基于声纳图像处理的水下机器人水下定位和路径规划方法技术

本发明专利技术提供了一种基于声纳图像处理的水下机器人水下定位和路径规划方法，包括以下步骤：获取水下结构的声纳图像、方向信息、位置信息和几何信息；获取水下机器人在水下结构中的运行情况；根据水下结构的声纳图像、方向信息、位置信息、几何信息和水下机器人的运行情况得到水下机器人的当前位置；根据水下结构的方向信息、位置信息和几何信息构建占用网格图；根据原始图像和占用网格图检测水下机器人在水下结构中运行遇到的障碍物；根据占用网格图和障碍物规划水下机器人的运行路径。本发明专利技术能够降低水下机器人在水下定位和路径规划过程中受到的测量偏差影响和水下噪声干扰的问题，从而提高水下机器人水下定位和路径规划的准确度和适应性。

Underwater positioning and path planning of underwater robot based on sonar image processing

【技术实现步骤摘要】
基于声纳图像处理的水下机器人水下定位和路径规划方法
本专利技术涉及自动定位和自动导航
，具体涉及一种基于声纳图像处理的水下机器人水下定位和路径规划方法。
技术介绍
自主水下机器人导航一般是利用惯性测量单元、姿态和航向参考系统和多普勒测速仪进行惯性导航，但是这些传感器容易受到偏差的影响，导致导航的精度较低。水下机器人自主导航方法当前有使用视觉传感器或声呐传感器两种，其中，基于视觉的算法无法处理已安装的海底结构附近的定位任务，因为该算法需要目标对象的特定配置，例如附加基准标记，因此基于视觉的算法适应性较小；此外，基于声呐的算法容易受到偏差的影响，而且水下噪声干扰很大。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种基于声纳图像处理的水下机器人水下定位和路径规划方法，能够降低水下机器人在水下定位和路径规划过程中受到的测量偏差影响和水下噪声干扰的问题，从而提高水下机器人水下定位和路径规划的准确度和适应性。为达到上述目的，本专利技术实施例提出了一种基于声纳图像处理的水下机器人水下定位和路径规划方法，包括以下步骤：获取水下结构的声纳图像、方向信息、位置信息和几何信息；获取水下机器人在所述水下结构中的运行情况；根据所述水下结构的声纳图像、方向信息、位置信息、几何信息和所述水下机器人的运行情况得到所述水下机器人的当前位置；根据所述水下结构的方向信息、位置信息和几何信息构建占用网格图；根据所述原始图像和所述占用网格图检测所述水下机器人在所述水下结构中运行遇到的障碍物；根据所述占用网格图和所述障碍物规划所述水下机器人的运行路径。根据本专利技术实施例的基于声纳图像处理的水下机器人水下定位和路径规划方法，首先获取水下结构的声纳图像、方向信息、位置信息和几何信息以及水下机器人在水下结构中的运行情况，其次根据水下结构的声纳图像、方向信息、位置信息、几何信息和水下机器人的运行情况得到水下机器人的当前位置，并根据水下结构的方向信息、位置信息和几何信息构建占用网格图，然后根据原始图像和占用网格图检测水下机器人在水下结构中运行遇到的障碍物，最后根据占用网格图和障碍物规划水下机器人的运行路径，由此，能够降低水下机器人在水下定位和路径规划过程中受到的测量偏差影响和水下噪声干扰的问题，从而提高水下机器人水下定位和路径规划的准确度和适应性。另外，根据本专利技术上述实施例提出的基于声纳图像处理的水下机器人水下定位和路径规划方法还可以具有如下附加的技术特征：根据本专利技术的一个实施例，根据所述水下结构的声纳图像、方向信息、位置信息、几何信息和所述水下机器人的运行情况得到所述水下机器人的当前位置，包括：根据所述水下结构的声纳图像、方向信息、位置信息和所述水下机器人的运行情况得到所述水下机器人的预估位置和方向信息；根据所述水下结构的方向信息、位置信息、几何信息与所述水下机器人的运行情况和预估位置、方向信息得到所述水下结构的结构水平图像和原始图像；根据所述预估位置和所述结构水平图像得到所述水下机器人的当前位置。进一步地，根据所述预估位置和所述结构水平图像得到所述水下机器人的当前位置的表达式为：其中，表示所述预估位置，(xupdata，yupdata)表示所述水下机器人位置更新信息，ψ0表示从NED帧到本地帧的旋转角度，λ表示经度，L表示纬度，(λ0,L0)表示所述水下机器人的初始位置，RN和RE是两种地球半径参数，vλ和vL是两个高斯白噪声，对应计算所述水下机器人位置更新信息的公式，其中进一步地，计算所述水下机器人位置更新信息的公式为：其中，k表示所述结构水平图像沿垂直轴向下移动的网格编号，L表示所述结构水平图像沿水平轴向右移动的网格编号，Rres表示所述结构水平图像的图像分辨率。根据本专利技术的一个实施例，根据所述水下结构的方向信息、位置信息和几何信息构建占用网格图包括：设定水底占据的网格为值1，其余所有网格为值0；设定目标点或目标网格；采用位势函数为所有值为0的网格分配唯一值。进一步地，所述位势函数为：其中，U(q)表示所有值为0的网格分配的唯一值，rtp表示当前网格到所述目标网格之间的距离，ri表示当前网格到具有1值的网格之间的范围，catt，crep，a和b是设计参数，n表示具有1值的网格编号根据本专利技术的一个实施例，根据所述原始图像和所述占用网格图检测所述水下机器人在所述水下结构中运行遇到的障碍物包括：修改所述原始图像分辨率；对修改后的所述原始图像进行坐标转换；对坐标转换后的所述原始图像进行图像滤波；根据所述占用网格图进行所述障碍物检测。进一步地，搜索所述占用网格图中网格相连的白色网格组，若所述白色网格组中的网格数大于阈值，则判定所述白色网格组为所述障碍物。根据本专利技术的一个实施例，根据所述占用网格图和所述障碍物规划所述水下机器人的运行路径包括：搜索所述水下机器人当前位置的相邻网格中未搜索的网格；选择所述未搜索的网格中唯一值最小的网格作为所述水下机器人的运行路径；若所述水下机器人沿所述搜索的运行路径运动时检测到所述障碍物，则将所述障碍物所在网格的值设定为1，并重置所有网格值不为1的网格；根据重置后的占用网格图搜索另一条运动路径以接近所述目标网格；选取所述相邻网格中唯一值最小网格作为所述水下机器人的运行路径。附图说明图1为本专利技术实施例的基于声纳图像处理的水下机器人水下定位和路径规划方法的流程图；图2为本专利技术一个实施例的水下机器人在水下结构中的运行情况示意图；图3为本专利技术一个实施例的水下结构的结构水平图像；图4(a)为本专利技术一个实施例的水下结构的原始图像；图4(b)为本专利技术一个实施例的图像分辨率修改后的水下结构的原始图像；图4(c)为本专利技术一个实施例的变换到本地帧的的水下结构的原始图像；图4(d)为本专利技术一个实施例的滤波处理后的水下结构的原始图像；图4(e)为本专利技术一个实施例的障碍物检测的示意图；图5(a)为本专利技术一个实施例的初始占用网格图；图5(b)为本专利技术一个实施例的没有障碍物的水下机器人的运行路径；图5(c)为本专利技术一个实施例的具有障碍物的水下机器人的运行路径；图6为本专利技术一个具体实施例的复杂结构的示意图；图7(a)为本专利技术一个具体实施例的没有障碍物的水下机器人的运行路径；图7(b)为本专利技术一个具体实施例的具有障碍物的水下机器人的运行路径。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。图1为本专利技术实施例的基于声纳图像处理的水下机器人水下定位和路径规划方法的流程图。如图1所示，本专利技术实施例的基于声纳图像处理的水下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于声纳图像处理的水下机器人水下定位和路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：/n获取水下结构的声纳图像、方向信息、位置信息和几何信息；/n获取水下机器人在所述水下结构中的运行情况；/n根据所述水下结构的声纳图像、方向信息、位置信息、几何信息和所述水下机器人的运行情况得到所述水下机器人的当前位置；/n根据所述水下结构的方向信息、位置信息和几何信息构建占用网格图；/n根据所述原始图像和所述占用网格图检测所述水下机器人在所述水下结构中运行遇到的障碍物；/n根据所述占用网格图和所述障碍物规划所述水下机器人的运行路径。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于声纳图像处理的水下机器人水下定位和路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取水下结构的声纳图像、方向信息、位置信息和几何信息；
获取水下机器人在所述水下结构中的运行情况；
根据所述水下结构的声纳图像、方向信息、位置信息、几何信息和所述水下机器人的运行情况得到所述水下机器人的当前位置；
根据所述水下结构的方向信息、位置信息和几何信息构建占用网格图；
根据所述原始图像和所述占用网格图检测所述水下机器人在所述水下结构中运行遇到的障碍物；
根据所述占用网格图和所述障碍物规划所述水下机器人的运行路径。


2.根据权利要求1所述的基于声纳图像处理的水下机器人水下定位和路径规划方法，其特征在于，根据所述水下结构的声纳图像、方向信息、位置信息、几何信息和所述水下机器人的运行情况得到所述水下机器人的当前位置，包括：
根据所述水下结构的声纳图像、方向信息、位置信息和所述水下机器人的运行情况得到所述水下机器人的预估位置和方向信息；
根据所述水下结构的方向信息、位置信息、几何信息与所述水下机器人的运行情况和预估位置、方向信息得到所述水下结构的结构水平图像和原始图像；
根据所述预估位置和所述结构水平图像得到所述水下机器人的当前位置。


3.根据权利要求2所述的基于声纳图像处理的水下机器人水下定位和路径规划方法，其特征在于，根据所述预估位置和所述结构水平图像得到所述水下机器人的当前位置的表达式为：



其中，表示所述预估位置，(xupdata，yupdata)表示所述水下机器人位置更新信息，ψ0表示从NED帧到本地帧的旋转角度，λ表示经度，L表示纬度，(λ0,L0)表示所述水下机器人的初始位置，RN和RE是两种地球半径参数，vλ和vL是两个高斯白噪声，对应计算所述水下机器人位置更新信息的公式，其中


4.根据权利要求3所述的基于声纳图像处理的水下机器人水下定位和路径规划方法，其特征在于，其中，计算所述水下机器人位置更新信息的公式为：



其中，k表示所述结构水平图像沿垂直轴向下移动的网格编号，L表示所述结构水平图像沿水平轴向右移动...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈巍，陈丝雨，陈国军，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32