摘 要

近年来，伴随着信息、计算机、通信、网络、新能源、人工智能等技术的高速发展以及物联网、大数据、综合船桥系统和信息物理系统的应用，极大推进了智能船舶的发展。而在智能船舶的研究中，水面无人艇成为了各国研究的重点。

本论文针对当前无人艇对激光雷达测量技术的需求，开展激光雷达在无人艇上应用关键技术研究。为了提升安装激光雷达的无人艇的智能化控制水平，达到船舶无人智能控制的最佳效果，本论文开展的主要研究内容如下：

1）设计了无人艇激光雷达测量平台，其组成为：无人艇及控制平台、数据采集装置和激光雷达测量软件。分析了URG-04LX二维激光扫描测距传感器的特点、基本工作性能和通信接口、协议以及各项辅助设备的性能。

2）基于VC 6.0开发了激光雷达测量软件。叙述了激光雷达及工控机间串口通信的基本原理及数据格式，介绍了数据处理中采用的坐标转换、平滑处理的原理，研究了外界环境的模拟显示。

3）设计了在实验室环境下验证激光雷达测量效果的实验，详述了实验流程。对不同距离不同直径的圆柱体进行了实验，比较了实验结果并分析了实验误差的来源。

关键词：激光雷达测量；URG-04LX激光扫描测距传感器；无人艇

Abstract

In recent years,with the rapid development of information, computer, communication, network, new energy, artificial intelligence;and the application of the Internet of things, big data, integrated bridge system and physical information system;the intelligent ship has greatly development.In the research of intelligent ship,water surface unmanned craft has become the focus of research in various countries.

To enhance the level of intelligent control of the unmanned vehicle mounted laser radar and achieve the best results of the ship unmanned intelligent control, this paper aims at the requirement of the laser radar measurement technology ,and centers on the application of laser radar in unmanned craft,.The contents of the study are as follows:

Designed the platform of unmanned submarine laser radar which constitutes of unmanned craft and control platform,data acquisition device,and laser radar measurement software.Analyzed basic working performance, communication interface, agreement of the URG-04LX 2-dimensional laser range finder. and the performance of the auxiliary equipment.

Designed the software of laser radar measurement based on VC 6.0.Introduced the basic principles and data format of serial communication between laser radar and industrial control computer.Narrated the principle of coordinate conversion and smooth processing,and simulated displayed the external environment.

Designed an experiment under laboratory conditions to verify the effect of laser radar measurement，the experimental procedure is described in detail.We experimented with some cylinder of different distance and different diameter,compared the experimental results and analyzed the source of experimental error.

Key Words：Laser Radar；Laser Scanner；Belt Conveyor

第1章 绪论

1.1 研究的背景、目的和意义

经济全球化与地球村的大背景下，国与国之间的贸易量大大增加，而水路运输作为国际间贸易的主要运输方式也是发展迅速。目前，水路运输占原油运输总量的95 %、铁矿石运输总量的99%，是不可替代的一种运输方式。水路运输之所以如此备受青睐，是因为水路运输有着运量大，成本低的优点。然而水路运输也并不是完美的：当船只和航线增多之后，随之带来的人力资源消耗以及船只的安全问题都会成为其发展的掣肘。而随着近年来科技的发展，这个瓶颈也将被打破。近年来，计算机、信息、网络、通信、人工智能等技术、新能源的发展以及大数据、物联网、综合船桥系统和信息物理系统的应用，使得船舶智能化发展更加迅速，有很大希望实现船舶的无人化和安全性。我们要实现船舶的智能化，就要先让船舶拥有“看”的能力（眼睛），让其可以判断当前的航行状态，包括自身航速航向、前方的航道路况、周围的船只状态等，然后再让船舶拥有“思考”的能力（大脑），从而可以判断当前的状况，并根据不同的情况做出不同的的应对办法，实现船舶的自动控制。而我们将要进行的激光数据处理软件设计与实现研究，则是一个信息中转站，它将船舶的“眼睛”所看到的信息转换成其“大脑”能读懂的信息，帮助其完成控制任务。同时也将数据转换成图像，使人类更容易理解，从而对船舶进行远程辅助控制。因此，我们的这项研究对船舶的智能化发展有重要意义。

1.2 国内外研究现状

当前世界上已经开发了多种无人智能化控制的技术，比如智能机器人、无人自动驾驶汽车、无人机等，而这些成功的例子让我们对无人控制技术在船舶智能化中的应用无比的期待。目前国内外已经展开了对该技术运用于船舶的研究，大概的研究现状如下：

1.2.1 国外研究现状

水面无人艇的发展，其初衷是二战时期在沿海区域进行排雷或清除障碍物。之后在第二次海湾战争中，美军利用无人艇成功地完成了扫雷清障任务。此后以美国为代表的西方国家在见识到其效果后，开始将其列为重要的发展方向。

美国在无人艇研究发展中占据领先地位，2001年美国海军研究办公室，明确提出了水面高速无人艇(USV)的概念，并将其加入美国造濒海战斗舰规划中。2007年美国海军发布了“无人艇主计划”，初步规划了未来无人艇发展相关的技术投资及进程。现在美国以将高度发展的无人艇运用于军事任务以及海洋气候信息系统。

俄罗斯、法国、挪威、英国、德国、以色列、日本及新加坡等国家也相继展开了关于海上无人作战平台的研制，正在加紧发展水面无人航行器。可见， 接下来的日子里，无人艇必将成为各国海上无人作战系统的重要组成部分，并正向着智能化、体系化、标准化的方向高速发展。

1.2.2 国内研究现状

我国无人艇技术的研究尚处于起步阶段，与美国等西方发达国家相比存在很大的差距。主要有中国航空科工集团公司沈阳新光公司、海军某通信修理厂、哈尔滨工程大学做过这方面的研究。哈尔滨工程大学的水下智能机器人实验室也在智能水面无人艇的研发上做了一些前期的工作，开展了相关技术研究和海上试验，并且设计和建造了一艘无人艇。沈阳新光公司开发了一艘XG-2概念无人船，它能依靠卫星通信，承担海上反潜任务。在2008年北京奥运会的青岛帆船比赛中，提供气象保障服务的也是该公司开发的无人驾驶海上探测船“天象一号” 。而目前国内无人艇发展最先进的是珠海云洲智能科技有限公司，他们研发的“全自动无人采样船”已形成系列产品并在全国推广应用。他们开发的ES30应急采样监测船集成了先进的机器人控制技术、自动导航技术、超声波智能壁障技术、3G网络/GPRS实时通讯技术，具有自主航行、自动避障、网络化管理等优势，可连续航行6小时，最高时速可达26节(约48千米/小时)。ES30应急采样监测船与现行水质采样监测技术相结合，能形成完整的水质监测解决方案，在水质移动巡测、污染源追踪、突发污染事件应急反应、水质采样和监测等领域具有广阔的应用前景。

1.3 主要研究内容

本文的研究内容如下：

1. 设计激光雷达在无人艇上运用时的硬件平台
2. 通过查阅国内外相关文献，了解激光雷达测量的基本方法;
3. 熟悉激光雷达的工作原理;
4. 设计激光雷达在无人艇上运用时，需要配合使用的辅助设备，以及这些组合起来的系统平台.
5. 设计激光雷达数据采集软件
6. 利用VC 6.0，设计激光雷达URG-04X的数据采集软件;
7. 根据数据采集软件获得的信息，计算每次扫描的距离值;
8. 在数据处理过程中，根据每次扫描的角度变化，做出扫描的连续图，结合物体的一般外形，去除干扰值，判断扫描出来的外部障碍的形状大小距离等信息.
9. 调整激光雷达测量系统
10. 利用激光雷达在无人艇上运用时的硬件平台，进行实际的环境测量。将获得的数据结果与实际信息比较，验证激光雷达测量系统的正确性;
11. 根据实验数据,分析误差的原因，提出改进方案，并据此调整采集系统.

第2章 激光雷达测量系统的设计

2.1 设计思想

本论文针对当前无人艇对激光雷达测量技术的需求，围绕激光雷达在无人艇上运用，首先分析环境（距离、材质、形状、大小）对激光雷达扫描结果的影响，确定激光雷达的采集角度、频率，然后根据实验开展环境信息采集、扫描距离计算、物体信息模拟等研究。拟采用C 面向对象的程序设计语言，结合VC 6.0集成开发平台，编写激光雷达的数据采集及处理程序。最后进行现场实验，将采集设备（激光雷达URG-04X等）安装到合理位置，考虑不同距离和不同材料情况下，检验激光雷达URG-04X的准确性。最终提升安装激光雷达的无人艇的智能化控制水平，达到船舶无人智能控制的目的。

2.2 无人艇介绍

水面无人艇的发展可追溯到第二次世界大战，起初的目的是海滩排雷清障。而到了现在，由于其无人特性，主要用于执行一些危险任务以及一些有人船只不适合或者无法到达的探索任务。而且，还可以配合传感器技术、通信技术、自动控制技术来完成更多复杂任务。

无人艇具有复杂的系统组成,涉及众多的技术领域, 其关键技术包括:总体设计技术、环境感知技术、自主控制与决策技术、无线通信技术、容错控制技术、推进与驾控技术等。

1. 总体设计技术

这一部分是无人艇的系统构成，要综合考虑无人艇的整体框架设计、控制系统集成技术、动力推进技术、系统模块化及模块接口技术。

1. 环境感知技术

这部分是对周围环境进行环境感知的技术。无人艇利用各种传感器、传感网络和信息处理软件，探测感知并预测周围环境和自身状态等各种信息，便于船舶完成路径规划和自主控制。

1. 自主控制与决策技术

这部分是无人艇的根据环境信息作出判断和反应的技术。结合不同情况，无人艇需要能够自主合理作出相应最佳选择（如避障、强行突破、返回、等待时机、自毁等）。而且如果同时收到人的控制信息，也应该优先执行人的命令，以更好的完成任务。

1. 无线通信技术

这部分主要是处理信息交互的技术，包括无人艇内部系统中各种设备与系统之间、船舶与船舶之间、船舶与控制者之间、船舶与探测卫星之间、以及船舶与航标之间的信息交互。

1. 容错控制技术

这部分是关系到水面高速无人艇自主控制功能实现与否的关键技术，一旦容错失效，将导致灾难性后果。容错体现在以下几个方面：控制软件容错、控制硬件容错、控制指令容错，同时容错又有一定的限度，容错与安全性紧密相关，要结合任务完成性目标，进行无人艇自主控制系统容错控制策略研究。

1. 推进与驾控技术

这部分是研究无人艇动力系统的技术。推进与驾驶技术的研究既要考虑到保持行驶中的稳定性、航向控制，同时也要考虑到节能减排的要求，在两者之间权衡，做出最佳的设计方案。

2.3 数据采集装置

2.3.1 激光扫描仪简介

激光扫描仪的工作频谱在从红外到紫外光谱段，对它的深入研究最早是从军事领域开始的，其中一个最重要的应用就是对于目标的识别。它的工作波长较短，与传统的微波雷达相比，相差了3个数量级，并且激光又是单色的相干光，因而激光扫描仪会表现出极高的分辨本领和抗干扰能力，使它独具特色，为其在各个方面的应用奠定了基础。激光扫描仪的主要优点如下：

1. 具有很高的角分辨率。由于其工作波长较短，采用较小的光学接收孔径就能获得足够高的分辨率。在100km的距离只用直径100cm的光学接收口径就可以分辨相距1m的两个目标。如果对距离和多普勒信息进行相干处理，则可以获得更高的角分辨率的目标图像。
2. 具有很高的距离分辨能力。激光扫描仪采用脉冲测距法，由于激光的脉冲宽度可达到皮秒数量级，因此其距离分辨力就是毫秒级。当前实用的卫星测距仪已采用0.1nm的脉宽，其距离分辨力可以高达2cm。
3. 速度分辨率高、测速范围宽。因激光扫描仪工作波长短、多普勒频率灵敏度高，故具有极高的速度分辨力。目前最高的激光扫描仪速度分辨率已达到毫米每秒的级别，测速范围已经达到0.01m/s-3000m/s。
4. 可以得到目标的多种图像。根据上述3个特点，激光扫描仪至少可以获得目标反射激光的辐射几何分布图像、距离图像和速度图像这三种图像，而根据技术发展，激光扫描仪有可能获得目标的更多形式图像，对目标的描述更详细。
5. 抗干扰能力。当激光扫描仪在超低空或低空下工作时，不仅能完成正常跟踪任务，而且可得到目标清晰的图像。它采用单色光，而且发射波束极窄，隐蔽性好，故抗干扰性极好。

上述这些优点使激光扫描仪在航空航天、工业生产和医学等领域都有广泛的应用。本文采用的是HOKUYO 公司的URG-04LX 2D 激光扫描测距传感器，下面介绍该型号激光扫描仪的详细信息。

2.3.2 URG-04LX二维激光扫描仪性能简介

二维激光扫描测距传感器的原理是激光测距，通过旋转光学部件，使发射光束形成二维的扫描面，以实现激光扫描仪的区域扫描和轮廓测量功能。近年来，二维激光扫描测距传感产品被广泛用于机器人自动环境识别、障碍检测、自主导航、行为方式识别、建筑物的入侵保护（安防）、自动门、 自动导航车辆（AGV）和无人飞行器避障等方面。

图 2.1 URG-04LX二维激光扫描仪

URG-04LX 2D 激光扫描测距传感器生产与HOKUYO 公司，其测距示意图如图2.2 所示，采用直流5伏供电，工作电流为500 毫安。激光由波长785纳米 的半导体激光二极管产生，激光安全等级1级。传感器测量距离为60 ～ 4 095 毫米，扫描视场宽2400，从传感器顶部看，激光以逆时针方向扫描，扫描一周时间为100 毫秒，共1 024 个扫描步进，角度分辨率0.360。在扫描视场内最大有效扫描步数为683步，起始步为第44步，终止步为第725步。在60 ～ 1 000 毫米测量距离时测量精度为±10 毫米，在1 000 ～ 4 095 毫米测量距离时测量误差为1% 。传感器具有全速USB 接口和RS232C 接口，测量噪音lt;25 分贝。改传感器体积小，长宽高为50×50×70 （单位：毫米），且重量轻仅160克。