基于航海雷达目标检测与跟踪的无人艇危险规避技术研究

Unmanned surface vehicles (USV) have become an intense research area because of their extensive applications. In order to ensure the safety, reliability and independently of complex tasks can be completed, the USV need to have accurate environment perception and effective collision avoidance capability， so the real-time marine radar target detection and tracking as well as independent collision avoidance technologies should be researched. Aiming at the problems of noise jamming, uneven brightness, target lost, blind area in marine radar images，and the high-speed USV to the requirement of real-time and reliability. By building an embedded collision avoidance of marine radar system, the research of high robustness image processing method and high efficiency of Gauss particle filter moving target tracking method, on this basis the stability and reliability dynamic local environment model is established, a certain obstacle avoidance algorithm is constructed by combining national navigation rules and relative velocity, finally the methods of project are verified by semi-physical simulation experiment and field experiments. The research results will improve the intelligent level of USV and guarantee the safety of USV independent sailing.

水面无人艇以其广阔的应用前景成为近年来的研究热点，为保证无人艇安全、可靠、自主地完成各种复杂任务，要求无人艇具有准确的环境感知和合理有效的危险规避能力，需要研究能符合无人艇特点的实时航海雷达目标检测和跟踪技术以及自主危险规避技术。本项目针对航海雷达图像噪声干扰、亮度不均、目标消失、存在盲区等问题以及高速无人艇对危险规避系统实时性和可靠性的要求，通过构建应用航海雷达的嵌入式危险规避系统，研究高鲁棒性的实时图像处理方法、高效率的高斯粒子滤波运动目标跟踪方法，在此基础上构建稳定可靠的实时局部环境模型，结合国际海上航行规则和相对速度规避理论设计无人艇快速反应式危险规避方法，最后通过半实物仿真试验和外场试验，对项目中的相应方法进行验证。研究成果将提高无人艇的智能水平，为无人艇的安全自主航行提供保障。

水面无人艇（Unmanned Surface Vehicles，USV）在海洋军事、反恐打击、海上快速运输以及海洋资源探测开发等领域具有广阔的应用前景，为保证无人艇安全、可靠、自主地完成各种复杂任务，要求无人艇具有准确的环境感知和合理有效的危险规避能力。本项目重点研究了基于航海雷达目标检测与跟踪的自主危险规避技术。以航海雷达作为主要环境感知传感器，通过航海雷达图像的目标检测和跟踪，建立局部环境模型，并在此基础上完成局部路径规划和自主危险规避。具体研究内容如下：. （1）为了满足USV目标检测准确性和实时性的要求，针对USV雷达图像的特点，探讨了几种高效的改进图像处理算法，用于雷达图像的目标检测和特征提取。. （2）结合雷达图像的特性，采用位置为主，辅助以面积和不变矩的特征匹配方法，完成了雷达图像序列中目标的特征匹配。针对雷达图像中目标消失造成的目标链断裂情况，分别构造了Kalman滤波器和高斯粒子滤波器用以完成目标的跟踪，解决了雷达图像中目标形状多变带来的特征匹配不够可靠的问题。. （3）为了保证实际试验时环境模型的稳定性和可靠性，提出一种符合航海雷达特点的动态局部环境模型建立方法；结合国际海上航行规则和相对速度规避理论，构建一种适用于USV的危险规避算法。. （4）通过半实物仿真和海上试验，对论文中的相应方法和算法进行验证。试验结果表明，基于以上方法的程序能够满足USV规避系统的实时性要求，而且针对自主危险规避任务，论文所提方法具有可行性和有效性。