[發(fā)明專利]從多波束聲吶數(shù)據(jù)中建立地圖的魯棒優(yōu)化方法和系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011112700.1
• 申請(qǐng)日: 2020-10-16
• 公開（公告）號(hào): CN112581610B
• 公開（公告）日: 2023-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳德山;劉衡睿
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T17/05
• 分類號(hào): G06T17/05;G06T19/00;G01S15/89
• 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: 胡輝

本發(fā)明公開了一種從多波束聲吶數(shù)據(jù)中建立地圖的魯棒優(yōu)化方法和系統(tǒng)，應(yīng)用在聲吶圖像技術(shù)，該方法包括以下步驟：獲取一組聲吶圖像數(shù)據(jù)以及所述聲吶圖像數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的水下航行器的航行數(shù)據(jù)；根據(jù)水下航行器的航行數(shù)據(jù)建立水下航行器位姿優(yōu)化模型；根據(jù)所述聲吶圖像數(shù)據(jù)，構(gòu)建地圖點(diǎn)云關(guān)聯(lián)模型；根據(jù)所述行器位姿優(yōu)化模型和所述點(diǎn)云關(guān)聯(lián)模型構(gòu)建位姿優(yōu)化代價(jià)函數(shù)；通過(guò)最小二乘法對(duì)所述位姿優(yōu)化代價(jià)函數(shù)進(jìn)行求解，得到優(yōu)化量；根據(jù)所述優(yōu)化量和所述聲吶圖像數(shù)據(jù)得到優(yōu)化后的水下環(huán)境數(shù)據(jù)。本方案可以產(chǎn)生更加接近于真實(shí)水下場(chǎng)景的。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及聲吶圖像技術(shù)，尤其是一種從多波束聲吶數(shù)據(jù)中建立地圖的魯棒優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

隨著當(dāng)今科技的飛速進(jìn)步，自主式水下航行器(Autonomous?UnderwaterVehicle，AUV)已經(jīng)成為水下目標(biāo)探查、搜救探索以及資源開發(fā)等水下環(huán)境測(cè)繪的重要載體。水下信息感知主要由聲、光、磁、電等傳感器接收的水下環(huán)境和信息和目標(biāo)信號(hào)，但是水下環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，視覺(jué)、激光等一些在陸地上常用的傳感器在水下環(huán)境則需要一些類似水域有足夠的清晰度、傳感器與探測(cè)表面距離足夠近等局限條件，因此遠(yuǎn)程信息感知常用的是聲場(chǎng)信息，即在水下機(jī)器人在獲取大范圍水下環(huán)境數(shù)據(jù)主要依托聲吶完成，相較于其他傳感器，聲吶更適合水下探測(cè)的相關(guān)任務(wù)。多波束聲吶是最常用的聲吶設(shè)備之一，其不僅測(cè)量范圍大、速度快，而且具有較高的精確度和檢測(cè)效率，能夠?qū)?shù)字化以及實(shí)時(shí)繪圖進(jìn)行有效的記錄，實(shí)現(xiàn)了對(duì)上百個(gè)水下目標(biāo)點(diǎn)的形狀、大小以及高低變化等的檢測(cè)。但由于水下機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于環(huán)境惡劣、可用信息少、水下暗流等一些隨機(jī)因素影響著水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，從而引起一些不確定性的誤差，導(dǎo)致在利用傳感器進(jìn)行航跡以及位姿推算更新時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的累計(jì)誤差，使得到的水下機(jī)器人的位姿信息精度降低，如何減小水下機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由傳感器帶來(lái)的測(cè)量誤差，提高位姿數(shù)據(jù)精度，逐漸成為移動(dòng)機(jī)器人定位研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

水下機(jī)器人的同時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)(simultaneous?localization?andmapping,SLAM)是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)水下未知環(huán)境下導(dǎo)航定位的關(guān)鍵性技術(shù)，也是當(dāng)前水下地圖繪制的研究熱點(diǎn)，同時(shí)定位與制圖技術(shù)是指搭載特定傳感器的主體，在沒(méi)有環(huán)境先驗(yàn)信息的情況下，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中建立環(huán)境的模型，同時(shí)估計(jì)自身的運(yùn)動(dòng)。

在相關(guān)技術(shù)中，構(gòu)建的水下場(chǎng)景精度比較差需要進(jìn)行改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術(shù)問(wèn)題的至少之一，本發(fā)明的目的在于：提供一種可以比較準(zhǔn)確地探測(cè)出水下場(chǎng)景的從多波束聲吶數(shù)據(jù)中建立地圖的魯棒優(yōu)化方法和系統(tǒng)。

第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了：

一種從多波束聲吶數(shù)據(jù)中建立地圖的魯棒優(yōu)化方法，包括以下步驟：

獲取一組聲吶圖像數(shù)據(jù)以及所述聲吶圖像數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的水下航行器的航行數(shù)據(jù)；

根據(jù)水下航行器的航行數(shù)據(jù)建立水下航行器位姿優(yōu)化模型；

根據(jù)所述聲吶圖像數(shù)據(jù)，構(gòu)建地圖點(diǎn)云關(guān)聯(lián)模型；

根據(jù)所述航行器位姿優(yōu)化模型和所述點(diǎn)云關(guān)聯(lián)模型構(gòu)建位姿優(yōu)化代價(jià)函數(shù)；

通過(guò)最小二乘法對(duì)所述位姿優(yōu)化代價(jià)函數(shù)進(jìn)行求解，得到優(yōu)化量；

根據(jù)所述優(yōu)化量和所述聲吶圖像數(shù)據(jù)得到優(yōu)化后的水下環(huán)境數(shù)據(jù)。

在部分實(shí)施例中，所述航行數(shù)據(jù)包括時(shí)間戳數(shù)據(jù)、聲吶朝向角數(shù)據(jù)、航行朝向角數(shù)據(jù)、深度數(shù)據(jù)和航行速度數(shù)據(jù)。

在部分實(shí)施例中，所述水下航行器位姿優(yōu)化模型N為：