基于多波束声呐的城市管道环境中潜航器避障系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了基于多波束声呐的城市管道环境中潜航器避障系统与方法，基于IMU、DVL、摄像头和十波束声呐传感数据，建立多数融合的模型，优化求解获得潜航器的位姿信息、实时速度、前方管道的图像信息，以及潜航器在管道环境中的位置和航向信息；根据潜航器的前方管道的图像信息，检测和识别管道和障碍物的位置、形状和尺寸并生成环境地图；基于环境地图和潜航器的位姿信息、实时速度、六组声呐的测距信息、潜航器在管道环境中的位置和航向信息，规划出避开管道和障碍物的安全路径；潜航器根据安全路径动态调整姿态和控制策略，实现安全路径的轨迹跟踪。可高效而准确的生成潜航器避障策略，辅助城市管线自动化检测。辅助城市管线自动化检测。辅助城市管线自动化检测。

【技术实现步骤摘要】
基于多波束声呐的城市管道环境中潜航器避障系统与方法


[0001]本专利技术属于城市管线自动化检测
，具体涉及基于多波束声呐的城市管道环境中潜航器避障系统与方法。

技术介绍

[0002]城市管网又名城市地下管线，是指埋设在城市地下的各类管线及其附属设施，作为运输手段，在石油、化工、天然气、排污等多个领域应用广泛，可用于供应水资源、排放废水、处理污水、输送能源以及推动城市的规划与发展，极大方便了人类社区，同时也带来了巨大的经济效益，被喻为城市的“神经”和“血管”，是保障城市运行的“生命线”，是消除“马路拉链”“空中蜘蛛网”、提高城市承载力的有效形式。
[0003]随着综合国力的提升，油气需求量也与日俱增，我国城市管道的大规模建设与保护等水下工程在不断增加。管道的安全性也愈发受到重视，特别是城市管道，一旦发生事故，不但带来巨大的经济损失，而且会造成严重的环境污染，引起生态破坏。由于水流冲刷及人类活动的影响，管道覆盖层正逐年变薄，甚至出现裸露，此时管道极易受到砂石的撞击和水流的冲击，并且随着管道服役时间的增加，其内壁会附着大量黏性污物，除此之外，在腐蚀和重压等因素耦合作用下，管道内壁不可避免地出现脱节、破裂、错位、塌陷现象。根据统计，2020年我国城市管道长度约310万公里，其中供水管道总长度为100.69万公里，天然气管道长度为85.06万公里，供热管道长度为42.60万公里，排水管道长度为80.27万公里，管道缺陷检测的社会需求与日俱增。
[0004]目前管道缺陷检测分为两大类：人工检测、智能检测；人工检测存在成本高昂、效率低下、检测滞后性以及存在安全隐患等问题。采用机器人进行智能检测可以较好的环节人工检测存在的诸多难点。在管道探测任务中，让潜航器进行自主避障是非常重要的。管道内部通常存在各种障碍物，例如沉积物、弯曲处、阀门等，它们可能对潜航器造成碰撞或阻塞的风险。因此，通过让潜航器进行自主避障，可以有效提高任务的安全性和成功率。首先，管道环境中的障碍物往往具有复杂的形状和结构。在传统的管道探测中，人工操作潜航器进行避障是非常困难的，因为障碍物的位置和形状可能随时变化。相比之下，让潜航器进行自主避障可以通过使用各种传感器和算法来快速感知和识别障碍物，更加灵活和高效地应对复杂的管道环境。其次，自主避障可以减少人为操作所引入的误判和错误决策。人类在繁重的管道探测任务中，可能会因为疲劳、视野受限或个人判断的主观性，导致错过或错误评估障碍物的位置和风险。而潜航器通过搭载各种传感器(如相机、激光雷达、声纳等)和使用先进的算法，能够实时、准确地感知管道环境，自主决策并采取适当的避障策略。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供基于多波束声呐的城市管道环境中潜航器避障系统与方法，通过合理规划避障路径，潜航器可以更加高效地穿越城市管道，完成探测任务，避免额外的时间和资源浪费。
[0006]为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0007]基于多波束声呐的城市管道环境中潜航器避障系统，包括：
[0008]推进器、DVL、主控板、IMU、摄像头、电池仓、通讯板、十波束声呐；
[0009]推进器按照矢量布局的方式安装在潜航器机身周围，用于驱动潜航器沿管道前进；
[0010]DVL安装在潜航器底部，用于基于多普勒效应测量潜航器在管道环境中的实时速度，以用于导航和运动控制；
[0011]主控板位于潜航器的内部，负责接收和处理传感器数据，并将控制信号发送到推进器；
[0012]IMU安装在潜航器内部，用于测量潜航器在运动过程中的角速度和加速度信息，以提供准确的姿态估计；
[0013]摄像头通过支架固定在潜航器前方，镜头朝向潜航器的运动方向以捕捉前方管道的图像信息，实现潜航器的视觉感知；
[0014]电池仓用于提供潜航器的动力，通讯板用于与地面系统进行数据传输和通信；
[0015]十波束声呐分布在潜航器的周围，用于检测管道环境，其中，四组声呐的测距信息用于解算潜航器在管道环境中的位置和航向信息，六组声呐的测距信息用于避障。
[0016]为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
[0017]上述的IMU采用激光捷联惯导系统，陀螺仪和加速度计的零偏稳定性分别为0.01
°
/h和10
‑5g，满足管道实时定位的要求；
[0018]所述DVL传感器采用A50声学多普勒计程仪；
[0019]所述摄像头选用OV7670图像传感器和二自由度摄像头云台；
[0020]所述主控板嵌入式处理器选用STM32H743vit6；
[0021]所述协处理器选择Jetson NX。
[0022]基于多波束声呐的城市管道环境中潜航器避障方法，包括：
[0023]步骤1：采集IMU、DVL、摄像头和十波束声呐传感器所获取的数据并进行数据预处理；
[0024]步骤2：通过校准和标定，将步骤1各传感器所获取的数据映射到统一的参考坐标系中；
[0025]步骤3：建立IMU的惯性测量方程、DVL测速模型、摄像头成像模型以及十波束声呐的测距模型；
[0026]步骤4：采用步骤2处理后得到的数据中IMU、DVL、摄像头传感器所获取的数据、四组声呐的测距信息，优化求解IMU的惯性测量方程、DVL测速模型、摄像头成像模型以及十波束声呐的测距模型，获得潜航器的位姿信息、实时速度、前方管道的图像信息，以及潜航器在管道环境中的位置和航向信息；
[0027]步骤5：根据步骤4得到的潜航器的前方管道的图像信息，检测和识别管道和障碍物的位置、形状和尺寸，并生成环境地图；
[0028]步骤6：基于步骤5得到的环境地图和潜航器的位姿信息、步骤4得到的实时速度和潜航器在管道环境中的位置和航向信息、步骤2处理后得到的数据中六组声呐的测距信息，采用改进的A星算法，规划出避开管道和障碍物的安全路径；
[0029]步骤7：潜航器根据步骤6得到的安全路径动态调整姿态和控制策略，实现安全路径的轨迹跟踪。
[0030]上述的步骤2所述校准和标定包括：
[0031]采用标定板法对摄像头的内参和外参进行标定；
[0032]基于椭圆校准法标定IMU的零偏参数以及安装误差；
[0033]对DVL进行垂直速度和水平速度标定；
[0034]对声呐进行延迟和束宽误差标定。
[0035]上述的步骤3所述IMU惯性测量方程基于惯性导航的比力方程构建，并基于此计算潜航器的实时位姿信息，包括姿态、速度、位置信息；
[0036]摄像头成像模型采用小孔成像模型描述摄像头模组的成像。
[0037]上述的步骤4采用牛顿迭代算法进行IMU的惯性测量方程、DVL测速模型、摄像头成像模型以及十波束声呐的测距模型求解。
[0038]上述的步骤4中，十波束声呐的测距模型，基于四组声呐的测距信息得出潜航器在管道环境中的位置和姿态的具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于多波束声呐的城市管道环境中潜航器避障系统，其特征在于，包括：推进器、DVL、主控板、IMU、摄像头、电池仓、通讯板、十波束声呐；推进器按照矢量布局的方式安装在潜航器机身周围，用于驱动潜航器沿管道前进；DVL安装在潜航器底部，用于基于多普勒效应测量潜航器在管道环境中的实时速度，以用于导航和运动控制；主控板位于潜航器的内部，负责接收和处理传感器数据，并将控制信号发送到推进器；IMU安装在潜航器内部，用于测量潜航器在运动过程中的角速度和加速度信息，以提供准确的姿态估计；摄像头通过支架固定在潜航器前方，镜头朝向潜航器的运动方向以捕捉前方管道的图像信息，实现潜航器的视觉感知；电池仓用于提供潜航器的动力，通讯板用于与地面系统进行数据传输和通信；十波束声呐分布在潜航器的周围，用于检测管道环境，其中，四组声呐的测距信息用于解算潜航器在管道环境中的位置和航向信息，六组声呐的测距信息用于避障。2.根据权利要求1所述的基于多波束声呐的城市管道环境中潜航器避障系统，其特征在于，所述IMU采用激光捷联惯导系统，陀螺仪和加速度计的零偏稳定性分别为0.01
°
/h和10
‑5g，满足管道实时定位的要求；所述DVL传感器采用A50声学多普勒计程仪；所述摄像头选用OV7670图像传感器和二自由度摄像头云台；所述主控板嵌入式处理器选用STM32H743vit6；所述协处理器选择Jetson NX。3.基于权利要求1或2所述系统实现的基于多波束声呐的城市管道环境中潜航器避障方法，其特征在于，包括：步骤1：采集IMU、DVL、摄像头和十波束声呐传感器所获取的数据并进行数据预处理；步骤2：通过校准和标定，将步骤1各传感器所获取的数据映射到统一的参考坐标系中；步骤3：建立IMU的惯性测量方程、DVL测速模型、摄像头成像模型以及十波束声呐的测距模型；步骤4：采用步骤2处理后得到的数据中IMU、DVL、摄像头传感器所获取的数据、四组声呐的测距信息，优化求解IMU的惯性测量方程、DVL测速模型、摄像头成像模型以及十波束声呐的测距模型，获得潜航器的位姿信息、实时速度、前方管道的图像信息，以及潜航器在管道环境中的位置和航向信息；步骤5：根据步骤4得到的潜航器的前方管道的图像信息，检测和识别管道和障碍物的位置、形状和尺寸，并生成环境地图；步骤6：基于步骤5得到的环境地图和潜航器的位姿信息、步骤4得到的实时速度和潜航器在管道环境中的位置和航向信息、步骤2处理后得到的数据中六组声呐的测距信息，采用改进的A星算法，规划出避开管道和障碍物...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴国庆，陈宇鸣，郑翠英，张浩，
申请(专利权)人：南京安透可智能系统有限公司，
类型：发明
国别省市：