[发明专利]一种启发式的水下结构化环境线特征提取方法

权利要求书

1.一种启发式的水下结构化环境线特征提取方法,其特征在于,具体的实现步骤如下：

步骤1获取机械扫描成像声呐原始数据；

步骤2.对所述声呐原始数据进行动态阈值分割，并进行二值化处理，得到用于特征提取的候选点集合；

步骤3.在载体系下使用投票算法对步骤2中的候选点集合进行投票进而提取出结构化环境的直线特征；

步骤4.用启发式方法处理直线特征得到描述结构化环境的线段特征；

步骤5.基于导航系统得到载体的位置信息和航姿信息，将提取到的线段特征转换到全局坐标系下；

步骤2具体为：

步骤2.1.在载体系下将声呐最新扫描过的180度的原始数据作为特征提取原始数据集；

步骤2.2.在声呐波束探测距离内，每隔一定距离间隔声呐会探测该距离处的回波强度bin，对最新扫描过的180度原始声呐数据进行处理，对所有bin设立动态阈值进行阈值分割，得到二值化的bin数据，将所有bin值为1的点作为特征提取的点集；

步骤3具体为：

步骤3.1.选取载体系处理数据，将坐标系原点即载体在全局坐标系下的位置记为(x_B,y_B)；

步骤3.2.初始化用于投票的离散化累加器，离散化累加器是投票的具体表现形式，投票算法对bin值为1的点进行投票，采用投票算法在载体系下提取直线特征，使用离散化累加器记录每条直线在投票过程中得到的票数，每次开始投票前离散化累加器中票数应初始化为0；所述离散化累加器用于记录所有备选直线出现的次数，离散化累加器的具体形式可表示为矩阵，以如下方式表示

其中矩阵的第i'行、第j'列数据a_i'_j'是载体系下某一特定备选直线出现次数，即投票票数，该备选直线的参数通过i'和j'来确定；m表示离散化后的角度参数个数，n′表示离散化后的距离参数个数；

步骤3.3.计算特征提取的点集内每个bin值为1的点的所有备选直线的参数，同时在离散化累加器内投票，公式(1)为声呐的投票模型，通过该公式计算过每个波束上的任意一个bin所在的位置处的所有备选直线的参数，即直线对应的角度θ_i-B和距离ρ_ij-B：

reg是第i个波束与当前载体坐标系X轴正向的夹角；x_i和y_i是第i个波束的原点在载体系下的位置；ρ_ij是第i个波束上的第j个bin对应的点到原点的距离；θ₁表示返回回波强度的点在圆弧上具体位置；θ₂表示备选直线的角度；

步骤3.4.计算参数的过程中同时进行投票，在步骤3.3的计算所有bin值为1的点的备选直线的参数过程中，每计算出一条备选直线的参数，按照最邻近原则匹配到累加器中最接近该参数的离散化参数处，在累加器中该参数位置处票数加1，所有bin值为1的点处备选直线全部计算完成后，投票完成并得到完整的投票空间；

步骤3.5.提取直线，若仅需要提取一条直线，则在投票空间中寻找票数最高的位置，若该直线大于预设的票数阈值，将其对应的直线选为目标直线，否则不存在可提取的直线；如果要提取一条以上的直线，选出所有票数大于票数阈值的备选直线，若选出的直线中任意两条直线满足非相似关系，其中非相似关系指两条直线间角度和距离中某一项差值大于预设差异阈值，角度和距离的预设差异阈值不同，则这些备选直线均可作为目标直线；若有两条直线不满足非相似关系，则舍掉票数更小的直线，选择票数更大的为目标直线，直至任意两条直线均满足非相似关系，剩下的直线均可作为目标直线，每条目标直线用对应的距离和角度两个参数表示；

步骤4具体为：

步骤4.1.计算声呐特征提取的点集中每个波束的最大的bin在载体系下的位置点，组成位置点集，设定一定的距离阈值判断点集内的点是否在目标直线附近，在目标直线附近的点组成“附近点集”，“附近点集”内的点按横坐标由小到大排列；

步骤4.2.根据“附近点集”内所有点的最大横坐标值x_n和最小横坐标值x₁两个坐标值，计算这两个横坐标值在目标直线上相应的纵坐标值，以此两点作为线段的两个端点，同时计算线段的长度；

步骤4.3.确定直线长度后，计算以下参数，

线段的支持率其中n为“附近点集”内点的个数，l为直线的长度，P定义了单位长度上的点数，表示点在直线上的密集程度；

线段上点的整体偏移度为其中x_k,y_k为附近点集中第k个点的坐标值，L表示线段上点的偏移程度和偏移方向；

线段上点的稀疏程度为π用于表示附近点集内的点在线段特征上的分布均匀程度；

对线段的支持率P、线段上点的整体偏移度L、线段上点的稀疏程度π设定阈值，根据这三个参数与阈值的对比关系，调整线段端点，最终获得描述障碍物的线段特征。