[發明專利]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

有效

• 申請號: 201410022662.9
• 申請日: 2014-01-17
• 公開（公告）號: CN103744085A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 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（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01S15/89
• 分類號: G01S15/89
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

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1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A(x₁,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,y₁、x₂,y₂、x₃,y₃、x₄,y₄，x₀,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：?

其中m,n分別是橢圓的焦距，可根據斜井直徑和傾斜角度計算出來，?

根據坐標變換，計算斜井內壁對應點相對橢圓中心的坐標，使所有的數據自動在垂直軸向上對齊，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。?