[发明专利]基于单目视觉和激光数据融合的无人艇自主停泊系统和方法

说明书

本发明涉及基于单目视觉和激光数据融合的无人艇自主停泊系统和方法。该系统包括：环境感知模块、导航避障模块、控制模块、GPS/IMU模块、自主停泊模块。环境感知模块由电子海图、摄像头和激光雷达组成，电子海图提供静态障碍物信息，摄像头和激光雷达负责获取停泊位与动态障碍物信息；导航避障模块根据障碍物信息以及无人艇停泊位信息，对无人艇进行路径规划；控制模块负责控制无人艇依次行驶到所规划出的一系列目标点；GPS/IMU模块获得无人艇的位置和姿态信息，将这些信息提供给导航避障模块和控制模块使用；自主停泊模块通过摄像头和激光雷达对停泊标识进行检测与识别，并进行数据融合。通过实验验证，本发明能够稳定可靠地完成无人艇自主停泊任务。

技术领域

本发明涉及一种基于单目视觉和激光数据融合的无人艇自主停泊系统和方法，属于数据融合和无人艇应用技术领域。

背景技术

水面无人艇是能够进行无人操作的自主水面平台，其不仅可以用来执行军事、探索等具有危险性的任务，也能执行一些基础性的任务来降低水面作业的运营成本。其上可以通过搭载GPS、惯导、雷达等传感设备，从而实现自主导航、自主避障及自主追踪等功能。具体在军事上可以完成侦查、巡逻、作战等任务，而在民用领域则可以执行水质检测，海上救援等任务。

视觉传感器主要由捕捉检查对象物体（拍摄）用的摄像头以及处理所拍摄图像的处理器组成。图像处理设备通过对所拍摄的图像信息进行分析处理，从而检测出拍摄对象的数量、位置关系、形状等特点。在水面无人艇上视觉传感器主要用于水面目标检测，识别与跟踪。其识别出的信息较为直观，并且能够检测出障碍物的类别。不过其容易受到环境干扰，其稳定性不高。激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器在无人设备上用的最多的传感设备，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。不过也存在难以对障碍物进行跟踪，并且近距离存在盲区的不足。而通过将两者所探测到的数据进行融合，可以起到扬长避短的作用，从而构建出更加可靠的环境感知设备。

水面无人艇如果需要实现完全的自主性，不仅要在执行任务时能够自主地依据实际的任务需求来进行任务相关的操作，而在完成任务之后也能实现自主的、无人工干预的停泊。无人艇在拥有了自主停泊的功能之后，才能称得上是真正的无人操纵的水面无人艇。一般无人艇的停泊均是依靠设置一个最终的路径点，然后驱动水面无人艇前往并最终停止在所设的最终路径点上。这种做法限制了无人艇自主性能，从而阻碍了无人艇进一步的应用发展。而如果无人艇有一种依据泊位标识来自主停泊的系统，将会促进拥有大规模水面无人艇的无人艇控制中心的出现和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单目视觉和激光数据融合的无人艇自主停泊系统和方法，解决了无人艇自动识别泊位并自主停泊的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于单目视觉和激光数据融合的无人艇自主停泊系统，包括无人艇、导航避障模块、控制模块、GPS/IMU模块、环境感知模块、自主停泊模块；所述环境感知模块由电子海图以及激光传感器、视觉传感器组成，前者安装在无人艇内部，读取大陆、岛礁的静态障碍物信息，后两者通过支架安装在无人艇甲板前方，识别停泊标识以及探测其它船只、舰艇的动态障碍物信息；所述GPS/IMU 模块安装于无人艇尾部，获得无人艇的位置和姿态信息，这些信息提供给导航避障模块和控制模块使用；所述导航避障模块安装于所述无人艇内部，根据环境感知模块所获得的障碍物信息及无人艇的自主停泊任务信息，计算出无人艇所要到达的目标点；所述控制模块安装在无人艇内部，其控制无人艇依次到达所规划出的一系列目标点；所述自主停泊模块实现停泊位置标识的多尺度边缘特征模板的创建，对视觉传感器拍摄的视频帧进行实时模板匹配，从而获得停泊位实时角度信息；结合角度信息，激光传感器检测并获取停泊位对应角度的实时距离信息；环境感知模块将实时的角度与距离信息传输给控制模块，并结合导航避障模块进行路径规划，最终完成无人艇的自主停泊。