[發(fā)明專利]基于深度學(xué)習(xí)的深海海底障礙物測量系統(tǒng)與識(shí)別方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110735441.6
• 申請(qǐng)日: 2021-06-30
• 公開（公告）號(hào): CN113327297B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 寧宇;金永平;彭佑多;何術(shù)東;顏健
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖南科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T7/80
• 分類號(hào): G06T7/80;G06V10/25;G06V10/774;G06V10/82;G06K9/62;G06N3/04;G06N3/08;G01B11/02
• 代理公司: 湘潭市匯智專利事務(wù)所(普通合伙) 43108
• 代理人: 陳偉

本發(fā)明公開了基于深度學(xué)習(xí)的深海海底障礙物識(shí)別方法，包括以下步驟：對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，獲取攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)；收集圖像數(shù)據(jù)集并進(jìn)行預(yù)處理，離線訓(xùn)練模型并評(píng)估；采集海底地形圖像，測量攝像機(jī)離障礙物的距離；基于深度學(xué)習(xí)語義分割技術(shù)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，并獲得障礙物的特征參數(shù)；利用數(shù)據(jù)融合模塊融合標(biāo)定所得的內(nèi)外參數(shù)和測得的距離參數(shù)，將障礙物的特征參數(shù)轉(zhuǎn)換成障礙物的實(shí)際參數(shù)，從而得到障礙物的基本信息。本發(fā)明的識(shí)別方法將深度學(xué)習(xí)技術(shù)與攝像機(jī)標(biāo)定和激光測距等方法進(jìn)行融合，得到障礙物實(shí)際特征參數(shù)，將有利于移動(dòng)式深海取樣裝備進(jìn)行行駛可通行性分析、自動(dòng)避障及路徑規(guī)劃研究。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于深度學(xué)習(xí)的深海海底障礙物測量系統(tǒng)與識(shí)別方法。

背景技術(shù)

海洋蘊(yùn)含著極為豐富的多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼及多金屬硫化物等礦產(chǎn)資源，據(jù)目前初步調(diào)查認(rèn)為：15％的深海區(qū)賦存有多金屬結(jié)核資源，總儲(chǔ)量約3萬億噸，主要賦存于水深3000m～6000m的海底表層；在大約635萬平方公里的海底(占海底面積的1.7％)為富鈷結(jié)殼所覆蓋，據(jù)此推算，鈷總量約為10億噸，主要分布于約400m～4000m水深的海底，最大厚度約為24cm；多金屬硫化物(又稱熱液硫化物)是近年來頗受關(guān)注的海底重金屬礦產(chǎn)資源，經(jīng)各國30多年調(diào)查，目前在海底己發(fā)現(xiàn)熱液活動(dòng)區(qū)有300多處，海底多金屬硫化物產(chǎn)處的水深范圍跨度很大，淺可為幾米，深可達(dá)幾千米，主要集中在1500m～3000m之間，占全部水深分布的68％。這些資源具有極大的科研探索和商業(yè)利用價(jià)值。深海礦產(chǎn)資源開采技術(shù)研究將關(guān)系到國家可持續(xù)發(fā)展和民族的長遠(yuǎn)利益。

深海礦產(chǎn)資源探采裝備作為海底工程地質(zhì)勘探和深海礦產(chǎn)資源開采所必備的關(guān)鍵技術(shù)裝備，承載著許多探采任務(wù)。目前深海礦產(chǎn)探采裝備在海底或近海底的行走方式從理論上有浮游式、拖曳式和自行式三種。雖然發(fā)展很成熟的水下機(jī)器人(ROV、AUV和HOV等)均是采用浮游運(yùn)動(dòng)，但深海采礦作業(yè)產(chǎn)生的較大反力影響到礦物探采工作，因此也不宜采用這種方式。拖拽式海底采礦車被證明在技術(shù)上可行，但也發(fā)現(xiàn)其行走方式難以控制且采集率、避障困難。目前在研的移動(dòng)式深海取樣裝備基本都是采用履帶自行式行走方式，其極強(qiáng)的負(fù)載能力和惡劣地形通過性能，使其成為諸多深海礦產(chǎn)資源探采裝備的首選。自行移動(dòng)式深海礦產(chǎn)資源探采裝備的定位導(dǎo)航與控制必須采用遙控和自控方式，但深海電磁波減弱，其定位導(dǎo)航不用沿用GPS等成熟技術(shù)，而采用聲學(xué)方法則會(huì)受到采礦裝備強(qiáng)噪聲干擾。因此自行式資源探采裝備的定位導(dǎo)航存在大量有待解決的理論問題和關(guān)鍵技術(shù)。

目前針對(duì)海底光學(xué)視覺導(dǎo)航的研究應(yīng)用并不廣泛，盡管采用光學(xué)方法定位導(dǎo)航會(huì)由于海底沉積物的擾動(dòng)而影響視覺效果，但對(duì)總體視覺效果影響并不大。因此采用光學(xué)視覺的方式識(shí)別海底障礙物，并進(jìn)行避障分析和路徑規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航成為可能。但深海海底障礙物的形狀、表層紋理都不盡相同，采用常規(guī)的模式識(shí)別方式并不能實(shí)現(xiàn)障礙物的識(shí)別，且也難以測量出障礙物的實(shí)際特征信息。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠的基于深度學(xué)習(xí)的深海海底障礙物測量系統(tǒng)，并提供一種算法簡單的基于深度學(xué)習(xí)的深海海底障礙物識(shí)別方法。

本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是：一種基于深度學(xué)習(xí)的深海海底障礙物測量系統(tǒng)，其特征在于，包括標(biāo)定模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)融合模塊和測量結(jié)果模塊；

數(shù)據(jù)采集模塊包括攝像機(jī)和激光測距傳感器，攝像機(jī)用于采集海底地形圖像，激光測距傳感器用于測量攝像機(jī)離障礙物的距離；

所述標(biāo)定模塊用于攝像機(jī)標(biāo)定，獲取攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)；

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊收集攝像機(jī)采集的圖像數(shù)據(jù)集和激光測距傳感器測量的距離數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理，離線訓(xùn)練模型，評(píng)估訓(xùn)練后的模型，調(diào)整參數(shù)后并保存訓(xùn)練后的模型；

數(shù)據(jù)處理模塊與數(shù)據(jù)采集模塊相連，基于深度學(xué)習(xí)語義分割技術(shù)對(duì)攝像機(jī)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并獲得障礙物的像素面積、像素寬和高特征參數(shù)，然后送入數(shù)據(jù)融合模塊；