[发明专利]水下机器人五分量测距声纳斜井三维成像系统及成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下机器人五分量测距声纳斜井三维成像系统及成像方法。

背景技术

近年来，声纳成像在水声领域受到广泛关注和发展，利用三维成像声纳在水质浑浊和光照条件较差的条件下仍可获取水下目标的外形轮廓的细节信息和环境信息。三维成像声纳是一种高分辨率的图像声纳，能够提供非常优秀的图像质量。它以波束形成或声透镜技术为基础，目前主要有两种技术路线：一是采用一维线阵，通过机械平移合成二维面阵；第二种是直接采用二维面阵，在水平、垂直、距离3个方向上直接获得分辨率。把图像声纳装载到各种水下智能机器人（Automatic Underwater Vehicle，AUV）、遥控水下机器人（ROV）和水下无人潜器(UUV)上进行水下作业,可对水下堤坝、管道、桥墩和海港等进行探测。借助计算机可视化技术，将探测结果以生动的三维图形图像的方式表现出来，通过缩放、移动、转动和测距等操作从各种视角进行观察和分析，提高水下探测的效率。

水利蓄能电站斜井内管壁探测对研制新型成像声纳和三维成像方法提出了需求，因为对水利蓄能电站斜井探测来说，一方面目前的图形声纳是一维或二维的传感器阵，需要非常多的水声传感器单元，对安装精度的要求很高，硬件制作成本和软件计算成本也都很高；另一方面，因为斜井本身是个圆柱形，水平截面是个椭圆形，传统的三维成像声纳很难获得水平全向的斜井三维图像，必须采用技术手段进行拼接，实现起来较为困难，且实际效果很难保证。另外，水下机器人依靠螺旋桨推进器控制其在水中运动，由于其非线性水动力学特性、水流的随机干扰和差分反馈控制机制等因素的影响，在下潜和水平旋转过程中很难使它保持一致的相对位置。与机器人刚性连接的声纳系统受此影响，采集的二维目标图像切片不能在垂直轴向和水平方向对齐，导致三维绘制扭曲失真。

发明内容

本发明目的在于提供一种水下机器人五分量测距声纳斜井三维成像系统及成像方法，能够实现全面探测，并且能够有效避免探测图像失真。

基于同一发明构思，本发明具有两个独立的技术方案：

1.一种水下机器人五分量测距声纳斜井三维成像系统，包括水下机器人、水面光端机、水面上位机，水下机器人与水面光端机通信连接，水面光端机与水面上位机通信连接，其特征在于：水下机器人上设有4个水平分量测距声纳和1个垂直分量测距声纳，其中4个水平分量测距声纳的相互之间方位差为90度；水下机器人上还设有光纤陀螺仪。

水下机器人上还设有深度计。

水下机器人上设有串口服务器，串口服务器可以是以太网交换机，用于上传水下机器人运动状态、光纤陀螺仪、深度计和五分量测距声纳的数据。

水面光端机可以为快速光纤以太网卡，实现水面上位机和水下机器人通信连接。

水面上位机可以是工业笔记本或台式电脑，负责向下发送命令，接收水下机器人的数据并进行处理，实时绘制二维和三维斜井图像。

光纤陀螺仪可以是数字光纤陀螺，可测量相对机器人初始艏向的相对角度和积分角度。

2.一种利用上述水下机器人五分量测距声纳斜井三维成像系统的成像方法，其特征在于：水下机器人的运动步骤为，

步骤1：初始化机器人位置和校正艏向零度；

步骤2：机器人保持艏向下潜动作，下潜一步长；

步骤3：机器人原地逆时针旋转90度进行扫描动作，利用测距声纳扫描测距；

步骤4：机器人保持艏向下潜动作，再下潜一步长；

步骤5：机器人原地顺时针旋转90度进行扫描动作，利用测距声纳扫描测距；

步骤6：重复步骤2—步骤5，直至机器人下潜结束；

上述步骤3和步骤5中，通过4个水平分量测距声纳可获得斜井的一帧二维图像序列，水面上位机对一系列二维图像序列进行数据处理，通过对斜井的几何尺寸和4个水平分量测距声纳数据进行处理，使二维图像序列垂直轴向上对齐，通过光纤陀螺仪测得的艏向角度使二维图像序列水平方向对齐，再结合垂直分量测距声纳测得的机器人到水面垂直距离，实时绘制出斜井的二维和三维图像。

通过对斜井的几何尺寸和4个水平分量测距声纳数据进行处理，使二维图像序列垂直轴向上对齐，具体通过如下方法实现：