水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統(tǒng)及成像方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統(tǒng)及成像方法，包括水下機器人、水面光端機、水面上位機，水下機器人上設(shè)有4個水平分量測距聲納和1個垂直分量測距聲納，其中4個水平分量測距聲納的相互之間方位差為90度；水下機器人上還設(shè)有光纖陀螺儀。通過4個水平分量測距聲納可獲得斜井的一幀二維圖像序列，水面上位機對一系列二維圖像序列進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過對斜井的幾何尺寸和4個水平分量測距聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使二維圖像序列垂直軸向上對齊，通過光纖陀螺儀測得的艏向角度使二維圖像序列水平方向?qū)R，再結(jié)合垂直分量測距聲納測得的機器人到水面垂直距離，實時繪制出斜井的二維和三維圖像。
【專利說明】水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統(tǒng)及成像方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統(tǒng)及成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，聲納成像在水聲領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注和發(fā)展，利用三維成像聲納在水質(zhì)渾濁和光照條件較差的條件下仍可獲取水下目標(biāo)的外形輪廓的細(xì)節(jié)信息和環(huán)境信息。三維成像聲納是一種高分辨率的圖像聲納，能夠提供非常優(yōu)秀的圖像質(zhì)量。它以波束形成或聲透鏡技術(shù)為基礎(chǔ)，目前主要有兩種技術(shù)路線:一是采用一維線陣，通過機械平移合成二維面陣；第二種是直接采用二維面陣，在水平、垂直、距離3個方向上直接獲得分辨率。把圖像聲納裝載到各種水下智能機器人(Automatic Underwater Vehicle, AUV)、遙控水下機器人(ROV)和水下無人潛器(UUV)上進(jìn)行水下作業(yè)，可對水下堤壩、管道、橋墩和海港等進(jìn)行探測。借助計算機可視化技術(shù)，將探測結(jié)果以生動的三維圖形圖像的方式表現(xiàn)出來，通過縮放、移動、轉(zhuǎn)動和測距等操作從各種視角進(jìn)行觀察和分析，提高水下探測的效率。
[0003]水利蓄能電站斜井內(nèi)管壁探測對研制新型成像聲納和三維成像方法提出了需求，因為對水利蓄能電站斜井探測來說，一方面目前的圖形聲納是一維或二維的傳感器陣，需要非常多的水聲傳感器單元，對安裝精度的要求很高，硬件制作成本和軟件計算成本也都很高；另一方面，因為斜井本身是個圓柱形，水平截面是個橢圓形，傳統(tǒng)的三維成像聲納很難獲得水平全向的斜井三維圖像，必須采用技術(shù)手段進(jìn)行拼接，實現(xiàn)起來較為困難，且實際效果很難保證。另外，水下機器 人依靠螺旋槳推進(jìn)器控制其在水中運動，由于其非線性水動力學(xué)特性、水流的隨機干擾和差分反饋控制機制等因素的影響，在下潛和水平旋轉(zhuǎn)過程中很難使它保持一致的相對位置。與機器人剛性連接的聲納系統(tǒng)受此影響，采集的二維目標(biāo)圖像切片不能在垂直軸向和水平方向?qū)R，導(dǎo)致三維繪制扭曲失真。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于提供一種水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統(tǒng)及成像方法，能夠?qū)崿F(xiàn)全面探測，并且能夠有效避免探測圖像失真。
[0005]基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明具有兩個獨立的技術(shù)方案:
[0006]1.一種水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統(tǒng)，包括水下機器人、水面光端機、水面上位機，水下機器人與水面光端機通信連接，水面光端機與水面上位機通信連接，其特征在于:水下機器人上設(shè)有4個水平分量測距聲納和I個垂直分量測距聲納，其中4個水平分量測距聲納的相互之間方位差為90度；水下機器人上還設(shè)有光纖陀螺儀。
[0007]水下機器人上還設(shè)有深度計。
[0008]水下機器人上設(shè)有串口服務(wù)器，串口服務(wù)器可以是以太網(wǎng)交換機，用于上傳水下機器人運動狀態(tài)、光纖陀螺儀、深度計和五分量測距聲納的數(shù)據(jù)。
[0009]水面光端機可以為快速光纖以太網(wǎng)卡，實現(xiàn)水面上位機和水下機器人通信連接。
[0010]水面上位機可以是工業(yè)筆記本或臺式電腦，負(fù)責(zé)向下發(fā)送命令，接收水下機器人的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，實時繪制二維和三維斜井圖像。
[0011]光纖陀螺儀可以是數(shù)字光纖陀螺，可測量相對機器人初始艏向的相對角度和積分角度。
[0012]2.一種利用上述水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統(tǒng)的成像方法，其特征在于:水下機器人的運動步驟為，
[0013]步驟1:初始化機器人位置和校正艏向零度；
[0014]步驟2:機器人保持艏向下潛動作，下潛一步長； [0015]步驟3:機器人原地逆時針旋轉(zhuǎn)90度進(jìn)行掃描動作，利用測距聲納掃描測距；
[0016]步驟4:機器人保持艏向下潛動作，再下潛一步長；
[0017]步驟5:機器人原地順時針旋轉(zhuǎn)90度進(jìn)行掃描動作，利用測距聲納掃描測距；
[0018]步驟6:重復(fù)步驟2—步驟5，直至機器人下潛結(jié)束；
[0019]上述步驟3和步驟5中，通過4個水平分量測距聲納可獲得斜井的一幀二維圖像序列，水面上位機對一系列二維圖像序列進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過對斜井的幾何尺寸和4個水平分量測距聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使二維圖像序列垂直軸向上對齊，通過光纖陀螺儀測得的艏向角度使二維圖像序列水平方向?qū)R，再結(jié)合垂直分量測距聲納測得的機器人到水面垂直距離，實時繪制出斜井的二維和三維圖像。
[0020]通過對斜井的幾何尺寸和4個水平分量測距聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使二維圖像序列垂直軸向上對齊，具體通過如下方法實現(xiàn):
[0021]通過4個水平分量測距聲納，同一時刻可獲得水下機器人前后左右4個目標(biāo)距離信息，分別用a, c, b, d表示,對應(yīng)的斜井內(nèi)壁的四個頂點AU1, Y1)、B(x2, y2)、C(x3, y3)、D(x4, y4)，0(xq，y0)為斜井水平橢圓截面中心,X1, Y1^x2, y2、x3, y3、x4, y4, x0, y0為相應(yīng)的坐標(biāo)。
[0022]根據(jù)4個水平分量測距聲納的距離信息和斜井的幾何尺寸，計算斜井水平橢圓截面相對機器人位置的坐標(biāo)，計算公式如下:
[0023]
【權(quán)利要求】
1.一種水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統(tǒng)，包括水下機器人、水面光端機、水面上位機，水下機器人與水面光端機通信連接，水面光端機與水面上位機通信連接，其特征在于:水下機器人上設(shè)有4個水平分量測距聲納和I個垂直分量測距聲納，其中4個水平分量測距聲納相互之間方位差為90度；水下機器人上還設(shè)有光纖陀螺儀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統(tǒng)，其特征在于:水下機器人上還設(shè)有深度計。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統(tǒng)，其特征在于:水下機器人上設(shè)有串口服務(wù)器，串口服務(wù)器可以是以太網(wǎng)交換機，用于上傳水下機器人運動狀態(tài)、光纖陀螺儀、深度計和五分量測距聲納的數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統(tǒng)，其特征在于:水面光端機可以為快速光纖以太網(wǎng)卡，實現(xiàn)水面上位機和水下機器人通信連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統(tǒng)，其特征在于:水面上位機可以是工業(yè)筆記本或臺式電腦，負(fù)責(zé)向下發(fā)送命令，接收水下機器人的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，實時繪制二維和三維斜井圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統(tǒng)，其特征在于:光纖陀螺儀可以是數(shù)字光纖陀螺，可測量相對機器人初始艏向的相對角度和積分角度。
7.一種利用權(quán)利要求1所述水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統(tǒng)的成像方法，其特征在于:水下機器人的運動步驟為: 步驟1:初始化機器人位置和校正艏向零度； 步驟2:機器人保持艏向下潛動作，下潛一步長； 步驟3:機器人原地逆時針旋轉(zhuǎn)90度進(jìn)行掃描動作，利用測距聲納掃描測距； 步驟4:機器人保持艏向下潛動作，再下潛一步長； 步驟5:機器人原地順時針旋轉(zhuǎn)90度進(jìn)行掃描動作，利用測距聲納掃描測距； 步驟6:重復(fù)步驟2—步驟5，直至機器人下潛結(jié)束； 上述步驟3和步驟5中，通過4個水平分量測距聲納均可獲得斜井的一幀二維圖像序列，水面上位機對一系列二維圖像序列進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過對斜井的幾何尺寸和4個水平分量測距聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使二維圖像序列垂直軸向上對齊，通過光纖陀螺儀測得的艏向角度使二維圖像序列水平方向?qū)R，再結(jié)合垂直分量測距聲納測得的機器人到水面垂直距離，實時繪制出斜井的二維和三維圖像。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于:通過對斜井的幾何尺寸和4個水平分量測距聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使二維圖像序列垂直軸向上對齊，具體通過如下方法實現(xiàn): 通過4個水平分量測距聲納，同一時刻可獲得水下機器人前后左右4個目標(biāo)距離信息，分別用a, c, b, d表示,對應(yīng)的斜井內(nèi)壁的四`個頂點AU1, Y1)、B(x2, y2)、C(x3, y3)、D(x4, y4),o(x0, y0)為斜井水平橢圓截面中心，X1, Υι> χ2,12、χ3.y3> χ4.y4? χ0.y0為相應(yīng)的坐標(biāo)， 根據(jù)4個水平分量測距聲納的距離信息和斜井的幾何尺寸，計算斜井水平橢圓截面相對機器人位置的坐標(biāo)，計算公式如下:
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于:通過光纖陀螺儀測得的艏向角度使二維圖像序列水平方向?qū)R，具體通過如下方法實現(xiàn): 針對光纖陀螺測得的艏向角，通過向下取整或者曲線擬合的方法獲得整數(shù)角度值，相同艏向值上下對正，實現(xiàn)二維圖像序列水平角度的對齊。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于:機器人下潛的一步長為一米。
【文檔編號】G01S15/89GK103744085SQ201410022662
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】聶東虎, 喬鋼, 桑恩方, 周鋒, 馬雪飛, 孫宗鑫, 劉淞佐, 章佳榮, 尹艷玲, 楊健敏 申請人:哈爾濱工程大學(xué)