[發(fā)明專利]一種三維成像聲吶點(diǎn)云的水下地形匹配定位方法及系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210352439.5
• 申請日: 2022-04-04
• 公開（公告）號(hào): CN114706087A
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張陽;彭新
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S15/89
• 分類號(hào): G01S15/89;G06V10/46;G06N3/04;G06N3/08;G06T3/40;G06V10/75
• 代理公司: 國防科技大學(xué)專利服務(wù)中心 43202
• 代理人: 關(guān)洪濤

本發(fā)明公開了一種三維成像聲吶點(diǎn)云的水下地形匹配定位方法及系統(tǒng)，方法包括：S1、對在線采集的聲吶點(diǎn)云幀進(jìn)行采樣，將點(diǎn)數(shù)達(dá)到N，并將預(yù)存的大范圍聲吶點(diǎn)云地圖切割成具有N點(diǎn)的點(diǎn)云X；S2、將L個(gè)隨機(jī)生成的變換矩陣{T₁,…,T_L},T_L∈SE(3)作用于點(diǎn)云X＝[X₀,…,X_N]∈R^3×N，得到L對數(shù)據(jù)以訓(xùn)練關(guān)鍵點(diǎn)提取網(wǎng)絡(luò)；S3、選擇每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的多個(gè)鄰域點(diǎn)，并對鄰域點(diǎn)進(jìn)行特征提取，分別對預(yù)存的聲吶點(diǎn)云地形圖和在線采集的聲吶點(diǎn)云地形圖，以每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的鄰域范圍提取特征；S4、根據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)計(jì)算實(shí)時(shí)點(diǎn)云幀與地圖之間的匹配代價(jià)；S5、根據(jù)匹配代價(jià)實(shí)時(shí)計(jì)算聲吶點(diǎn)云幀與地圖在預(yù)測下的位置偏移量；S6、根據(jù)預(yù)測的位置偏移量和地面真實(shí)數(shù)值之間距離的平方來定義損失。本發(fā)明可以提升匹配效果、減小誤差和精確定位。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及地形定位技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，特別涉及一種三維成像聲吶點(diǎn)云的水下地形匹配定位方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

由于水下通訊的限制，AUV(autonomous underwater vehicle)在水下長時(shí)間潛伏航行后需要上浮接受衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行位置修正，對于大潛深和長航程任務(wù)AUV來說增加了時(shí)間和能源的消耗。

傳統(tǒng)的水下地形匹配定位算法通過測量載體運(yùn)動(dòng)路徑下方的實(shí)時(shí)地形高程數(shù)據(jù)，將其與已知的數(shù)字地形參考進(jìn)行比較進(jìn)而得到載體的位置信息。其中最有代表性的是地形剖面匹配系統(tǒng)，該方法執(zhí)行時(shí)需要沿航跡測量一定長度的地形高程數(shù)據(jù)，并計(jì)算其與參考數(shù)據(jù)的相關(guān)度來獲得載體的位置估計(jì)，這種方法要求載體在測量實(shí)時(shí)高程數(shù)據(jù)的過程中保持水平面內(nèi)的勻速直線運(yùn)動(dòng)，并且單次匹配所需采集的數(shù)據(jù)量較大，從而實(shí)時(shí)性較差，定位精度低、魯棒性不高、并且只能處理剛性變換，適用范圍也有很大的限制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種三維成像聲吶點(diǎn)云的水下地形匹配定位方法及系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種三維成像聲吶點(diǎn)云的水下地形匹配定位方法，包括以下步驟：

S1、對在線采集的聲吶點(diǎn)云幀進(jìn)行采樣，將點(diǎn)數(shù)達(dá)到N，并將預(yù)存的大范圍聲吶點(diǎn)云地圖切割成具有N點(diǎn)的點(diǎn)云X；

S2、將L個(gè)隨機(jī)生成的變換矩陣{T₁,…,T_L},T_L∈SE(3)作用于點(diǎn)云X＝[X₀,…,X_N]∈R^3×N，得到L對數(shù)據(jù)以訓(xùn)練關(guān)鍵點(diǎn)提取網(wǎng)絡(luò)，通過關(guān)鍵點(diǎn)提取網(wǎng)絡(luò)對分塊后的聲吶點(diǎn)云地形圖和在線采集的點(diǎn)云區(qū)域分別提取關(guān)鍵點(diǎn)，并將小塊地形圖的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行拼接形成整個(gè)地形的關(guān)鍵點(diǎn)；

S3、選擇每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的多個(gè)鄰域點(diǎn)，并對鄰域點(diǎn)進(jìn)行特征提取，分別對預(yù)存的聲吶點(diǎn)云地形圖和在線采集的聲吶點(diǎn)云地形圖，以每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的鄰域范圍提取特征；

S4、根據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)計(jì)算實(shí)時(shí)點(diǎn)云幀與地圖之間的匹配代價(jià)；

S5、根據(jù)匹配代價(jià)實(shí)時(shí)計(jì)算聲吶點(diǎn)云幀與地圖在預(yù)測下的位置偏移量。

S6、根據(jù)預(yù)測的位置偏移量和地面真實(shí)數(shù)值之間距離的平方來定義損失。

進(jìn)一步地，所述步驟S2中訓(xùn)練關(guān)鍵點(diǎn)提取網(wǎng)絡(luò)的步驟具體為：

輸入點(diǎn)云X∈R^3×N，使用FPS采樣方式輸出M個(gè)初始關(guān)鍵點(diǎn)S＝[S₁,…S_M]∈R^3×M；采用點(diǎn)到關(guān)鍵點(diǎn)的采樣方式對點(diǎn)云的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分組以得到當(dāng)前關(guān)鍵點(diǎn)分組K_m表示屬于當(dāng)前關(guān)鍵點(diǎn)鄰域的點(diǎn)數(shù)，S_m為當(dāng)前關(guān)鍵點(diǎn)，S_m∈S；