置信息。最后进行无人艇位置监测实验，结果表明，平均误差为1.34米，约为0.074个被测无人艇艇身长度，验证了基于移动式浮标的无人艇航行监测系统有效性，为无人艇性能测试奠定基础。

　　本文源自任兵; 陈卫国; 饶银辉; 崔彬; 洪晓斌， 中国测试 发表时间：2021-07-16

　　关键词：移动式浮标;无人艇;DGPS;三维激光雷达

　　0 引言

　　随着人工智能技术的发展，无人驾驶技术得到快速发展，无人艇无需人员艇上作业，可完成水文勘测、水质监测、渔业养殖、海上搜救、海上巡逻、海上扫雷、反潜、火力打击和海上拦截等任务[1-3]。同时对无人艇航行性能的评估至关重要，评估无人艇自主航行性能需要获得无人艇航行过程中的实时位置、航行轨迹等状态信息，倘若把测量仪器直接安装在被测无人艇上，被测无人艇自主航行性能容易受影响，故需要一种独立于被测无人艇的监测手段获取被测无人艇航行信息。

　　相对于其它海洋监测手段，以浮标为载体的检测技术在自动化、连续性以及长期等方面具有良好特征表现，是现代海洋环境立体监测系统的重要组成部分[4]。近年来，利用浮标为载体的监测与导航定位平台在各个领域已经取得一定成果。如 Kato T 等利用海洋浮标组成 GNSS 阵列，设计了海啸等地质灾害预警系统[5];王朋朋等基于 BANG 设计了海洋浮标岸站接收系统，实现与浮标系统的通信、数据实时存储，服务于气象、水文要素需求[6] ;王柏林等通过 GPRS 与岸基数据中心对接，基于 STM32 设计了用于测量海水域的风速、风向、气压、气温等气象要素的海洋浮标[7];唐原广等以浮标作为观测平台，采用螺旋桨式风传感器、电子罗盘以及水文气象数据采集器，采集和处理风速风向[8];周金金等为解决浮标成像系统不稳定问题，设计了一套基于 ARM11 的云台稳定控制系统，可用于船舶监控[9];李鹏等针对近海海底观测网的安全问题，设计了一套多警戒浮标的实时监控系统，该警戒浮标可获取浮标本身工作状态，并能实时、动态、连续的将警戒浮标的运行状态发送到陆基站，实现对目标海域的实时监控[10]。

　　目前浮标主要用于水文气象信息采集观测和海域监控，而针对无人艇性能测试的监测浮标研究尚处于起步阶段。结合无人艇性能测试需求，本文设计一种移动式浮标，该浮标即可作为监测平台载体，又可作为性能测试时的静态障碍物和动态障碍物。采用 DGPS 接收机、三维激光雷达和摄像机作为传感设备，通过三维激光雷达测量无人艇在浮标空间坐标系上的相对位置，融合 DGPS 数据解算无人艇实时的位置信息，便可绘制无人艇实时航行轨迹，进而计算各项技术指标对其自主航行性能进行评估。

　　1 总体框架设计

　　无人艇航行监 测系统基于 ROS ( Robot Operating System)实现，由电源系统、信号处理及控制系统、电机驱动系统、传感信息采集系统、通信系统和岸基可视无纸化系统组成，各个传感设备作为 ROS 系统的一个节点和信号处理及控制器通信传输数据，系统框架如图 1 所示。其中，外接电源采用 24V 直流电池。树莓派 4B、摄像机、三维激光雷达、电机驱动和图传电台需 12V 供电，树莓派 4B、DGPS 接收机、电机控制器需 5V 供电，因此需要设计降压稳压电路，如图 2 所示。选取电源芯片 LM2596 降压稳压模块，它内含固定频率振荡器(150kHz)和基准稳压器(1.23V)，并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等，降压稳压电路为可调节状态，根据实际需要调节输出为 5V 和 12V。

　　信号处理及控制器采用树莓派 4B，拥有 4 个 USB 端口，40 针 pin 引脚，其 CPU 为高性能的 64 位 ARM Cortex-A72，拥有 4GBRAM，能够支持无人艇航行监测平台系统的计算需求和功能扩展。

　　传感器采集系统由高精度厘米级别 DGPS 接收机、摄像机和三维激光雷达组成。DGPS 接收机通过转换器连接到信息处理与控制器的 USB 口上。将 DGPS 主机站安置在基准站上进行观测，基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。浮标上的 DGPS 接收机在获取位置信息的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。三维激光雷达通过 RJ45 接口连接到信息处理与控制器上，该激光雷达内部装有 16 对激光发射接收模组，电机以 5Hz 转速驱动进行360°扫描。其垂直方向上视场角为-15°~15°，角分度 2°;水平方向上视场角为 360°，分辨率为 0.09°。激光雷达安装在防抖云台上，其内置 Y 轴指向正北方向。摄像机通过 RJ45 接口连接到信息处理与控制器上。清晰度 4MP，180°大广角，在浮标上安装 2 个摄像机便可实现 360°监测。摄像机视频传输至岸基实现实时无人艇航行实时画面显示，既可作为无人艇自主航行功能测试的参考依据，又可实时监控无人艇，在无人艇遇到危险状况时能及时采取相应措施。

　　推进系统选用螺旋桨为推进器，由无刷电机控制其方向。电机驱动模块通过 RS485 转 USB 模块连接到信息处理及控制器的 USB 口上，可以直接给定目标位置(绝对位置或相对于当前的位置)使驱动器转动到目标位置。驱动器将根据设定的加、减速加速度和最大速度，自动控制电机按照牛顿运动定律迅速、平稳地运动到目标位置。

　　通信系统用于实现浮标上信息处理及控制器与岸基可视无纸化平台之间的远距离通信，工作在 2.4GHz 频段，传输距离可达 15km，通过 RJ45 接口和信息处理及控制器连接。

　　2 无人艇航行监测方法

　　以浮标上的三维激光雷达点云数据和 DGPS 位置信息为基础，无人艇航行监测方法分为四个部分，解算出无人艇的航行位置精确数据，为计算无人艇性能评估技术指标奠定数据基础。

　　2.1 雷达点云数据过滤

　　在三维激光雷达获取无人艇坐标位置时，雷达会不可避免地检测到海面上其它浮标、无人艇、海面和岸上陆地。为减轻后续雷达点云数据处理的计算压力，首先过滤过高的点云数据，因此可过滤三维激光雷达点云 Z 轴的值大于无人艇高度与激光雷达安装高度之差的点云。在三维激光雷达获取点云数据时，由于存在电磁干扰、浮标晃动等环境因素影响，点云数据中会存在一些不合理的离散干扰点。为滤除这些离散噪声点，可计算每个点云数据离附近 k 个点云数据的平均值，若该值超过设定阈值，则认为该点云数据为离散噪声点，应当滤除。

　　海面点云数据量较大，且对后续聚类分割效果影响大，因此应当先对海面点云-非海面点云滤除。本文采用 Ray Ground Filter 方法[11]，将点云数据的(x,y,z)三维空间降到(x，y)平面来看，计算每一个点到浮标正方向的平面夹角