基於迷你聲納的水下目標探測與auv自動避碰方法及其系統的製作方法
2023-06-12 03:43:41 2
專利名稱：基於迷你聲納的水下目標探測與auv自動避碰方法及其系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及水下目標的聲探測系統以及AUV自動避碰技術，具體涉及一種使用迷你聲納檢測水下目標、確定障礙物位置、給出避碰指令，實現AUV自動避碰的方法以及實現該方法的系統。
背景技術：
由於在軍用和民用兩方面都具有極為廣闊的應用前景，作為水下運載平臺和作業工具的小型水下機器人技術得到了迅猛的發展。許多國家尤其是發達國家都致力於相關的技術研究和產品開發。作為完全自治的水下機器人，探測系統就是它的眼睛和耳目，具有極其重要的地位和作用。通過探測系統，機器人能夠快速獲取水下周圍環境信息，為其運動和水下作業提供引導。而在特殊的水下環境下，聲波是迄今為止唯一可以進行遠程信息傳輸的載體。這就決定了小型水下機器人裝備的探測系統必須以聲納為主。聲納安裝在AUV前部，實時地獲取障礙物的位置信息，為AUV避碰提供前提條件。 由於存在環境幹擾，聲納常常會提供偽信息。這種偽信息的存在會導致AUV的誤判，使AUV 不能向正確的方向前進。這就需要通過對噪聲的濾除提高障礙物探測的準確度。同時由於障礙物的多樣性和未知性，基於傳感器信息，採用怎樣的避碰算法如何進行避碰規避，確保 AUV能夠及時快速地對障礙物做出反應，也是決定系統性能水平的一個重點。
發明內容
本發明進行了聲探測方面的研究，其的目的在於提供一種基於迷你聲納的水下目標探測與AUV自動避碰方法及其系統。實現障礙物定位置，使AUV做出正確的避碰決策。本發明的技術方案如下
一種基於迷你聲納的水下目標探測與AUV自動避碰系統，包括迷你聲納、聲納計算機和主控計算機；所述迷你聲納和聲納計算機之間通過串口 RS485通訊，所述聲納計算機與主控計算機之間通過網絡連接，所述主控計算機通過串口 RS232分別連接光纖陀螺、都卜勒測速儀、高度計、傾角傳感器以及磁羅經，主控計算機同時通過DA通道連接推進器和舵
^r ο本發明同時提供了一種基於迷你聲納的水下目標探測與AUV自動避碰方法，包括如下步驟
步驟1)光纖陀螺、都卜勒測速儀、高度計、傾角傳感器及磁羅經等傳感器採集AUV的狀態信息，通過串口傳給主控計算機，主控計算機進行導航信息處理；
步驟2)迷你聲納發射波束並接收反射回波，並對反射回波進行數位化，定時向聲納計算機發送串行通訊數據包；
步驟3)聲納計算機接收到聲納數據後根據協議格式進行解碼，提取回波數據，通過自動檢測算法生成水下目標的方位距離與特徵信息，通過網絡傳給主控計算機；步驟4)主控計算機根據步驟1)獲取的AUV當前狀態和步驟3)獲取的水下目標所在的位置，通過自動避碰算法生成AUV的航向、速度和深度指令；
步驟5)執行機構按控制指令調整AUV的航向、速度和深度，高速時採用舵翼控制航向，低速時採用推進器控制航向，實現AUV避碰。 其進一步的技術方案為所述步驟3)所採用的水下目標自動檢測算法包括如下步驟
1)波束內插
通過相鄰波束的輸出幅度內插出中間多個波束的輸出值，採用兩點間內插四點的六點內插公式
權利要求
1.一種基於迷你聲納的水下目標探測與AUV自動避碰系統，其特徵在於包括迷你聲納(1)、聲納計算機(2)和主控計算機(3);所述迷你聲納(1)和聲納計算機(2)之間通過串口 RS485通訊，所述聲納計算機(2)與主控計算機(3)之間通過網絡連接，所述主控計算機 (3)通過串口 RS232分別連接光纖陀螺(4)、都卜勒測速儀(5)、高度計(6)、傾角傳感器(7) 以及磁羅經(8 )，主控計算機(3 )同時通過DA通道連接推進器(9 )和舵翼(10 )。
2.一種基於權利要求1的基於迷你聲納的水下目標探測與AUV自動避碰方法，其特徵在於包括如下步驟步驟1):光纖陀螺(4)、都卜勒測速儀(5)、高度計(6)、傾角傳感器(7)及磁羅經(8)等傳感器採集AUV的狀態信息，通過串口傳給主控計算機(3)，主控計算機(3)進行導航信息處理；步驟2)迷你聲納(1)發射波束並接收反射回波，並對反射回波進行數位化，定時向聲納計算機(2)發送串行通訊數據包；步驟3)聲納計算機(2)接收到聲納數據後根據協議格式進行解碼，提取回波數據，通過自動檢測算法生成水下目標的方位距離與特徵信息，通過網絡傳給主控計算機(3)；步驟4)主控計算機(3)根據步驟1)獲取的AUV當前狀態和步驟3)獲取的水下目標所在的位置，通過自動避碰算法生成AUV的航向、速度和深度指令；步驟5):執行機構按控制指令調整AUV的航向、速度和深度，高速時採用舵翼(10)控制航向，低速時採用推進器(9 )控制航向，實現AUV避碰。
3.根據權利要求2所述基於迷你聲納的水下目標探測與AUV自動避碰方法，其特徵在於所述步驟3)所採用的水下目標自動檢測算法包括如下步驟1)波束內插通過相鄰波束的輸出幅度內插出中間多個波束的輸出值，採用兩點間內插四點的六點內插公式(18/4 + 97。— 2)^)/25 PJ-i + ^yn - ^yi )/25 (7,—1 + 21Λ-3 乃)/25 (S1F^ + 24 J0 — Sj1 )/25 ■ 2^ + 24^ +Sj1 )/25 -3^^+2170+7^)/25 +16 J0 + 12 J1 )/25 -2 J^1 + +18^)/252)坐標變換當聲波束觸發到來時，鎖定方位角度θ，距離計數r由零依次增加，回波數據在顯示屏上地址(χ，y)由下式決定fx 二 rsinff [j =,cos沒在坐標變換時，通過映射預先存儲於地址表內的rsm θ和r 的值，直接查找出計算值；3)偽彩色圖像增強用偽彩色代替灰度，採用調色板索引，突出圖像中的細節，提高聲吶圖像分辨能力；4)中值濾波對每個3X3窗口內的像素進行排序以求中值首先將像素(I，j)周圍3* 3方形窗口的像素值讀入數組array [9]；然後用冒泡法對array進行順序，array [4]為該鄰域中值; 最後用array [4]代替f(I，j)；5)兩層圖像分割首先通過高閾值〗3選擇目標的亮區，然後選擇高於低閾值 ι和與亮區相鄰的次亮區，亮區和次亮區整個區域即為目標區域；應選擇^使每個目標有一些像素灰度級高於 2，而背景不含有這樣的像素；同時，應選擇4使每個目標像素點具有高於4的灰度級；經過分割模塊處理後，聲納圖像變成以0、1表示的二值圖像；6)圖像缺損的擬合若/(XJ)是目標點，而/(^ + 是背景點，則約=7 + 1 ；若/(XJ)是背景點，而+ 1)是目標點，則「2 = j +1 ;若0 < -U1 < 30，則/M置為目標點，其中約A S ；7)圖像的細化以上、下、左、右的順序反覆迭代消除相應方向上的簡單邊界點，直至形成弧和曲線；8)邊界跟蹤將二值圖像區域點的灰度值置為1，背景點灰度值置為0 ；以c表示前處理的點，以b表示當前點c的一個背景鄰點；若某一點ρ的灰度值為t，則表示為p=t ；從邊界的任一點開始，此點如第一個當前點c，將其灰度值置為3，作為跟蹤結束的標誌，且將c點坐標放入表列中記錄下來；找到當前點c的一個背景鄰點b，將其灰度值從0變為2 ；從b點開始沿順時針方向訪問當前點c的8個鄰點，直到找到灰度值為1或3或4的點，稱這些點為dl，d2，...，dk;此時有兩種情況若dk=4，c=3，如果c的一個鄰近點dn=2 (h<k)，則將dn灰度值變為 0，c點灰度值變為4，然後終止算法；否則，記錄此點坐標，若c=l，則將其灰度值變為4 ；然後令dk為新的當前點c, dk-Ι為其背景鄰點b ；返回3;9)目標位置估計以形心作為目標位置進行輸出；由於二值化的結果，目標圖像R以內的信號幅度為 「1」，目標圖像R以外的信號幅度為「0」;把形心解算式改寫成
4.根據權利要求2所述基於迷你聲納的水下目標探測與AUV自動避碰方法，其特徵在於所述步驟4)所採用的AUV自動避碰算法基於人工勢場避碰模型，具體步驟如下構造目標位姿引力場和障礙物周圍斥力場共同作用的人工勢力場，搜索勢函數的下降方向來尋找無碰撞路徑；斥力為斥力函數的負梯度，即
全文摘要
本發明涉及一種基於迷你聲納的水下目標探測與AUV自動避碰系統，包括迷你聲納、聲納計算機和主控計算機；所述迷你聲納和聲納計算機之間通過串口RS485通訊，所述聲納計算機與主控計算機之間通過網絡連接，所述主控計算機通過串口RS232分別連接光纖陀螺、都卜勒測速儀、高度計、傾角傳感器以及磁羅經，主控計算機同時通過DA通道連接推進器和舵翼。本發明同時提供了一種基於迷你聲納的水下目標探測與AUV自動避碰方法。本發明使用迷你聲納檢測水下目標，確定障礙物位置，給出避碰指令，使AUV做出正確的避碰決策。
文檔編號G01S15/93GK102231082SQ20111008694
公開日2011年11月2日 申請日期2011年4月8日 優先權日2011年4月8日
發明者徐鵬飛 申請人:中國船舶重工集團公司第七○二研究所