[發(fā)明專利]一種面向水下機(jī)器人搜尋探摸的目標(biāo)定位方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010143341.X
• 申請(qǐng)日: 2020-03-04
• 公開（公告）號(hào): CN111413698A
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬杰;尉浩然;余逸飛;劉克中;張煜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S15/06
• 分類號(hào): G01S15/06;G01S15/89;G01S7/539;G06K9/00;G06K9/46;G06K9/62;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 廣州嘉權(quán)專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 44205
• 代理人: 任毅

1.一種面向水下機(jī)器人搜尋探摸的目標(biāo)定位方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1.通過水下機(jī)器人的前視聲吶采集的聲納圖像提取水下目標(biāo)的A-KAZE特征點(diǎn)；

S2.將帶有A-KAZE特征的聲吶圖像輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法識(shí)別聲吶圖像中目標(biāo)的A-KAZE特征點(diǎn)；

S3.運(yùn)用目標(biāo)特征點(diǎn)與前置聲吶的幾何關(guān)系測(cè)算水下目標(biāo)相對(duì)于水下機(jī)器人的二維方位；

S4.將水下目標(biāo)特征點(diǎn)二維方位和水下機(jī)器人的姿態(tài)結(jié)合測(cè)算水下機(jī)器人的仰角θ，通過得到的仰角θ測(cè)算水下目標(biāo)相對(duì)于水下機(jī)器人的三維方位；

S5.運(yùn)用約束不足或約束充足的特征點(diǎn)修正水下機(jī)器人的仰角θ，修正水下目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于水下機(jī)器人的三維方位。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向水下機(jī)器人搜尋探摸的目標(biāo)定位方法，其特征在于，所述步驟S1中提取水下目標(biāo)的A-KAZE特征點(diǎn)包括以下步驟：

S101.定義一組演化時(shí)間構(gòu)建非線性尺度空間；

S102.將像素單位中的離散集轉(zhuǎn)換為時(shí)間單位；

S103.給定輸入圖像和對(duì)比度因子，使用快速顯式擴(kuò)散方法；

S104.將快速顯式擴(kuò)散方法嵌入從粗到細(xì)的金字塔方法中；

S105.為每個(gè)聲吶圖像計(jì)算海森行列式；

S106.使用級(jí)聯(lián)沙爾濾波器計(jì)算二階導(dǎo)數(shù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向水下機(jī)器人搜尋探摸的目標(biāo)定位方法，其特征在于，所述步驟S2的具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步驟：

S201.使用GoogLeNet架構(gòu)在聲吶圖像數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的面向水下機(jī)器人搜尋探摸的目標(biāo)定位方法，其特征在于：所述GoogLeNet架構(gòu)包括五層，第一層和第二層為卷積層和最大池化層，第三層為inception層，第四層為特征層，是完全連接的層，第四層將先前的輸出映射到Dim×1向量，第五層是完全連接的層，第五層將先前的特征層映射為3×1向量，并將映射為3×1向量的特征層與使用歐式損失的位置標(biāo)簽進(jìn)行比較。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向水下機(jī)器人搜尋探摸的目標(biāo)定位方法，其特征在于，所述步驟S3的具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步驟：

S301.局部笛卡爾聲吶坐標(biāo)系與球面參數(shù)坐標(biāo)系相互轉(zhuǎn)化。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向水下機(jī)器人搜尋探摸的目標(biāo)定位方法，其特征在于，所述步驟S4的具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步驟：

S401.將水下目標(biāo)特征點(diǎn)和水下機(jī)器人的姿態(tài)公式化為非線性最小二乘因子圖優(yōu)化，對(duì)于每個(gè)姿態(tài)X_t，包含以下6個(gè)參數(shù)(x，y，z，yaw，pitch，roll)，對(duì)于每個(gè)特征點(diǎn)，包含以下3個(gè)參數(shù)(x，y，z)；

S402.將因子圖求解為非線性最小二乘優(yōu)化；

S403.將特征點(diǎn)l_j＝(x，y，z)轉(zhuǎn)換為聲吶幀，獲得局部坐標(biāo)(x_s，y_s，z_s)的方位角和距離；

S404.利用對(duì)數(shù)函數(shù)的單調(diào)性，通過聲吶測(cè)量值的反投影找到特征點(diǎn)的初始估計(jì)；

S405.將未知仰角θ設(shè)置為0，然后使用水下機(jī)器人姿態(tài)X_t將點(diǎn)從聲納直角坐標(biāo)(x_s，y_s，z_s)轉(zhuǎn)換為世界直角坐標(biāo)(x，y，z)，用作初始猜測(cè)特征點(diǎn)的三維方位；

S406.將預(yù)測(cè)的三維特征點(diǎn)位置轉(zhuǎn)換為姿態(tài)X_t的聲吶坐標(biāo)系。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向水下機(jī)器人搜尋探摸的目標(biāo)定位方法，其特征在于，所述步驟S5的具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步驟：

S501.通過不同姿態(tài)觀察目標(biāo)特征點(diǎn)的仰角；

S502.將觀察到的特征點(diǎn)分類為約束不足或約束充足的要素；

S503.為了確定點(diǎn)特征點(diǎn)是否受到充足約束，使用三自由度球面參數(shù)化；

S504.以特征點(diǎn)l⁰的初始估計(jì)為線性化點(diǎn)，使用測(cè)量函數(shù)的泰勒級(jí)數(shù)展開；

S505.將優(yōu)化簡化為線性最小二乘問題；

S506.確定優(yōu)化是否受到測(cè)量約束；

S507.從狀態(tài)向量中完全刪除約束不足的特征點(diǎn)；

S508.僅從狀態(tài)向量中完全刪除約束不足的特征點(diǎn)的仰角，然后將約束不足的特征點(diǎn)建模為因子圖中的二維方位距離點(diǎn)。