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无人水面艇多元联合感知系统的研究与实现
| 论文题名： | 无人水面艇多元联合感知系统的研究与实现 |
| 关键词： | 无人水面艇;环境感知;雷达图像;卡尔曼滤波;激光点云;地图构建 |
| 摘要： | 在复杂多变的海洋环境下，随着传感器技术的发展以及装备智能化程度的提升，无人水面艇扮演着越来越重要的角色。实时且精确的环境感知能力是无人水面艇完成自主航行的前提。针对在未知海洋环境下无人水面艇的多元信息联合感知问题，本文以大连海事大学“蓝信号”无人水面艇作为研究对象及实验平台，对基于无人艇艇载导航雷达和三维激光雷达的联合感知技术进行了研究。主要研究内容如下： 1、针对一类无人水面艇在高度动态和复杂航行环境下的导航雷达目标精确跟踪问题，考虑到无人水面艇的高动态特性使得导航雷达的观测噪声是变化的情况，本文提出了一种基于改进自适应卡尔曼滤波的无人艇导航雷达目标跟踪方法。该方法首先通过艇载导航雷达生成雷达图像，使用图像处理技术提取图像中的目标信息。然后利用无人水面艇姿态传感器采集实时的转艏角速率信息，根据姿态变化情况来自适应地更新观测噪声协方差，使卡尔曼滤波算法中的观测噪声协方差更加接近实际值，从而提高目标的跟踪精度。 2、针对未知水面环境下的点云地图生成问题，本文提出了一种面向水面环境的三维点云地图构建方法。该方法首先对获取的实时点云信息进行预处理，然后考虑到水面环境下的点云特性，采用区域生长法等一系列方法将水面无效点云进行分割与滤除，从而提升构建的水面环境点云地图的可靠性。采用实时性与精确性较好的LOAM算法进行环境地图构建，为无人水面艇在近海环境下探索未知领域提供保障。 3、针对无人水面艇使用单一的传感器获得的感知信息有限的问题，为获取精确且全方位的环境感知信息，本文结合导航雷达与激光雷达的优势，提出了一种基于艇载导航雷达与三维激光雷达的图像融合方法。该方法通过栅格化处理将三维点云信息转化为二维栅格图像，在栅格化过程中保留了部分三维点云属性。在栅格属性判定方法上，通过判断栅格地图中每个栅格保留的高度信息来辅助判断可通行区域。采用图像处理技术使多尺度图像归一化，并利用特定的像素融合方案对导航雷达图像与栅格地图进行融合。最终获得融合图像，使得无人水面艇获取的周围环境的障碍物信息更为精确与全面。 4、为验证以上方法的可行性与有效性，本文通过海上实船实验进行了验证。以“蓝信号”无人水面艇为实验平台，在大连海事大学凌海校区三公里范围内的海域进行实船实验，完成以上方法的分析与验证。 |
| 作者： | 陈思 |
| 专业： | 控制工程 |
| 导师： | 范云生 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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