[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

说明书

技术领域

本发明涉及水下目标的声探测系统以及AUV自动避碰技术，具体涉及一种使用迷你声纳检测水下目标、确定障碍物位置、给出避碰指令，实现AUV自动避碰的方法以及实现该方法的系统。

背景技术

由于在军用和民用两方面都具有极为广阔的应用前景，作为水下运载平台和作业工具的小型水下机器人技术得到了迅猛的发展。许多国家尤其是发达国家都致力于相关的技术研究和产品开发。作为完全自治的水下机器人，探测系统就是它的眼睛和耳目，具有极其重要的地位和作用。通过探测系统，机器人能够快速获取水下周围环境信息，为其运动和水下作业提供引导。而在特殊的水下环境下，声波是迄今为止唯一可以进行远程信息传输的载体。这就决定了小型水下机器人装备的探测系统必须以声纳为主。

声纳安装在AUV前部，实时地获取障碍物的位置信息，为AUV避碰提供前提条件。由于存在环境干扰，声纳常常会提供伪信息。这种伪信息的存在会导致AUV的误判，使AUV不能向正确的方向前进。这就需要通过对噪声的滤除提高障碍物探测的准确度。同时由于障碍物的多样性和未知性，基于传感器信息，采用怎样的避碰算法如何进行避碰规避，确保AUV能够及时快速地对障碍物做出反应，也是决定系统性能水平的一个重点。

发明内容

本发明进行了声探测方面的研究，其的目的在于提供一种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。实现障碍物定位置，使AUV做出正确的避碰决策。

本发明的技术方案如下： 

一种基于迷你声纳的水下目标探测与AUV自动避碰系统，包括迷你声纳、声纳计算机和主控计算机；所述迷你声纳和声纳计算机之间通过串口RS485通讯，所述声纳计算机与主控计算机之间通过网络连接，所述主控计算机通过串口RS232分别连接光纤陀螺、多普勒测速仪、高度计、倾角传感器以及磁罗经，主控计算机同时通过DA通道连接推进器和舵翼。

本发明同时提供了一种基于迷你声纳的水下目标探测与AUV自动避碰方法，包括如下步骤：

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

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

步骤3）：声纳计算机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；

步骤4）：主控计算机根据步骤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，高速时采用舵翼控制航向，低速时采用推进器控制航向，实现AUV避碰。

其进一步的技术方案为：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。