水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統及成像方法
【專利摘要】本發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行數據處理，通過對斜井的幾何尺寸和4個水平分量測距聲納數據進行處理，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對齊，再結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及成像方法【技術領域】
[0001]本發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及成像方法。
【背景技術】
[0002]近年來，聲納成像在水聲領域受到廣泛關注和發展，利用三維成像聲納在水質渾濁和光照條件較差的條件下仍可獲取水下目標的外形輪廓的細節信息和環境信息。三維成像聲納是一種高分辨率的圖像聲納，能夠提供非常優秀的圖像質量。它以波束形成或聲透鏡技術為基礎，目前主要有兩種技術路線: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)上進行水下作業，可對水下堤壩、管道、橋墩和海港等進行探測。借助計算機可視化技術，將探測結果以生動的三維圖形圖像的方式表現出來，通過縮放、移動、轉動和測距等操作從各種視角進行觀察和分析，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，必須采用技術手段進行拼接，實現起來較為困難，且實際效果很難保證。另外，水下機器 人依靠螺旋槳推進器控制其在水中運動，由于其非線性水動力學特性、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受此影響，采集的二維目標圖像切片不能在垂直軸向和水平方向對齊，導致三維繪制扭曲失真。
【發明內容】
[0004]本發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及成像方法，能夠實現全面探測，并且能夠有效避免探測圖像失真。
[0005]基于同一發明構思，本發明具有兩個獨立的技術方案:
[0006]1.一種水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統，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；水下機器人上還設有光纖陀螺儀。
[0007]水下機器人上還設有深度計。
[0008]水下機器人上設有串口服務器，串口服務器可以是以太網交換機，用于上傳水下機器人運動狀態、光纖陀螺儀、深度計和五分量測距聲納的數據。
[0009]水面光端機可以為快速光纖以太網卡，實現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筆記本或臺式電腦，負責向下發送命令，接收水下機器人的數據并進行處理，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90度進行掃描動作，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90度進行掃描動作，利用測距聲納掃描測距；
[0018]步驟6:重復步驟2—步驟5，直至機器人下潛結束；
[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行數據處理，通過對斜井的幾何尺寸和4個水平分量測距聲納數據進行處理，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對齊，再結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據進行處理，使二維圖像序列垂直軸向上對齊，具體通過如下方法實現:
[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個目標距離信息，分別用a, c, b, d表示,對應的斜井內壁的四個頂點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為相應的坐標。
[0022]根據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，計算公式如下:
[0023]
【權利要求】
1.一種水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統，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；水下機器人上還設有光纖陀螺儀。
2.根據權利要求1所述的水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統，其特征在于:水下機器人上還設有深度計。
3.根據權利要求2所述的水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統，其特征在于:水下機器人上設有串口服務器，串口服務器可以是以太網交換機，用于上傳水下機器人運動狀態、光纖陀螺儀、深度計和五分量測距聲納的數據。
4.根據權利要求3所述的水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統，其特征在于:水面光端機可以為快速光纖以太網卡，實現水面上位機和水下機器人通信連接。
5.根據權利要求4所述的水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統，其特征在于:水面上位機可以是工業筆記本或臺式電腦，負責向下發送命令，接收水下機器人的數據并進行處理，實時繪制二維和三維斜井圖像。
6.根據權利要求5所述的水下機器人五分量測距聲納斜井三維成像系統，其特征在于:光纖陀螺儀可以是數字光纖陀螺，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90度進行掃描動作，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90度進行掃描動作，利用測距聲納掃描測距； 步驟6:重復步驟2—步驟5，直至機器人下潛結束； 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行數據處理，通過對斜井的幾何尺寸和4個水平分量測距聲納數據進行處理，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對齊，再結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.根據權利要求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據進行處理，使二維圖像序列垂直軸向上對齊，具體通過如下方法實現: 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個目標距離信息，分別用a, c, b, d表示,對應的斜井內壁的四`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為相應的坐標， 根據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，計算公式如下:
9.根據權利要求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對齊，具體通過如下方法實現: 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角度值，相同艏向值上下對正，實現二維圖像序列水平角度的對齊。
10.根據權利要求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 優先權日:2014年1月17日
【發明者】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