[發明專利]一種基于偏振光/慣性/視覺組合導航的水下同步定位與建圖方法

有效

• 申請號: 202110620366.9
• 申請日: 2021-06-03
• 公開（公告）號: CN113739795B
• 公開（公告）日: 2023-10-20
• 發明（設計）人: 夏琳琳;劉瑞敏;蒙躍;張晶晶
• 申請（專利權）人: 東北電力大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/20;G01C21/32
• 代理公司: 吉林省中玖專利代理有限公司 22219
• 代理人: 李泉宏

本發明公開了一種基于偏振光/慣性/視覺組合導航的水下同步定位與建圖方法，屬于水下導航領域本發明方法包括：首先利用水下偏振模式依賴太陽位置信息的原理，測量不同地點、深度和時間的水下偏振角，同時，利用偏振光傳感器準確測得水下潛航器的速度、姿態、位置及航向角信息；其次利用場景的偏振信息，研究拓撲節點的識別方法和特征表達方法，以便更好地進行場景識別和目標探測；最后，考慮到水下濾波器的實用性，提出自適應無跡卡爾曼濾波(AUKF)數據融合策略，以改進的最大無偏后驗噪聲統計估計器在線估計未知系統噪聲等參數，應用于水下潛航器的同時定位和地圖構建(SLAM)，即實現AUKF?SLAM。本發明可顯著提高組合導航的定位定向精度。

技術領域

本發明涉及一種基于偏振光/慣性/視覺組合導航的水下同步定位與建圖方法，屬于水 下導航領域，滿足不同場景水下導航的技術精度、可靠性、隱蔽性以及海域適用性的需 求。

背景技術

仿生偏振光導航作為新興導航技術，具有導航性能良好、隱蔽性強、干擾性低的優點，近年來受到眾多學者的關注。在已有研究中，不論太陽光還是月光，天空偏振光的 研究主要集中在陸地上，對海面及水下潛航的研究甚少，然而，仿生偏振光導航也具有 水中應用的潛力。由于水下偏振模式是穩定的，水下散射光的偏振分布含有水下輻射率 峰值的太陽方向的位置信息，所以很多水下生物利用海洋散射光偏振分布模式，通過對 偏振信息的感知進行導航。本發明提出了一種水下偏振光導航技術，輔助慣性導航，實 現水下自主無源導航。

將同時定位和地圖構建(SLAM)技術應用于水下導航具有重要研究意義，其目的是使水下潛航器不依賴先驗的水下環境信息，而是從自身攜帶的傳感器提取所需信息， 并通過環境模型和環境特征構建地圖。目前，常用的導航解算側重于利用運動環境來表 達，即以圖像為特征、語義信息為驅動，但這忽略了運動空間度量，所以本發明側重構 建水中運動環境的導航拓撲，提高了導航的定位定向精度。

綜上，本發明以慣性導航為主體，輔以偏振光仿生導航，在構建地圖方面對節點特征的識別表達也進行改進，利用偏振片和相機設計偏振視覺圖像增強模型。對場景偏振 分析，有助于場景辨識和目標識別探測；采用AUKF-SLAM數據融合策略，不但可以增 強濾波算法的穩定性和自適應能力，還可以修正導航誤差，對未來水下環境檢測、資源 勘探起至關重要的作用。

發明內容

對于水下潛航器的導航定位，為克服慣性導航系統的不足，本發明提出了一種基于 偏振光/慣性/視覺組合導航的水下同步定位與建圖方法，采用偏振光/慣性/視覺組合導航 模式，構建水下組合導航系統。以偏振光羅盤作為定向結果，利用偏振視覺場景圖像信 息，以拓撲節點的特征為識別和表述方法，實現水下航行的自身定位，同時構建環境地圖。提出AUKF數據融合模型，并應用于水下潛航器的同步定位與建圖，得到更準確的 導航定向定位精度。

技術方案：本發明提出一種基于偏振光/慣性/視覺組合導航的水下同步定位與建圖方法， 包括以下五個步驟：

步驟1：選取水下潛航器的姿態、速度及位置作為系統狀態，建立潛航器的運動學模型；

步驟2：通過偏振傳感器的定向算法，采用偏振態的最小二乘法計算太陽矢量，并確定 太陽位置；

步驟3：通過拓撲節點識別算法，利用圖像偏振信息，構建視覺場景環境特征地圖；

步驟4：根據慣性導航系統的速度輸出，建立速度慣性導航量測模型和偏振光非線性量 測模型；

步驟5：整合上述步驟，通過數據融合建立組合導航系統模型，構建環境地圖。

步驟1：在SLAM研究算法中，對載體構建模型至關重要。選取水下潛航器的姿態、速度及位置作為系統狀態，建立潛航器的運動學模型；

該運動模型的非線性方程為：