專利名稱：一種水下機(jī)器人目標(biāo)探測(cè)裝置及探測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種水下機(jī)器人探測(cè)系統(tǒng)，特別是一種以單波束前視聲納為核心
傳感器構(gòu)建探測(cè)系統(tǒng)的方法。
(二)
背景技術(shù)：
隨著科技的不斷進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，然而由于海洋環(huán)境的特 殊性，使得水下機(jī)器人所能采用的探測(cè)手段非常單一，很大程度上限制了水下機(jī)器人對(duì)水 下環(huán)境自主感知的實(shí)現(xiàn)。目前，用于水下機(jī)器人的探測(cè)手段主要有兩類光學(xué)探測(cè)手段和 聲學(xué)探測(cè)手段。在空中和陸地上，機(jī)器人可以借助光學(xué)等手段獲得周圍的環(huán)境信息，然而在 水下，尤其是海洋和湖泊中，光波傳播衰減都非常大，傳播距離十分有限，遠(yuǎn)不能滿足水下 機(jī)器人實(shí)際工程需要。相比之下，在迄今所熟知的各種能量形式中，在水中以聲波的傳播性 能為最好，聲波在遇到這些物體后，反射較大，容易獲取物體信息，這使得聲波成為水下目 標(biāo)測(cè)量的首選信息載體，因此聲納傳感器一直作為水下機(jī)器人重要的傳感器之一，擔(dān)負(fù)著 對(duì)水下目標(biāo)探測(cè)的任務(wù)。目前，普遍采用的聲納傳感器主要基于側(cè)掃聲納、多波束前視聲 吶或者三維成像聲吶等聲探測(cè)傳感器。側(cè)掃聲納需要安裝在載體的兩側(cè)，通過(guò)機(jī)器人本體 拖曳，完成機(jī)器人本體下方區(qū)域的地形掃描，不能用于對(duì)機(jī)器人本體前方的領(lǐng)域的探測(cè)，而 多波束預(yù)成電子掃描聲吶和三維成像聲吶，探測(cè)精度低，而且傳感器本身能量功耗大、重量 大，需要較大布置空間體積，不利于水下機(jī)器人本體的整體組裝。從節(jié)能的角度來(lái)講，傳感 器重量比的增大不利于本體的節(jié)能。單波束前視聲納很好解決上述矛盾，單波束前視聲納 探測(cè)精度高，它本身收發(fā)合置，僅有單一波束，因此體積小，重量輕，從而省去機(jī)器人本體內(nèi) 部的布置空間，有利于潛水器的小型化、輕量化。然而單波束前視聲納也存在由于機(jī)器人本 體運(yùn)動(dòng)造成的數(shù)據(jù)畸變問(wèn)題，因此，以單波束前視聲納為核心傳感器，研制出一種用于水下 機(jī)器人的探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于水下機(jī)器人的工程實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。
2008年11月12日公開的中國(guó)專利(申請(qǐng)?zhí)?00810137590. 7) "AUV智能避碰裝 置及方法"提供了一種AUV智能避碰裝置及方法。 另外，《電子器件》(2007，第30巻，第5期)上刊登的"多波束前視聲納在潛器避 障中的應(yīng)用研究"公布了一種應(yīng)用前視聲納的技術(shù)方案。在該方案中，采用的是多波束前視 聲納，配有PC104處理機(jī)將聲吶傳感器探測(cè)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為描述局部環(huán)境的數(shù)字信號(hào)， 對(duì)于聲納數(shù)據(jù)僅是采用了基于柵格圖標(biāo)的方法來(lái)進(jìn)行描述，沒(méi)有對(duì)聲納數(shù)據(jù)處理以及目標(biāo) 信息的提取加以描述。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于單波束視聲納的一種水下機(jī)器人目標(biāo)探測(cè)裝置。 本發(fā)明的目的還在于提供利用單波束視聲納探測(cè)水下目標(biāo)的三維信息探測(cè)方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 單波束視聲納的水下機(jī)器人探測(cè)裝置的組成包括PC/104計(jì)算機(jī)、單波束前視聲納設(shè)備傳感器、多普勒計(jì)、深度計(jì)、高度計(jì)及繼電器元件。單波束前視聲納傳感器布置在水 下機(jī)器人本體上部，多普勒計(jì)、高度計(jì)、深度計(jì)布置在水下機(jī)器人本體下部，所有傳感器信 號(hào)通過(guò)水密電纜傳入到布置在艙內(nèi)的PC/104計(jì)算機(jī)。PC/104計(jì)算機(jī)包括CPU核心板卡、8 串口卡、DA0板、電源板。DI\0板需提供5V輸入電源，其他板卡通過(guò)PC/104總線進(jìn)行24V 電源傳輸。所有板卡數(shù)據(jù)都通過(guò)PC/104總線傳輸。
實(shí)現(xiàn)步驟如下 1、分別向DI\0板和電源板輸入穩(wěn)壓電流，給所有板卡上電。 2、PC104計(jì)算機(jī)內(nèi)傳感器接受控制處理程序啟動(dòng)，通過(guò)DA0板控制繼電器打開各 傳感器。 3、通過(guò)相應(yīng)傳感器獲取環(huán)境探測(cè)信息、機(jī)器人本體姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度信息、深度信 息和高度信息。 4、根據(jù)機(jī)器人本體姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度信息，對(duì)環(huán)境探測(cè)信息進(jìn)行修正。 5、依據(jù)高度信息，結(jié)合探測(cè)距離，對(duì)修正后環(huán)境信息進(jìn)行劃分。 6、對(duì)劃分后的環(huán)境信息，采用不同的分割方法，得到目標(biāo)點(diǎn)水平面的二維信息。 7、根據(jù)相鄰環(huán)境信息作中目標(biāo)點(diǎn)位置和機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)位置的變化，通過(guò)幾何換
算確定目標(biāo)點(diǎn)與機(jī)器人在深度上的相對(duì)位置。 8、根據(jù)深度信息和目標(biāo)點(diǎn)與機(jī)器人在深度上的相對(duì)位置，確定目標(biāo)點(diǎn)的深度信息。 本發(fā)明與申請(qǐng)?zhí)枮?00810137590. 7的專利文件中的技術(shù)方案相比在以下幾個(gè)方 面存在顯著不同。 1.申請(qǐng)?zhí)枮?00810137590. 7的專利文件中的技術(shù)方案采用的是多波束前視聲納 傳感器，區(qū)域內(nèi)的探測(cè)數(shù)據(jù)一次性生成，而本專利采用的是單波束前視聲納傳感器，須將每 個(gè)指向接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，從而獲得區(qū)域內(nèi)的探測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合多普勒數(shù)據(jù)對(duì)其修 正，去除機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)的干擾。 2.申請(qǐng)?zhí)枮?00810137590. 7的專利文件中的技術(shù)方案利用多波束前視聲納傳感 器采集到的是模擬信號(hào)， 需要轉(zhuǎn)換模塊生成數(shù)字信號(hào)。而本專利采用的是單波束前視聲納傳感器，輸出直 接為數(shù)字信號(hào)，不需進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此體積與功耗顯著減小。 3.申請(qǐng)?zhí)枮?00810137590. 7的專利文件中的技術(shù)方案根據(jù)聲納傳感器數(shù)據(jù)繪制 水下場(chǎng)景的柵格信息，用于避碰決策。而本專利根據(jù)聲納傳感器信息經(jīng)算法處理后，輸出水 下場(chǎng)景中目標(biāo)在水平方向上的相對(duì)機(jī)器人本體的距離和角度信息，并結(jié)合深度計(jì)給出目標(biāo) 點(diǎn)在水下的深度信息。 4.申請(qǐng)?zhí)枮?00810137590. 7的專利文件中的技術(shù)方案對(duì)于聲納傳感器數(shù)據(jù)僅是 以柵格信息形式再現(xiàn)，而本專利首先根據(jù)高度計(jì)信息對(duì)聲納傳感器信息進(jìn)行劃分，然后對(duì) 于不同的劃分區(qū)域采用相應(yīng)的處理方法進(jìn)行處理，獲得目標(biāo)信息。 本發(fā)明還可以包括一種水下機(jī)器人目標(biāo)探測(cè)體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)由單波束前視 聲納設(shè)備傳感、PC104計(jì)算機(jī)、多普勒計(jì)、高度計(jì)、深度計(jì)幾部分構(gòu)成。PC104計(jì)算機(jī)是整個(gè) 體系結(jié)構(gòu)的核心部分。系統(tǒng)采用的是windriver公司的VxWorks實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，采 用pcl04模塊組成多板嵌入系統(tǒng)，將整個(gè)系統(tǒng)都安放在水下機(jī)器人載體內(nèi)部，通過(guò)DI\0板控制繼電器打開關(guān)閉傳感器，通過(guò)串行接口控制各傳感器的數(shù)據(jù)采集與處理，同時(shí)帶有基 于TCP、 UDP和NFS三種數(shù)據(jù)接口形式。UDP數(shù)據(jù)接口用于接收與發(fā)放系統(tǒng)廣播，保證與其 他系統(tǒng)間保持節(jié)拍同步。NFS數(shù)據(jù)接口采用網(wǎng)絡(luò)共享硬盤形式，用于與其他系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交 互。TCP數(shù)據(jù)接口基于便于調(diào)試和監(jiān)測(cè)的Sever-Client模式實(shí)現(xiàn)與水面監(jiān)控機(jī)的數(shù)據(jù)傳 輸。


圖1水下機(jī)器人探測(cè)系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)；圖2基于pcl04的嵌入式系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)；圖3單波束聲吶探測(cè)系統(tǒng)信息流程；圖4VxWorks系統(tǒng)下的任務(wù)流程；圖5單波束前視聲吶成像示意圖；圖6聲吶數(shù)據(jù)預(yù)處理，其中圖6(a)未預(yù)處理前圖像、圖6(b)預(yù)處理后圖像；圖7極坐標(biāo)與笛卡兒坐標(biāo)像素轉(zhuǎn)換示意圖；圖8坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖；圖9數(shù)據(jù)劃分幾何示意圖；圖IO深度估計(jì)幾何示意圖；圖11系統(tǒng)水池試驗(yàn)處理結(jié)果，其中圖11 (a)三棱柱探測(cè)處理結(jié)果，圖ll(b)角反
射體探測(cè)處理結(jié)果； 圖12系統(tǒng)海試試驗(yàn)處理結(jié)果，其中圖12(a)試驗(yàn)碼頭探測(cè)處理結(jié)果，圖12(b)水 下目標(biāo)探測(cè)處理結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)的描述
1.系統(tǒng)的構(gòu)成 單波束視聲納的水下機(jī)器人探測(cè)系統(tǒng)其組成包括單波束前視聲納設(shè)備傳感器、 PC104計(jì)算機(jī)、多普勒計(jì)、高度計(jì)、深度計(jì)及繼電器元件。PC104計(jì)算機(jī)包括CPU核心板卡、8 串口卡、DAO板、電源板。整個(gè)系統(tǒng)包括硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)，分別如圖l和圖2 所示，數(shù)據(jù)流程如圖3所示。下面分兩部分說(shuō)明
(1)水下部分硬件體系結(jié)構(gòu) 單波束前視聲納、多普勒計(jì)、高度計(jì)、深度計(jì)布置在水下機(jī)器人本體外部，水密電 纜經(jīng)硫化加長(zhǎng)后，通過(guò)機(jī)器人本體內(nèi)外鏈接的水密插件與艙內(nèi)的PC/104計(jì)算機(jī)連接。傳感 器信號(hào)通過(guò)電纜傳遞給PC104計(jì)算機(jī)。傳感器的開關(guān)通過(guò)繼電器控制，其中，多普勒計(jì)與高 度計(jì)共用一個(gè)繼電器開關(guān)量，其余傳感器配有單獨(dú)的開關(guān)量。 PC104電源模塊具有整流穩(wěn)壓功能，輸入電壓24V，同時(shí)提供額外的5V和12V輸出 各一個(gè)。8串口板嚴(yán)格遵循104總線標(biāo)準(zhǔn)的板卡。串口板模塊集成了兩個(gè)16554異步串行 通信接口 ，具有64字節(jié)的緩沖區(qū)，傳輸波特率最高能達(dá)到460. 8kbps，允許中斷共享。PC104 計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)DI\0板進(jìn)行地址操作，控制繼電器，實(shí)現(xiàn)傳感器的開關(guān)操作。DI\0板需提供 5V輸入電源，其他板卡通過(guò)PC/104總線進(jìn)行24V電源傳輸。所有板卡數(shù)據(jù)都通過(guò)PC/104總線傳輸。 PC104核心模塊采用的是Celeron-400的處理器，集成了 Intel82559ER網(wǎng)卡，同時(shí) 還能兼容PCI總線技術(shù)。該模塊只需要5伏的電壓，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)提供了很大的方便。配 有4G電子硬盤取代CompactFlash等其它外部存儲(chǔ)器，提高了嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)性能。類似于格式化硬盤，將電子硬盤分區(qū)。將VxWorks的bootrom和VxWorks鏡像 下載到C盤根目錄，實(shí)現(xiàn)類似于硬盤自啟動(dòng)功能，同時(shí)將所采集到的聲納探測(cè)數(shù)據(jù)保存到D 盤根目錄下。 前視聲納和多普勒計(jì)通過(guò)RS232串行口與PC104串口板進(jìn)行實(shí)時(shí)聯(lián)系，提供傳感 器數(shù)據(jù)。 高度計(jì)和深度計(jì)選用數(shù)字化傳感器，輸出為數(shù)字信號(hào)，不需經(jīng)A/D板進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn) 化，通過(guò)RS232串行口直接進(jìn)行傳輸。
(2)水下軟件體系結(jié)構(gòu)部分 水下工控機(jī)PC/104中采用了實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks。由于VxWorks的嵌入 式操作系統(tǒng)提供了 Pentium3的BSP，對(duì)BSP進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改即可使用。主要就是對(duì)于電子 硬盤的支持?？砂央娮佑脖P當(dāng)作一塊硬盤來(lái)處理。而對(duì)于網(wǎng)卡，采用的是Intel 82559ER 網(wǎng)卡，這是VxWoks默認(rèn)的網(wǎng)卡，驅(qū)動(dòng)都是可以直接用的。這樣水下工控機(jī)PC/104就可以通 過(guò)開機(jī)自檢電子硬盤啟動(dòng)VxWorks 。 默認(rèn)的VxWorks內(nèi)核支持CUP板上自帶的兩個(gè)串口 " /tyCo/0 "和"/tyCo/1 "。 由于采用串口板與聲納傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，因此必須在VxWorks下驅(qū)動(dòng)串口板。按照系 統(tǒng)默認(rèn)的8250，在上述文件中增加相應(yīng)的16550設(shè)置。 水下嵌入式程序如圖4所示。水下工控機(jī)PC/104上電啟動(dòng)，自動(dòng)啟動(dòng)嵌入式系統(tǒng) VxWorks，驅(qū)動(dòng)8串口板，啟動(dòng)內(nèi)核任務(wù)，啟動(dòng)工作任務(wù)。此處的任務(wù)類似于Windows中的 線程概念。多任務(wù)類似于多線程程序。通過(guò)采用一個(gè)任務(wù)初始化(初始化系統(tǒng)、初始化變 量、連接網(wǎng)絡(luò)、連接串口 、建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等)，同時(shí)啟動(dòng)3個(gè)主任務(wù)；也就是說(shuō)用一個(gè)任務(wù) 啟動(dòng)系統(tǒng)，而系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，一共有三個(gè)主任務(wù)運(yùn)行，這三個(gè)任務(wù)是a數(shù)據(jù)接口通訊，b.串行 通訊，c數(shù)據(jù)處理。a任務(wù)主要是處理各數(shù)據(jù)接口通訊任務(wù)，如通過(guò)UDP數(shù)據(jù)接口接收或發(fā) 送時(shí)鐘節(jié)拍，通過(guò)NFS數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互，通過(guò)TCP數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)聲納 環(huán)境采集數(shù)據(jù)的傳遞。b任務(wù)實(shí)現(xiàn)與各傳感器間的數(shù)據(jù)通訊，獲取各傳感器數(shù)據(jù)信息，并傳 輸傳感器控制命令。由于聲納環(huán)境采樣數(shù)據(jù)量大，與聲納之間通訊采用"應(yīng)答"機(jī)制。c任 務(wù)主要是綜合各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到目標(biāo)點(diǎn)的探測(cè)信息，如果存在障礙物，則給出障 礙物相對(duì)距離和角度以及水下深度信息。
2、方法的實(shí)現(xiàn)
(1)板卡上電。 輸入+5V穩(wěn)壓電流給DI\0板上電。輸入+24V穩(wěn)壓電流給電源板上電，CPU核心 板卡和8串口卡板卡通過(guò)PC104總線同時(shí)獲得穩(wěn)壓電流。 [OO52] (2)運(yùn)行傳感器 PC104計(jì)算機(jī)上電后，內(nèi)部嵌入的各傳感器控制處理程序以多線程的形式自主運(yùn) 行，其中控制程序?qū)I\0板地址進(jìn)行讀寫操作，控制DI\0板輸出高低電平到繼電器元件。 繼電器元件收到電平信號(hào)后完成傳感器的開關(guān)操作。[OO54] (3)傳感器信息的獲取 各傳感器運(yùn)行后，通過(guò)相應(yīng)傳感器獲取環(huán)境探測(cè)信息、機(jī)器人本體姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)速
度信息、深度信息和高度信息。
(a)探測(cè)信息的獲取 單波束前視聲納數(shù)據(jù)接收與多波束聲納不同，每次只能接受一個(gè)波束指向上的數(shù) 據(jù)，需要將所有指向的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并才能生成全景數(shù)據(jù)信息，如圖5。首先將每組接受到的 數(shù)據(jù)按照指向角度與探測(cè)距離數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)探測(cè)區(qū)域空間所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢后， 采用波束內(nèi)插和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換生成區(qū)域探測(cè)數(shù)據(jù)。 波束內(nèi)插采用拉格朗日插值公式進(jìn)行六點(diǎn)內(nèi)插，它不但很好的改善精度，而且較
為真實(shí)地反映出聲吶基陣的指向特性。 拉格朗日插值公式為 尸—(x) = T^,.6c). v,' (1)



式中<formula>formula see original document page 10</formula>
n為插值所需點(diǎn)數(shù)，對(duì)拋物插值n yk為已知函數(shù)值； Ak為所用函數(shù)權(quán)值。
由公式(1)可得兩點(diǎn)間內(nèi)插四點(diǎn)的六點(diǎn)內(nèi)插公式(2)
<formula>formula see original document page 10</formula> 為避免內(nèi)插數(shù)值小于0或者超出回波的最大強(qiáng)度值r^，做如下規(guī)定P(x,) = 0
化(JC,)^(xJ ，"賺
尸0,)<0 坐標(biāo)變換采用零階內(nèi)插法來(lái)實(shí)現(xiàn)像素點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換。設(shè)A， B， C， D，如圖7。四點(diǎn) 處的像素值分別是PA， PB， Pc， P。，距0點(diǎn)的距離分別為:dA， dB， dc， dD則0點(diǎn)處的像素值為:
P0 = Pi (3)
其中di = min[dA， dB， dc， dD] 根據(jù)(3)式，通過(guò)遍歷笛卡兒坐標(biāo)系中每一個(gè)像素點(diǎn)，則可以確定笛卡兒坐標(biāo)系 中每一個(gè)像素點(diǎn)的像素值。若A，B，C，D四點(diǎn)所圍成區(qū)域中包含多個(gè)像素點(diǎn)，則也由(3)式 確定各自像素值。 經(jīng)由上述處理后，探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量得到大幅提升，如圖6。
(b)機(jī)器人本體姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度信息、深度信息和高度信息獲取 系統(tǒng)采用的是數(shù)字化深度計(jì)和高度計(jì)，因此深度信息和高度信息直接通過(guò)與深度
計(jì)和高度計(jì)相連的RS232串口讀取。 機(jī)器人本體姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度信息通過(guò)與多普勒計(jì)相連的RS232串口讀取。分別獲 得橫傾角、縱傾角和航向角以及在艇體坐標(biāo)系下的速度。
(4)環(huán)境探測(cè)信息修正 對(duì)于探測(cè)距離的修正，是以所接收到的第一幀數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，根據(jù)采樣時(shí)間與艇體 速度，計(jì)算出每一幀數(shù)據(jù)偏移量，之后與該幀的探測(cè)存儲(chǔ)距離相加，得到校正后的探測(cè)距離。 對(duì)于指向角度的修正，系統(tǒng)中考慮橫傾角、縱傾角對(duì)于指向角度的影響較小，因此 僅考慮航向角度對(duì)數(shù)據(jù)的影響。由于前視聲納是二維圖像聲納，在垂直方向上沒(méi)有分辨率， 因此僅能給出點(diǎn)M在水平面位置信息，而不能給出點(diǎn)M垂直方向上的位置信息。M點(diǎn)在水平 面位置信息與同一聲波波面上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)M'是一致的，即以極坐標(biāo)點(diǎn)M' (P， ci)來(lái)表示， 即M點(diǎn)對(duì)應(yīng)在水平面的坐標(biāo)應(yīng)為 當(dāng)航向角變化時(shí)，基陣坐標(biāo)系發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即僅對(duì)(X，Y)平面起作用，而與Z無(wú)關(guān)，如 圖8，則兩個(gè)位置之間關(guān)系變?yōu)? 將多普勒計(jì)得到的ey值代入，則獲得指向角度修正后的數(shù)據(jù)。
(5)修正后環(huán)境信息劃分 如圖9，根據(jù)高度計(jì)獲得機(jī)器人距離海底的高度信息和聲納在垂向上的探測(cè)開角， 通過(guò)幾何換算，將聲納數(shù)據(jù)分為兩類不包含海底反射信息數(shù)據(jù)和包含海床反射信息數(shù)據(jù)。 根據(jù)兩類數(shù)據(jù)特點(diǎn)采用不同檢測(cè)方法。
(6)目標(biāo)點(diǎn)水平面的二維信息提取 根據(jù)劃分的不同兩類信息，采用區(qū)域生長(zhǎng)和分形理論兩種不同的方法進(jìn)行信息提
11取。
0089] (a)對(duì)不包含反射數(shù)據(jù)處理方法采用區(qū)域生長(zhǎng)方法
0090] 區(qū)域生長(zhǎng)的基本思想是將具有相似性質(zhì)的像素集合起來(lái)構(gòu)成區(qū)域。具體實(shí)現(xiàn)步驟 如下
0091] ①對(duì)探測(cè)信息進(jìn)行逐行掃描，找出尚沒(méi)有歸屬的像素。
0092] ②以該像素為中心檢查它的鄰域像素，即將鄰域中的像素逐個(gè)與它比較，如果灰 度大于確定閾值T，將它們合并。
0093] ③以新合并的像素為中心，返回步驟②，檢查新像素的鄰域，直到區(qū)域不能進(jìn)一步
擴(kuò)張。 0094] 0095]
下 0096] 0097]
④返回到步驟①，繼續(xù)掃描直到不能發(fā)現(xiàn)沒(méi)有歸屬的像素，則結(jié)束整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程。 對(duì)于分割后得到的信息，采用區(qū)域標(biāo)記與合并的方法進(jìn)行處理，具體實(shí)現(xiàn)步驟如
① 若當(dāng)前正被掃描像素的灰度值為l，則將它標(biāo)記為與之相連通的目標(biāo)像素。
② 若當(dāng)前正被掃描像素與兩個(gè)或多個(gè)目標(biāo)相連通，則可以認(rèn)為這些目標(biāo)實(shí)際是同 一個(gè)，則將它們連接起來(lái)。
0098] ③如果發(fā)現(xiàn)了從灰度值為0的像素到一個(gè)孤立的灰度值為1的像素的過(guò)渡，則賦 一個(gè)新的目標(biāo)標(biāo)記。
0099] 由于受到水下目標(biāo)材質(zhì)組成的影響，造成對(duì)聲吶信號(hào)回波強(qiáng)度上具有明顯差異， 表現(xiàn)在信息中為目標(biāo)區(qū)域由具有不同灰度值的子區(qū)域組成，通過(guò)采用區(qū)域合并，最大程度 的降低標(biāo)記錯(cuò)誤的產(chǎn)生。設(shè)原目標(biāo)區(qū)域Rk被分割成兩個(gè)不同的子區(qū)域，分別為W和Rkj，基 本思想如下
0100] ①在信息數(shù)據(jù)縱向方向位置相同情況下，在橫向方向上，判斷Rki和RkJ'區(qū)域邊界上 最近兩點(diǎn)間的距離，設(shè)為dx。
0101] ②在信息數(shù)據(jù)橫向方向位置相同情況下，在縱向方向上，判斷Rki和RkJ'區(qū)域邊界上 最近兩點(diǎn)間的距離，設(shè)為dy。
0102]③若dx < Tmerge或者dy < Tmerge，則合并和Rkj兩個(gè)區(qū)域，其中Tmerge表示區(qū)域間
距離間隔。
0103] 合并順序Rk1為以種子點(diǎn)形成的Rk第一個(gè)子類，因此合并以V為基類，將后續(xù)產(chǎn)
生的子類與其進(jìn)行判別函數(shù)計(jì)算，合并后得到新的基類Rk1。合并后，A ={《}，信息中所有 目標(biāo)區(qū)域R二 ，Rk}。
0104] (b)對(duì)包含反射數(shù)據(jù)處理方法，采用分形理論分割方法
0105] 對(duì)于一幅MXM的信息數(shù)據(jù)，設(shè)f (x。，y。)表示信息數(shù)據(jù)中(x。，y。)處的像素灰度值， 則有
0106]
0107] 0108] 0109]
l,(x,力_ /(x。，少o )|
式中，點(diǎn)(x， y)和點(diǎn)(x。， y。)必須滿足
x-x。) +0-少0) =Ar (7)
采用變化尺度進(jìn)行歸一化處理，則公式(4)變?yōu)?lt;formula>formula see original document page 13</formula>
式中，點(diǎn)(x， y)和點(diǎn)(x。， y。)必須滿足 <formula>formula see original document page 13</formula> (9) 在log(E(AIA》一log(Ar)坐標(biāo)系下做直線的最小二乘擬合，確定分形維數(shù)
D。最后將計(jì)算得到的分形維數(shù)D按其相應(yīng)的位置排列起來(lái)，可得到一個(gè)分維分布矩陣，將
該矩陣線性變換到
范圍內(nèi)，便可得到一幅灰度圖像，稱為分維分布圖。對(duì)該分布圖
進(jìn)行閾值分割處理獲得目標(biāo)信息。 7、目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)深度 根據(jù)相鄰兩個(gè)時(shí)刻，環(huán)境信息中目標(biāo)點(diǎn)位置的變化以及機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)位置的變 化，通過(guò)幾何換算估算出目標(biāo)點(diǎn)與機(jī)器人在深度上的位置。如圖10所示，由位移變化量、前 一時(shí)刻的探測(cè)距離和當(dāng)前時(shí)刻的探測(cè)距離可計(jì)算出角度1的數(shù)值，再根據(jù)聲納垂向開角可 確定角度2的數(shù)值。根據(jù)角度2的數(shù)值和當(dāng)前時(shí)刻的探測(cè)距離可確定相對(duì)位置。
8、目標(biāo)點(diǎn)的深度信息確定。 根據(jù)估計(jì)得到的目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)深度信息和機(jī)器人實(shí)際的深度信息，得到目標(biāo)點(diǎn)的深
度信息。 按照上述的結(jié)構(gòu)和方法構(gòu)建的系統(tǒng)，已經(jīng)進(jìn)行了軟件仿真、半實(shí)物仿真、水池試驗(yàn) 和海試試驗(yàn)。圖9給出了水池探測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖IO給出了海試試驗(yàn)結(jié)果。
權(quán)利要求
一種水下機(jī)器人目標(biāo)探測(cè)裝置，組成包括PC/104計(jì)算機(jī)、單波束前視聲納設(shè)備傳感器、多普勒計(jì)、深度計(jì)、高度計(jì)及繼電器元件，其特征是單波束前視聲納傳感器布置在水下機(jī)器人本體上部，多普勒計(jì)、高度計(jì)、深度計(jì)布置在水下機(jī)器人本體下部，所有傳感器信號(hào)通過(guò)水密電纜傳入到布置在艙內(nèi)的PC/104計(jì)算機(jī)；PC/104計(jì)算機(jī)包括CPU核心板卡、8串口卡、DI\O板、電源板；DI\O板需提供5V輸入電源，其他板卡通過(guò)PC/104總線進(jìn)行24V電源傳輸；所有板卡數(shù)據(jù)都通過(guò)PC/104總線傳輸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下機(jī)器人目標(biāo)探測(cè)裝置，其特征是單波束前視聲納設(shè)備 傳感器和多普勒計(jì)通過(guò)RS232串行口與PC104串口卡進(jìn)行實(shí)時(shí)聯(lián)系，提供傳感器數(shù)據(jù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的水下機(jī)器人目標(biāo)探測(cè)裝置，其特征是高度計(jì)和深度計(jì) 選用數(shù)字化傳感器，輸出為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)RS232串行口直接進(jìn)行傳輸。
4. 一種水下機(jī)器人目標(biāo)探測(cè)方法，其特征是利用由PC/104計(jì)算機(jī)、單波束前視聲納 設(shè)備傳感器、多普勒計(jì)、深度計(jì)、高度計(jì)及繼電器元件組成的水下機(jī)器人目標(biāo)探測(cè)裝置；(1) 通過(guò)相應(yīng)傳感器獲取環(huán)境探測(cè)信息、機(jī)器人本體姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度信息、深度信息和 高度信息；(2) 根據(jù)機(jī)器人本體姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度信息，對(duì)環(huán)境探測(cè)信息進(jìn)行修正；(3) 依據(jù)高度信息，結(jié)合探測(cè)距離，對(duì)修正后環(huán)境信息進(jìn)行劃分；(4) 對(duì)劃分后的環(huán)境信息，采用不同的分割方法，得到目標(biāo)點(diǎn)水平面的二維信息；(5) 根據(jù)相鄰環(huán)境信息作中目標(biāo)點(diǎn)位置和機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)位置的變化，通過(guò)幾何換算 確定目標(biāo)點(diǎn)與機(jī)器人在深度上的相對(duì)位置；(6) 根據(jù)深度信息和目標(biāo)點(diǎn)與機(jī)器人在深度上的相對(duì)位置，確定目標(biāo)點(diǎn)的深度信息。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的水下機(jī)器人目標(biāo)探測(cè)方法，其特征是所述獲取環(huán)境探測(cè)信息 的方法為單波束前視聲納每次接受一個(gè)波束指向上的數(shù)據(jù)，首先將每組接受到的數(shù)據(jù)按照指向 角度與探測(cè)距離數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)探測(cè)區(qū)域空間所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢后，采用波束內(nèi)插 和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換生成區(qū)域探測(cè)數(shù)據(jù)；波束內(nèi)插采用拉格朗日插值公式進(jìn)行六點(diǎn)內(nèi)插，拉格朗日插值公式為式中n為插值所需點(diǎn)數(shù)，對(duì)拋物插值n = 3 ; yk為已知函數(shù)值； Ak為所用函數(shù)權(quán)值。由公式(1)得兩點(diǎn)間內(nèi)插四點(diǎn)的六點(diǎn)內(nèi)插公式(2):<formula>formula see original document page 3</formula>其中P(X) = 0 P(x,)<0 <P(x,) = P(x,) 0SP(x,)S;ax坐標(biāo)變換采用零階內(nèi)插法來(lái)實(shí)現(xiàn)像素點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換，設(shè)A，B，C，D，四點(diǎn)處的像素值分別是PA，PB，Pc，P。，距0點(diǎn)的距離分別為:dA，dB， dc， dD則0點(diǎn)處的像素值為:P。 = Pi (3) 其中di = min[dA， dB， dc， dD]根據(jù)(3)式，通過(guò)遍歷笛卡兒坐標(biāo)系中每一個(gè)像素點(diǎn)，確定笛卡兒坐標(biāo)系中每一個(gè)像 素點(diǎn)的像素值，若A， B， C， D四點(diǎn)所圍成區(qū)域中包含多個(gè)像素點(diǎn)，則由(3)式確定各自像素 值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水下機(jī)器人目標(biāo)探測(cè)方法，其特征是所述對(duì)環(huán)境探測(cè)信息修 正的方法為對(duì)于探測(cè)距離的修正，是以所接收到的第一幀數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，根據(jù)采樣時(shí)間與艇體速度， 計(jì)算出每一幀數(shù)據(jù)偏移量，之后與該幀的探測(cè)存儲(chǔ)距離相加，得到校正后的探測(cè)距離；對(duì)于指向角度的修正，僅考慮航向角度對(duì)數(shù)據(jù)的影響，M點(diǎn)在水平面位置信息與同一聲 波波面上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)M'是一致的，即以極坐標(biāo)點(diǎn)M' ( P ， a )來(lái)表示，即M點(diǎn)對(duì)應(yīng)在水平面 的坐標(biāo)應(yīng)為 <formula>formula see original document page 3</formula>當(dāng)航向角變化時(shí)，基陣坐標(biāo)系發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即僅對(duì)(X，Y)平面起作用，而與Z無(wú)關(guān)，則兩個(gè)位置之間關(guān)系變?yōu)閷⒍嗥绽沼?jì)得到的ey值代入，獲得指向角度修正后的數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的水下機(jī)器人目標(biāo)探測(cè)方法，其特征是所述得到目標(biāo)點(diǎn)水平面的二維信息的方法為根據(jù)高度計(jì)獲得機(jī)器人距離海底的高度信息和聲納在垂向上的探 測(cè)開角，通過(guò)幾何換算，將聲納數(shù)據(jù)分為兩類不包含海底反射信息數(shù)據(jù)和包含海床反射信 息數(shù)據(jù)；根據(jù)劃分的不同兩類信息，采用區(qū)域生長(zhǎng)和分形理論兩種不同的方法進(jìn)行信息提 ??；(a) 對(duì)不包含反射數(shù)據(jù)處理方法采用區(qū)域生長(zhǎng)方法① 對(duì)探測(cè)信息進(jìn)行逐行掃描，找出尚沒(méi)有歸屬的像素；② 以該像素為中心檢查它的鄰域像素，即將鄰域中的像素逐個(gè)與它比較，如果灰度大 于確定閾值T，將它們合并；③ 以新合并的像素為中心，返回步驟②，檢查新像素的鄰域，直到區(qū)域不能進(jìn)一步擴(kuò)張；④ 返回到步驟①，繼續(xù)掃描直到不能發(fā)現(xiàn)沒(méi)有歸屬的像素，則結(jié)束整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程； 對(duì)于分割后得到的信息，采用區(qū)域標(biāo)記與合并的方法進(jìn)行處理，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下① 若當(dāng)前正被掃描像素的灰度值為l，則將它標(biāo)記為與之相連通的目標(biāo)像素；② 若當(dāng)前正被掃描像素與兩個(gè)或多個(gè)目標(biāo)相連通，則認(rèn)為這些目標(biāo)實(shí)際是同一個(gè)，則 將它們連接起來(lái)；③ 如果發(fā)現(xiàn)了從灰度值為0的像素到一個(gè)孤立的灰度值為1的像素的過(guò)渡，則賦一個(gè) 新的目標(biāo)標(biāo)記；采用區(qū)域合并降低標(biāo)記錯(cuò)誤的產(chǎn)生，設(shè)原目標(biāo)區(qū)域Rk被分割成兩個(gè)不同的子區(qū)域，分 別為W和V :① 在信息數(shù)據(jù)縱向方向位置相同情況下，在橫向方向上，判斷Rki和RkJ'區(qū)域邊界上最近 兩點(diǎn)間的距離，設(shè)為dx;② 在信息數(shù)據(jù)橫向方向位置相同情況下，在縱向方向上，判斷W和Rkj區(qū)域邊界上最近 兩點(diǎn)間的距離，設(shè)為dy;③ 若dx < Tmerge或者dy < Tmerge，則合并和Rkj兩個(gè)區(qū)域，其中Tmerge表示區(qū)域間距離 間隔；合并順序Rk1為以種子點(diǎn)形成的Rk第一個(gè)子類，因此合并以Rk1為基類，將后續(xù)產(chǎn)生的 子類與其進(jìn)行判別函數(shù)計(jì)算，合并后得到新的基類Rk1 ;合并后，A ={《}，信息中所有目標(biāo) 區(qū)域尺=…，RJ。(b) 對(duì)包含反射數(shù)據(jù)處理方法，采用分形理論分割方法對(duì)于一幅MXM的信息數(shù)據(jù)，設(shè)f(x。，y。)表示信息數(shù)據(jù)中(x。，y。)處的像素灰度值，則式中，點(diǎn)(x， y)和點(diǎn)(x。， y。)必須滿足<formula>formula see original document page 5</formula>(7)采用變化尺度進(jìn)行歸一化處理，則公式(6)變?yōu)?lt;formula>formula see original document page 5</formula>式中，點(diǎn)(x，y)和點(diǎn)(x。，y。)必須滿足<formula>formula see original document page 5</formula>(9)在log (E ( A I A》一log ( A r)坐標(biāo)系下做直線的最小二乘擬合，確定分形維數(shù)D，最后 將計(jì)算得到的分形維數(shù)D按其相應(yīng)的位置排列起來(lái)，可得到一個(gè)分維分布矩陣，將該矩陣 線性變換到
范圍內(nèi)，得到一幅灰度圖像，稱為分維分布圖，對(duì)該分布圖進(jìn)行閾值分 割處理獲得目標(biāo)信息。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種水下機(jī)器人目標(biāo)探測(cè)裝置及探測(cè)方法。包括PC/104計(jì)算機(jī)、單波束前視聲納設(shè)備傳感器、多普勒計(jì)、深度計(jì)、高度計(jì)及繼電器元件。當(dāng)在水下狀態(tài)時(shí)，計(jì)算機(jī)上電后，設(shè)備控制程序自主運(yùn)行，通過(guò)DI\O數(shù)字板控制繼電器打開傳感器，由單波束前視聲納完成行進(jìn)方向的環(huán)境信息采集，利用多普勒計(jì)信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，通過(guò)對(duì)深度信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，通過(guò)處理算法得到水下目標(biāo)點(diǎn)水平面信息，依據(jù)深度計(jì)信息對(duì)目標(biāo)水下深度信息進(jìn)行估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的檢測(cè)。本發(fā)明避免了多波束前視聲納以及三維聲吶存在的空間占有問(wèn)題，有效地解決了單波束前視聲納只能獲得水下目標(biāo)二維探測(cè)信息問(wèn)題，更適用于水下無(wú)人潛水器的水下目標(biāo)檢測(cè)應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01S7/52GK101750611SQ20091007332
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月2日
發(fā)明者萬(wàn)磊, 唐旭東, 姜嬋娟, 孫俊嶺, 龐永杰, 張鐵棟, 曾文靜, 李東起, 秦再白, 陳艷 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)