[发明专利]基于迷你声纳的水下目标探测与AUV自动避碰方法及其系统

权利要求书

1.一种基于迷你声纳的水下目标探测与AUV自动避碰系统，其特征在于：包括迷你声纳（1）、声纳计算机（2）和主控计算机（3）；所述迷你声纳（1）和声纳计算机（2）之间通过串口RS485通讯，所述声纳计算机（2）与主控计算机（3）之间通过网络连接，所述主控计算机（3）通过串口RS232分别连接光纤陀螺（4）、多普勒测速仪（5）、高度计（6）、倾角传感器（7）以及磁罗经（8），主控计算机（3）同时通过DA通道连接推进器（9）和舵翼（10）。

2.一种基于权利要求1的基于迷你声纳的水下目标探测与AUV自动避碰方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1）：光纤陀螺（4）、多普勒测速仪（5）、高度计（6）、倾角传感器（7）及磁罗经（8）等传感器采集AUV的状态信息，通过串口传给主控计算机（3），主控计算机（3）进行导航信息处理；

步骤2）：迷你声纳（1）发射波束并接收反射回波，并对反射回波进行数字化，定时向声纳计算机（2）发送串行通讯数据包；

步骤3）：声纳计算机（2）接收到声纳数据后根据协议格式进行解码，提取回波数据，通过自动检测算法生成水下目标的方位距离与特征信息，通过网络传给主控计算机（3）；

步骤4）：主控计算机（3）根据步骤1）获取的AUV当前状态和步骤3）获取的水下目标所在的位置，通过自动避碰算法生成AUV的航向、速度和深度指令； 

步骤5）：执行机构按控制指令调整AUV的航向、速度和深度，高速时采用舵翼（10）控制航向，低速时采用推进器（9）控制航向，实现AUV避碰。

3.根据权利要求2所述基于迷你声纳的水下目标探测与AUV自动避碰方法，其特征在于：所述步骤3）所采用的水下目标自动检测算法包括如下步骤：

1）波束内插

通过相邻波束的输出幅度内插出中间多个波束的输出值，采用两点间内插四点的六点内插公式：

2）坐标变换

当声波束触发到来时，锁定方位角度θ，距离计数r由零依次增加，回波数据在显示屏上地址(x，y)由下式决定：

在坐标变换时，通过映射预先存储于地址表内的和的值，直接查找出计算值；

3）伪彩色图像增强

用伪彩色代替灰度，采用调色板索引，突出图像中的细节，提高声呐图像分辨能力；

4）中值滤波

对每个3×3窗口内的像素进行排序以求中值：首先将像素(I,j)周围3* 3方形窗口的像素值读入数组array[9]；然后用冒泡法对array进行顺序，array[4]为该邻域中值；最后用array[4]代替f(I,j)；

5）两层图像分割

首先通过高阈值选择目标的亮区，然后选择高于低阈值和与亮区相邻的次亮区，亮区和次亮区整个区域即为目标区域；应选择使每个目标有一些像素灰度级高于，而背景不含有这样的像素；同时，应选择使每个目标像素点具有高于的灰度级；经过分割模块处理后，声纳图像变成以0、1表示的二值图像；

6）图像缺损的拟合

若是目标点，而是背景点，则；

若是背景点，而是目标点，则；

若，则置为目标点，其中；

7）图像的细化

以上、下、左、右的顺序反复迭代消除相应方向上的简单边界点，直至形成弧和曲线；

8）边界跟踪

将二值图像区域点的灰度值置为1，背景点灰度值置为0；以c表示前处理的点，以b表示当前点c的一个背景邻点；若某一点p的灰度值为t，则表示为p=t； 

从边界的任一点开始，此点如第一个当前点c，将其灰度值置为3，作为跟踪结束的标志，且将c点坐标放入表列中记录下来；

找到当前点c的一个背景邻点b，将其灰度值从0变为2；

从b点开始沿顺时针方向访问当前点c的8个邻点，直到找到灰度值为1或3或4的点，称这些点为d1，d2，…，dk；

此时有两种情况：若dk=4，c=3，如果c的一个邻近点dn=2（h<k），则将dn灰度值变为0，c点灰度值变为4，然后终止算法；否则，记录此点坐标，若c=1，则将其灰度值变为4；然后令dk为新的当前点c，dk-1为其背景邻点b；

返回3；

9）目标位置估计

以形心作为目标位置进行输出；由于二值化的结果，目标图像R以内的信号幅度为“1”，目标图像R以外的信号幅度为“0”；把形心解算式改写成：

其中，当属于R区域内时＝1；当不属于R区域时＝0；a，b，c，d为跟踪窗口边界坐标。

4.根据权利要求2所述基于迷你声纳的水下目标探测与AUV自动避碰方法，其特征在于：所述步骤4）所采用的AUV自动避碰算法基于人工势场避碰模型，具体步骤如下：

构造目标位姿引力场和障碍物周围斥力场共同作用的人工势力场，搜索势函数的下降方向来寻找无碰撞路径；

斥力为斥力函数的负梯度，即：

其中为位置增益函数，为AUV与障碍物之间的最短距离，代表障碍物的影像距离；

引力为目标势场的负梯度，即：

当AUV到达目标的过程中，这个力收敛于0，斥力与引力的合力为：

AUV下一步的运动方向由合力的方向决定，定义AUV当前的位置(xk,yk)，则根据目标点位置和障碍物信息得到AUV下一步的路径点坐标(xk+1,yk+1)为：

其中、为常量，是AUV每次移动的绝对唯一参数，求得路径点的地球坐标，转化为AUV的航向、速度、深度，反馈给AUV运动模型。