一种新型自主避障系统设计构想

翟伟东

摘 要：本设计构想旨在设计一种新型的自主避障系统，它能够搭载在水下航行器上，帮助航行器识别并躲避水下的障碍物，保证水下航行器的安全工作。系统携带有声纳和GPS，能够准确定位航行器所处的地理位置信息，并利用超声波检测到周围的障碍物，采用避障算法，进行避障路径规划，同时通过搭载的水下全景摄像头，将海洋环境情况实時传送给地面站，供研究人员对水下环境做更深层的研究。总之，该避障系统能解决传统水下巡航监测遇到的诸多问题，帮助人们更好地进行水下巡航工作。

关键词：自主避障;声纳测距;工业控制计算机

0 引言

20世纪90年代以来，海洋工程与科技的发展受到广泛的关注与研究。水中的无人航行器作为一种低风险的自主作业产品，在军事生产等各个方面都有着广泛的应用。目前，无人航行器包括水面水下航行器、遥控式水下航行器、自主式水下航行器等很多种。这些航行器可以完成水上水下的信息采集监测任务，在具有较高的工作效率的同时还可以避免海洋中的巡航监测任务所带来的风险。目前，自主式巡航船主要依靠激光进行水面避障，而水下航行器主要通过工业级的视频传输，由地面进行路径规划与避障，因此，目前的水下航行器缺乏一定的自主判断能力，在执行任务时也需要更高的人力物力成本，工作难度显著提升。

为了解决现有技术在水下航行器上的缺陷，本文将阐述一种能在水下可靠地进行障碍规避与航迹规划的自主避障系统的设计构思，从而大大增加水下航行器的自主性，降低水下航行器航行检测成本。

1 设计方案

这种新兴的自主避障系统主要包括五个部分：信息收集系统、水下建图系统、核心处理系统、核心控制系统和数据传输系统。

1.1 信息收集系统

信息收集系统主要包括声纳测距模块、发射换能模块和捷联惯导系统。声纳测距模块包含超声波声纳测距器与声纳控制仪，超声波声纳测距器为矢量声波测距器，声纳控制仪可以开关声纳测距器并且储存测距数据。发射换能模块为声纳测距模块的辅助模块，用以将电能转化为声波。发射换能模块与声纳测距器都与声纳控制仪连接，它与声纳测距模块共同进行超声波测距工作，对水下航行器周围的障碍物进行测距。捷联惯导系统包括GPS导航系统与IMU惯性测量单元，具体包括陀螺仪、加速度计和微型计算机。其中GPS系统用以监测水下航行器的地理位置信息，IMU惯性测量单元为基于MEMS技术的陀螺仪与加速度计。最终信息收集系统中收集到的测距数据、姿态数据以及地理位置数据都会传输至核心处理系统进行处理。

1.2 水下建图系统

水下建图系统为水下全景摄像模块，由两台广角相机组成，位于水下航行器的前端，得到的水下二维图像数据会传输至核心处理系统。

1.3 核心处理系统

核心处理系统使用的是工业控制计算机，目的是能够在水下复杂的环境中对数据进行准确的处理。核心处理系统一方面可以根据信息收集系统中的测距数据、姿态数据等，融合后利用实时环境建模法确定出障碍物的位置（这块方法很多，也比较成熟，这样说已经比较明白了），之后通过避障算法进行路径规划，从而实现避障。另一方面可以根据水下二维图像数据、姿态数据以及GPS数据，利用pix4d mapper实现水下环境三维建模，提高路径规划的准确性并将建模数据回传至地面站。

1.4 核心控制系统

核心控制系统使用的是STM32单片机，核心控制系统主要进行底层控制，即根据路径规划指令控制水下航行器的动力设备，从而使水下航行器按照避障路线行驶。

1.5 数据传输系统

数据传输系统可采用WiFi模块、蓝牙模块、ZigBee模块、或者sub-IG模块实现，主要用于向地面传输环境建模数据，也用于地面向水下航行器发送指令。

2 具体工作流程

地面站上位机为水下航行器规定航迹路线后，水下航行器开始航行。信息收集系统收集水下航行器的实时姿态、实时位置、障碍物测距信息，之后，通过I/0口、RS232串口通信协议实现数据传输，将数据信息传输至核心处理系统。水下建图系统采集水下图像信息通过USB2.0标准连接传输至核心处理系统。核心处理系统对得到的数据进行数据处理：（1）工业控制计算机对位置信息、姿态信息与声纳声波信息进行信号转化与数据处理，通过时间差定位算法确定水下障碍物的方位与距离，之后进行路径规划;（2）工业控制计算机利用pix4d mapper将图像信息与姿态信息叠加输出，生成三维水下环境模型，之后利用数据传输系统将水下环境模型回传至地面站上位机。地面站上位机通过对水下环境建模数据分析后也可直接向水下航行器发出控制指令，实现有效避障。由核心控制系统收到的运动控制指令，来控制水下航行器上的动力装置，如舵机与电机，从而使水下航行器按照避障航迹航行。

3 结论

本文阐述了一种新型自主避障系统的设计方案，它能够搭载在水下航行器上，通过GPS和声纳，实现航行器的定位及周围障碍物监测，利用避障算法，规划出较好的巡航路线。通过全景摄像机实时监测周围环境，并利用数据传输系统，将得到的数据传递给地面站，供研究人员更好地观察水下环境，从而有计划地开展后续的水下工作。

当今社会，“和平与发展”仍是主流，但国家想要在世界立足，必须拥有绝对的军事力量。可以看到，我国正在积极进行海上的军事训练，以及开展各种海洋工程建设。其中，能够实现对水下环境的监测变得尤为重要。本文所阐述的新型避障系统的设计，就在于解决传统水下航行器自主避障能力不强，且需要较高人力物力的缺点，真正实现水下环境的自动化监测，从而方便相关人员更好地开展在海洋的相关工作。因此，该自主避障系统的设计在海洋军事领域具有广阔的应用前景。

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