[發(fā)明專利]一種基于航海雷達(dá)圖像的冰區(qū)航行海冰避障路徑生成方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011608109.5
• 申請(qǐng)日: 2020-12-30
• 公開（公告）號(hào): CN112799069A
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝宗軒;武雪貞;王勝正;趙建森;劉衛(wèi);林鑫偉;蔣效彬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海海事大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S13/937
• 分類號(hào): G01S13/937
• 代理公司: 上海互順專利代理事務(wù)所(普通合伙) 31332
• 代理人: 裴姣姣

本發(fā)明公開了一種基于航海雷達(dá)圖像的冰區(qū)航行海冰避障路徑生成方法，該方法通過航海雷達(dá)圖像，識(shí)別本船船位、短期目標(biāo)位置及海冰礙航區(qū)域，重構(gòu)冰區(qū)航行場(chǎng)景；結(jié)合雙向快速擴(kuò)展隨機(jī)樹B?RRT算法與貪心算法，生成較為簡(jiǎn)捷的路徑，提出一種小尺度的海冰避障路徑生成方法。相較于采用海冰模型或冰圖進(jìn)行大尺度冰區(qū)水域航行的航路設(shè)計(jì)，冰區(qū)水域的氣象與海況變化莫測(cè)，尚需小尺度的海冰避障路徑進(jìn)行輔助決策支持。由于小尺度冰區(qū)航行決策時(shí)間有限，本發(fā)明提出的方法具有隨機(jī)性，可以在短時(shí)間內(nèi)快速生成多條路徑，再藉由路徑風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)估與選擇風(fēng)險(xiǎn)較低的海冰避障路徑，為冰區(qū)航行輔助決策提供技術(shù)支撐。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及極地冰區(qū)航行海冰避障領(lǐng)域，具體地說，是一種基于航海雷達(dá)圖像的冰區(qū)航行海冰避障路徑生成方法。

背景技術(shù)：

近年來隨著船舶在極地水域航行的需求不斷提高，路徑規(guī)劃與海冰避障已成為極地航行重要的研究課題。在冰區(qū)航行過程中，除了使用探照燈、望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備進(jìn)行傳統(tǒng)瞭望避障外，航海雷達(dá)(marine radar)也是一種重要的探冰工具，可視為航行員的第二雙眼睛。在《極地水域船舶航行安全規(guī)則(Polar Code)》中明確指出，應(yīng)積極使用配備增強(qiáng)探冰能力的雷達(dá)；另外，在中國(guó)船級(jí)社出版的《極地水域操作手冊(cè)編寫指南》中，也提到雖然在不同海況和天氣條件下，雷達(dá)探測(cè)不同特征浮冰塊的能力存在一定局限性，但其仍是目前探測(cè)冰目標(biāo)的最有效設(shè)備。即使從普通的航海雷達(dá)上無(wú)法得知海冰的厚度與結(jié)構(gòu)，但仍可獲得本船周圍的實(shí)時(shí)海冰覆蓋情況。因此，在海冰避障與路徑優(yōu)化上，航海雷達(dá)是值得善用的航海儀器。

國(guó)內(nèi)外研究在冰區(qū)航行路徑規(guī)劃上，大多通過海冰模型或冰圖作為數(shù)據(jù)來源進(jìn)行航路設(shè)計(jì)，本質(zhì)上屬于大尺度路徑規(guī)劃。不同于上述大尺度的路徑規(guī)劃方法，本發(fā)明使用雷達(dá)圖像作為海冰數(shù)據(jù)來源，提出小尺度海冰避障路徑規(guī)劃方法。由于空間范圍小，對(duì)算法計(jì)算時(shí)間的要求更高，目前國(guó)內(nèi)外航海技術(shù)中，仍缺乏一套快速進(jìn)行冰區(qū)航行海冰避障路徑生成的方法。

發(fā)明內(nèi)容：

為了在冰區(qū)小尺度范圍下，生成海冰避障路徑作為航行員參考，本發(fā)明提出一種基于航海雷達(dá)圖像的冰區(qū)航行海冰避障路徑生成方法。本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：通過航海雷達(dá)圖像進(jìn)行航行場(chǎng)景重構(gòu)識(shí)別本船船位、短期目標(biāo)位置及海冰礙航區(qū)域；結(jié)合雙向快速擴(kuò)展隨機(jī)樹B-RRT算法與貪心算法，提出一種小尺度的海冰避障路徑生成方法；提出路徑風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，評(píng)估與選擇風(fēng)險(xiǎn)較低的海冰避障路徑，為冰區(qū)航行輔助決策提供技術(shù)支撐。

為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明一種基于航海雷達(dá)圖像的冰區(qū)航行海冰避障路徑生成方法包括以下步驟：

步驟一：冰區(qū)航行場(chǎng)景重構(gòu)。

步驟1.1：讀取航海雷達(dá)圖像，根據(jù)所設(shè)定的畫面每秒傳輸幀數(shù)(FPS)，從航海雷達(dá)視頻擷取特定時(shí)點(diǎn)的圖像。

步驟1.2：獲取關(guān)鍵信息，從圖像上獲取航海雷達(dá)的顯示模式、顯示方向、選定的距離標(biāo)尺、距離刻度圈的間距、船首向、對(duì)水航速、對(duì)地航向、對(duì)地航速及計(jì)畫航路。

步驟1.3：擷取圓形顯示區(qū)，航海雷達(dá)圖像的圓形顯示區(qū)為主要表征冰區(qū)航行場(chǎng)景的感興趣區(qū)域(region of interest)，將感興趣區(qū)域以掩膜區(qū)域矩陣表示，該區(qū)域內(nèi)數(shù)值設(shè)置為1，區(qū)域外數(shù)值設(shè)置為0。

步驟1.4：確認(rèn)自身船位與目標(biāo)位置，不論航海雷達(dá)選用偏心或非偏心的顯示方式，自身船位皆為統(tǒng)一共同基準(zhǔn)點(diǎn)(consistent common reference point)，都是距離刻度圈的圓心；另外，從計(jì)畫航路與方位刻度的交點(diǎn)及船首向判別短期目標(biāo)位置；據(jù)此，可以讀取自身船位與目標(biāo)位置在雷達(dá)圖像上的坐標(biāo)。

步驟1.5：提取海冰與目標(biāo)，將圓形顯示區(qū)內(nèi)根據(jù)目標(biāo)回波的像素覆蓋區(qū)域設(shè)置為白色，其他冗余信息的區(qū)域設(shè)置為黑色，獲得海冰與目標(biāo)的二值圖像。

步驟二：冰區(qū)避障路徑生成。