CN104898092A - 基于椭球腔模型的海域物体定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于椭球腔模型的海域物体定位方法，包括任一节点发射超声波信号，其它节点接收超声波；得出分别位于绕两个焦点连线旋转形成的两个椭球交集形成“椭球腔”；取得更多“椭球腔”交集得出质心；求出质心群的质心；以此为球心，距离发射点最近的点为半径形成的球形区域，以该球形区域作为该物体所在位置以及所在空间的模拟；各节点遍历发射，融合所有的获取的模拟球形区域。本发明解决了超声波在海洋生态环境监测的应用中，由于被测物体表面不规则、反射点不相同，无法对海域物体进行准确的立体区域定位的问题，更有效地应用到海洋环境监测中。

Description

基于椭球腔模型的海域物体定位方法

技术领域

本发明属于近海生态环境检测技术的领域，特别是指基于椭球腔模型的海域物体定位方法。

背景技术

当前全球陆地资源日趋紧张，环境不断恶化，世界各国开始积极开发海洋资源。发展海洋经济成为沿海国家国民经济的重要支柱，也是可持续发展战略的前沿阵地。然而海洋开发带来巨大经济效益的同时，也带来一系列资源和生态环境问题。我国的近海生态环境状况也不理想，造成我国近岸海域污染的主要原因是陆源污染物。海洋垃圾影响海洋景观，威胁航行安全，甚至会对海洋生态系统的健康产生致命的影响，严重阻碍海洋经济的可持续发展。因此近海生态环境检测技术的研究和开发对于我国海洋环境监测和海洋环境保护事业的健康发展极其必要。近岸海域海洋垃圾电子监测可使我国相关部门和组织掌握近岸海域海洋垃圾持续存量以及近海生态系统状况，以有效控制、监管和治理近岸海域生态环境，保障我国海洋经济持续稳定发展。

目前，通过超声波检测海洋垃圾研究在海洋生态环境监测中十分流行。一种是通过利用无线局域网技术传输数据，采用射频技术传输超声波发送和接收端的同步信号，利用病态数学和良态数学的理论知道参考点的布置的超声波定位技术在多种局域环境中对移动物体进行定位。移动物体至参考点距离的误差是影响该技术定位精度的主要因素。另一种是通过根据超声波的渡越时间(超声波发射器发出的超声波经水质的传播到接收器的时间)测距以及方向角检查法定位的结合来定位水中被测目标的位置与运动轨迹，该技术定位精度与被测物体的大小是否合适有着直接的关系。第三种是利用自主实现的超声波六元传感器阵列进行TDOA测距(利用超声波信号和射频信号获取TDOA所需的时间差)，并采用基于测地距离的多维定标算法(Geodesic Distance MDS)进行无线传感器网络节点定位技术。该技术的定位精度与网络环境和节点移动有明显的关系，很难应对比较复杂的环境下的物体定位。

在超声波阵列监测过程中，各发射-接收节点对所监测到的物体面，即对应的被测物体表面反射点，各不相同。以上三种技术都无法很好解决反射点漂移问题，因此它们并不能良好的应用于海洋物体区域定位中。

发明内容

本发明的目的在于解决现有该领域的上述的问题，提供一种基于椭球腔模型的海域物体定位方法，可对海域物体进行准确的立体区域定位。

基于椭球腔模型的海域物体定位方法，包括以下步骤：

超声波传感器任意一节点发射超声波信号，其它节点接收直接发射的超声波以及被测物体反射回来的超声波；分别包含有被测物体距发射点最近点和最远点且绕发射点与任意接收点连线旋转形成的两个椭球面，交集形成“椭球腔”；改变接收点取得更多的“椭球腔”，“椭球腔”之间进行交集得出质心；所得的质心形成质心群，求出质心群的质心；以质心群的质心为球心，以距离发射点最近的点到球心的距离为半径形成的球形区域，以该球形区域作为该物体所在位置以及所在空间的模拟；超声波阵列各节点进行遍历发射，按同样方法依序获取被测物体所在位置以及所在空间的模拟；融合所有的获取的模拟球形区域，得到最终的物体检测图。

作为优选，以节点I点发射为例，首先取I(x₁,y₁,z₁,)，J(x₂,y₂,z₂)，K(x₃,y₃,z₃)，B(x₄,y₄,z₄)为参考点，O(x,y,z)为待测物体距发射点I(x₁,y₁,z₁,)最近点，P(x′,y′,z′)为发射点I(x₁,y₁,z₁,)最远可达点，J点接收到I点发射的信号时刻和O点反射回来的信号时刻分别为t₁和t₁′，K点接收到I点发射的信号时刻和O点反射回来的信号时刻分别为t₂和t₂′，B点接收到I点发射的信号时刻和O点反射回来的信号时刻分别为t₃和t₃′；则：

d_ioj＝v·(t₁′-t₁)+d_ij，

d_iok＝v·(t₂′-t₂)+d_ik   (1)

d_iob＝v·(t₃′-t₃)+d_ib

则以I，J为焦点，O为椭球上任意一点可得椭球TQ_IOJ方程为:

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}+\sqrt{{(x-x_2)}^2+{\left(y-y_2\right)}^2+{(z-z_2)}^2}=d_{\mathrm{ioj}}---\left(2\right)$

同理椭球TQ_IOK和椭球TQ_IOB方程分别为：

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}+\sqrt{{(x-x_3)}^2+{\left(y-y_3\right)}^2+{(z-z_3)}^2}=d_{\mathrm{iok}}---\left(3\right)$

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}+\sqrt{{(x-x_4)}^2+{\left(y-y_4\right)}^2+{(z-z_4)}^2}=d_{\mathrm{ioj}}---\left(4\right)$

联立方程(2)、(3)、(4)可得O(x,y,z)坐标；

同理，对于点I(x₁,y₁,z₁,)，J(x₂,y₂,z₂)，K(x₃,y₃,z₃)，B(x₄,y₄,z₄)为参考点，最远可达点P(x′,y′,z′)为椭球上一点，J点接收到I点发射的信号时刻和P点反射回来的信号时刻分别为t₄和t₄′，K点接收到I点发射的信号时刻和P点反射回来的信号时刻分别为t₅和t₅′，B点接收到I点发射的信号时刻和P点反射回来的信号时刻分别为t₆和t₆′，则可得反射路径长度分别为：

d_ipj＝v·(t₄′-t₄)+d_ij

d_ipk＝v·(t₅′-t₅)+d_ik   (5)

d_ipb＝v·(t₆′-t₆)+d_ib

基于三点的椭球TQ_IPJ、TQ_IPK和TQ_IPB方程分别为：

$\sqrt{{(x^{\′}-x_1)}^2+{(y^{\′}-y_1)}^2+{(z^{\′}-z_1)}^2}+\sqrt{{(x^{\′}-x_2)}^2+{(y^{\′}-y_2)}^2+{(z^{\′}-z_2)}^2}{=d}_{\mathrm{ipj}}---\left(6\right)$

$\sqrt{{(x^{\′}-x_1)}^2+{(y^{\′}-y_1)}^2+{(z^{\′}-z_1)}^2}+\sqrt{{(x^{\′}-x_3)}^2+{(y^{\′}-y_3)}^2+{(z^{\′}-z_3)}^2}{=d}_{\mathrm{ipk}}---\left(7\right)$

$\sqrt{{(x^{\′}-x_1)}^2+{(y^{\′}-y_1)}^2+{(z^{\′}-z_1)}^2}+\sqrt{{(x^{\′}-x_4)}^2+{(y^{\′}-y_4)}^2+{(z^{\′}-z_4)}^2}{=d}_{\mathrm{ipb}}---\left(8\right)$

联立方程(6)、(7)、(8)可得P(x′,y′,z′)坐标；

形成以发射点与任意接收点为两焦点，绕两焦点连线旋转的且分别包含有O,P的内外椭球面，所述内外椭球面交集形成“椭球腔”。

作为优选，通过改变接收点取得更多的“椭球腔”，“椭球腔”之间交集，通过质心算法求出交集的质心。

作为优选，所得的质心形成质心群，通过质心算法得到求出质心群的质心。

作为优选，通过改变接收点取得8个类似“椭球腔”区域，“椭球腔”之间进行交集得出质心。

进一步，从中任取3个“椭球腔”的相互交集确定一个封闭的曲面多面体，并通过质心算法得到交集的质心，总共可得个交集以及质心。

进一步，所得的个质心形成质心群，通过质心算法求出质心群的质心。

本发明具有以下有益效果：本发明基于“椭球腔”模型的近岸海域物体立体区域定位方法，通过超声波阵列和相关融合技术解决了超声波在海洋生态环境监测的应用中，由于被测物体表面不规则、反射点不相同，无法对海域物体进行准确的立体区域定位的问题，，能更有效地应用到海洋环境监测中。

附图说明

图1是基于椭球腔模型的海域物体定位方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的说明：

根据附图1基于椭球腔模型的海域物体定位方法的流程图可知：

以超声波传感器各节点按3×3阵列 $\left[\begin{array}{ccc}A& I& L\\ B& J& M\\ C& K& N\end{array}\right]$ 沿海岸竖直向下安置为例，以海岸水平线为Z轴(如)正方向，竖直向下为Y轴正方向(如)，垂直于发射阵列的法向量方向为X轴正方向。

以节点I点为发射点，首先I(x₁,y₁,z₁)，J(x₂,y₂,z₂)，K(x₃,y₃,z₃)，B(x₄,y₄,z₄)为参考点，O(x,y,z)为待测物体距发射点I(x₁,y₁,z₁)最近点，P(x′,y′,z′)为发射点I(x₁,y₁,z₁)最远可达点，J点接收到I点发射的信号时刻和O点反射回来的信号时刻分别为t₁和t₁′，K点接收到I点发射的信号时刻和O点反射回来的信号时刻分别为t₂和t₂′，B点接收到I点发射的信号时刻和O点反射回来的信号时刻分别为t₃和t₃′；则：

d_ioj＝v·(t₁′-t₁)+d_ij，

d_iok＝v·(t₂′-t₂)+d_ik   (1)

d_iob＝v·(t₃′-t₃)+d_ib

则以I，J为焦点，O为椭球上任意一点可得椭球TQ_IOJ方程为:

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}+\sqrt{{(x-x_2)}^2+{\left(y-y_2\right)}^2+{(z-z_2)}^2}=d_{\mathrm{ioj}}---\left(2\right)$

同理椭球TQ_IOK和椭球TQ_IOB方程分别为：

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}+\sqrt{{(x-x_3)}^2+{\left(y-y_3\right)}^2+{(z-z_3)}^2}=d_{\mathrm{iok}}---\left(3\right)$

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}+\sqrt{{(x-x_4)}^2+{\left(y-y_4\right)}^2+{(z-z_4)}^2}=d_{\mathrm{ioj}}---\left(4\right)$

联立方程(2)、(3)、(4)可得O(x,y,z)坐标。

同理，对于点I(x₁,y₁,z₁,)，J(x₂,y₂,z₂)，K(x₃,y₃,z₃)，B(x₄,y₄,z₄)为参考点，最远可达点P(x′,y′,z′)为椭球上一点，J点接收到I点发射的信号时刻和P点反射回来的信号时刻分别为t₄和t₄′，K点接收到I点发射的信号时刻和P点反射回来的信号时刻分别为t₅和t₅′，B点接收到I点发射的信号时刻和P点反射回来的信号时刻分别为t₆和t₆′，则可得反射路径长度分别为：

d_ipj＝v·(t₄′-t₄)+d_ij

d_ipk＝v·(t₅′-t₅)+d_ik   (5)

d_ipb＝v·(t₆′-t₆)+d_ib

基于三点的椭球TQ_IPJ、TQ_IPK和TQ_IPB方程分别为：

$\sqrt{{(x^{\′}-x_1)}^2+{(y^{\′}-y_1)}^2+{(z^{\′}-z_1)}^2}+\sqrt{{(x^{\′}-x_2)}^2+{(y^{\′}-y_2)}^2+{(z^{\′}-z_2)}^2}{=d}_{\mathrm{ipj}}---\left(6\right)$

$\sqrt{{(x^{\′}-x_1)}^2+{(y^{\′}-y_1)}^2+{(z^{\′}-z_1)}^2}+\sqrt{{(x^{\′}-x_3)}^2+{(y^{\′}-y_3)}^2+{(z^{\′}-z_3)}^2}{=d}_{\mathrm{ipk}}---\left(7\right)$

$\sqrt{{(x^{\′}-x_1)}^2+{(y^{\′}-y_1)}^2+{(z^{\′}-z_1)}^2}+\sqrt{{(x^{\′}-x_4)}^2+{(y^{\′}-y_4)}^2+{(z^{\′}-z_4)}^2}{=d}_{\mathrm{ipb}}---\left(8\right)$

联立方程(6)、(7)、(8)可得P(x′,y′,z′)坐标。

任意焦点相同，与O,P形成的两个椭球即形成一个“椭球腔”，如上述方程即可得到3个“椭球腔”分别为：(TQ_IOJ，TQ_IPJ)、(TQ_IOK，TQ_IPK)和(TQ_IOB，TQ_IPB)，则可得三个“椭球腔”的交集，并求出质心，记为Q(X₁,Y₁,Z₁)。

依次类推，可得到(56)个质心，分别记为Q(X₂,Y₂,Z₂)，……Q(X₅₆,Y₅₆,Z₅₆)，通过平均质心算法即X₀＝(X₁+X₂……X₅₆)/56，Y₀＝(Y₁+Y₂……Y₅₆)/56，Z₀＝(Z₁+Z₂……Z₅₆)/56，可得质心群质心，即物体模拟区域的球心Q(x₀,y₀,z₀)。

根据点I(x₁,y₁,z₁,)接收到从物体上反射回来的信号的最早时刻t₀，可确定距离发射点最近的物体上的点，并可对其定位，如上述点O(x,y,z)，则以Q、O之间距离d_qo为半径，以Q(x₀,y₀,z₀,)为球心的一个球即可得该物体所在位置以及所在空间的模拟。

超声波阵列其他各节点，包括A、B、C、J、K、L、M、N进行遍历发射，按同样方法依序获取被测物体所在位置及所在空间的模拟。

融合所有按以上方法获取的模拟球形区域，得到最终的物体检测图。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于椭球腔模型的海域物体定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01超声波传感器任意一节点发射超声波信号，其它节点接收直接发射的超声波以及被测物体反射回来的超声波；

S02分别包含有被测物体距发射点最近点和最远点且绕发射点与任意接收点连线旋转形成的两个椭球面，交集形成“椭球腔”；

S03改变接收点取得更多的“椭球腔”，“椭球腔”之间进行交集得出质心；

S04所得的质心形成质心群，求出质心群的质心；

S05以质心群的质心为球心，以距离发射点最近的点到球心的距离为半径形成的球形区域，以该球形区域作为该物体所在位置以及所在空间的模拟；

S06超声波阵列各节点进行遍历发射，按同样方法依序获取被测物体所在位置以及所在空间的模拟；

S07融合所有的获取的模拟球形区域，得到最终的物体检测图。

2.据权利要求1所述的基于椭球腔模型的海域物体定位方法，其特征在于，步骤S02通过以下方式实现：以节点I点发射为例，首先取I(x₁,y₁,z₁,)，J(x₂,y₂,z₂)，K(x₃,y₃,z₃)，B(x₄,y₄,z₄)为参考点，O(x,y,z)为待测物体距发射点I(x₁,y₁,z₁,)最近点，P(x′,y′,z′)为发射点I(x₁,y₁,z₁,)最远可达点，J点接收到I点发射的信号时刻和O点反射回来的信号时刻分别为t₁和t₁′，K点接收到I点发射的信号时刻和O点反射回来的信号时刻分别为t₂和t₂′，B点接收到I点发射的信号时刻和O点反射回来的信号时刻分别为t₃和t₃′；则：

d_ioj＝v·(t₁′-t₁)+d_ij，

d_iok＝v·(t₂′-t₂)+d_ik         (1)

d_iob＝v·(t₃′-t₃)+d_ib

则以I，J为焦点，O为椭球上任意一点可得椭球TQ_IOJ方程为:

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}+\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}=d_{\mathrm{ioj}}---\left(2\right)$

同理椭球TQ_IOK和椭球TQ_IOB方程分别为：

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}+\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}=d_{\mathrm{iok}}---\left(3\right)$

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}+\sqrt{{(x-x_4)}^2+{(y-y_4)}^2+{(z-z_4)}^2}=d_{\mathrm{ioj}}---\left(4\right)$

联立方程(2)、(3)、(4)可得O(x,y,z)坐标；

同理，对于点I(x₁,y₁,z₁,)，J(x₂,y₂,z₂)，K(x₃,y₃,z₃)，B(x₄,y₄,z₄)为参考点，最远可达点P(x′,y′,z′)为椭球上一点，J点接收到I点发射的信号时刻和P点反射回来的信号时刻分别为t₄和t₄′，K点接收到I点发射的信号时刻和P点反射回来的信号时刻分别为t₅和t₅′，B点接收到I点发射的信号时刻和P点反射回来的信号时刻分别为t₆和t₆′，则可得反射路径长度分别为：

d_ipj＝v·(t₄′-t₄)+d_ij

d_ipk＝v·(t₅′-t₅)+d_ik        (5)

d_ipb＝v·(t₆′-t₆)+d_ib

基于三点的椭球TQ_IPJ、TQ_IPK和TQ_IPB方程分别为：

$\sqrt{{(x^{\′}-x_1)}^2+{(y^{\′}-y_1)}^2+{(z^{\′}-z_1)}^2}+\sqrt{{(x^{\′}-x_2)}^2+{(y^{\′}-y_2)}^2+{(z^{\′}-z_2)}^2}=d_{\mathrm{ipj}}---\left(6\right)$

$\sqrt{{(x^{\′}-x_1)}^2+{(y^{\′}-y_1)}^2+{(z^{\′}-z_1)}^2}+\sqrt{{(x^{\′}-x_3)}^2+{(y^{\′}-y_3)}^2+{(z^{\′}-z_3)}^2}=d_{\mathrm{ipk}}---\left(7\right)$

$\sqrt{{(x^{\′}-x_1)}^2+{(y^{\′}-y_1)}^2+{(z^{\′}-z_1)}^2}+\sqrt{{(x^{\′}-x_4)}^2+{(y^{\′}-y_4)}^2+{(z^{\′}-z_4)}^2}=d_{\mathrm{ipb}}---\left(8\right)$

联立方程(6)、(7)、(8)可得P(x′,y′,z′)坐标；

形成以发射点与任意接收点为两焦点，绕两焦点连线旋转的且分别包含有O,P的内外椭球面，所述内外椭球面交集形成“椭球腔”。

3.据权利要求1所述的基于椭球腔模型的海域物体定位方法，其特征在于：步骤S03是通过质心算法求出交集的质心。

4.据权利要求1所述的基于椭球腔模型的海域物体定位方法，其特征在于：步骤S04是通过质心算法求出质心群的质心。

5.据权利要求1所述的基于椭球腔模型的海域物体定位方法，其特征在于：通过改变接收点取得8个“椭球腔”，“椭球腔”之间进行交集得出质心。

6.据权利要求5所述的基于椭球腔模型的海域物体定位方法，其特征在于：从所述8个“椭球腔”中任取3个“椭球腔”交集，并通过质心算法得到交集的质心，总共可得个质心。

7.据权利要求6所述的基于椭球腔模型的海域物体定位方法，其特征在于：所述的个质心形成质心群，通过质心算法求出质心群的质心。