CN106123850B - Auv配载多波束声呐水下地形测绘修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种AUV配载多波束声呐水下地形测绘修正方法，包括如下步骤：启动多波束声呐和深度计采集数据，同时通过声速剖面仪采集的声速信息对每一个ping进行修正。通过地形匹配方法确定两个时刻之间的准确相对位置，从而得到惯导系统的最终导航误差。将惯导系统简化为弹簧模型，通过弹簧的刚度系数公式计算各个节点误差与实际最终导航误差的关系。通过地形连续性的方法确定各个时间节点对于最终误差的权重。将最终时刻误差分配到各个时间节点。本发明构建海底地形图过程中不依赖GPS信息，可由水下机器人携带，完成对较深海域的海底地形测绘，构建的地图一致性较好，各个时间节点误差小，可作为先验地形图用于水下地形匹配导航中。

Description

AUV配载多波束声呐水下地形测绘修正方法

技术领域

本发明涉及一种AUV配载多波束声呐的海底地形测绘修正方法，属于海底地形地貌的测绘技术领域。

背景技术

随着多波束技术的发展，高精度的海底地形测绘和水下机器人地形匹配导航技术的应用成为可能。水下机器人的地形匹配依赖于海底先验地图的构建。目前的海底地图构建方法通常是由船载多波束声呐扫描海底地形，但由于多波束声呐测线长度的限制，无法完成对较深海域的地形测绘。

目前现有的多波束海底地形测绘方法均需要依赖于与GPS卫星或岸基单元的通信，这种通信不仅加大了成本，更限制了作业深度和距离。

公开日为2016年3月9日、公开号为CN105387842A、发明名称为“基于感知驱动的自航式海底地形地貌测绘系统及测绘方法”的专利申请,，该方法需要同岸基单元进行实时通信，由岸基单元进行实时的地图构建，数据传输量大，传输过程中易出现误码从而加大误差。由于需要与岸基单元通信，该方法的有效工作水深为100米左右，无法实现对深水区的地形地貌测量作业。

公开日为2009年5月20日、公开号为CN101436074、发明名称为“采用同时定位与地图构建方法的自主式水下机器人”的专利申请,该机器人同样不需要GPS信息，但采用并扫描成像声纳，作用范围小，对地形高度的测量精度低，本发明采用多波束声呐作为地形信息采集设备，获得的地图精度更高，且测线长度更长，一次获得的有效数据量更大。

发明内容

本发明的目的是提供一种AUV配载多波束声呐的海底地形测绘修正方法。

本发明的目的是这样实现的：包括如下步骤：

(1)启动惯性导航系统，得到惯性导航系统对于AUV的估计位置，估计位置表示为启动多波束测深系统采集数据；

(2)结合惯性导航系统给出的估计位置坐标和多波束测深系统采集的数据，更新初始地图；

(3)根据更新的初始地图，对是否进入可进行地形匹配的区域进行判断：未进入则返回步骤(2)；进入则使用更新的初始地图与当前地形进行地形匹配，确定路径首尾端之间的准确相对位置e＝x_n-x₀，其中X＝{x₀,x₁,...,x_n}为AUV真实路径的节点坐标，通过惯性导航给出的首尾估计相对位置从而得到惯导系统的最终导航误差ε：

同时，从i＝1时刻开始到i＝n时刻结束，根据上一时刻(i-1时刻)构建的初始地图，结合当前时刻得到的惯性导航系统给出的坐标和多波束测深系统采集的数据，通过地形连续性的方法确定各个时间节点对于最终误差的权重θ_i＝-lnp(z_i|x_i)(i＝1,...,n)；

将量测模型简化为：

式中：测量值z_i为i时刻的多波束测深系统测得地形高程数据，为根据i-1时刻构建的初始地图和当前时刻得到的惯性导航系统给出的坐标估计的地形高程数据，v_i和v_i′均是测量误差，

当前性导航系统指示位置是由上一点推算的实际位置的概率为：

式中：σ_e＝diag(σ₁,σ₂,...,σ_k)是由各个采样点方差组成的对角阵，N表示每一个时间节点的采样点个数，z_i,k表示第i时刻第k条测线获得的地形高度数据，表示对应于z_i,k位置由性导航系统估计的坐标推算出的高度值，的取值范围在[0,1]，则权重θ_i为：

θ_i＝-lnp(z_i|x_i),(i＝1,...,n)；

(4)根据得到的最终导航误差ε和各时刻权重θ_i(i＝1,...,n)，计算各时刻AUV相对于惯性导航系统估算位置的偏移量v_i(i＝1,...,n)：

根据AUV的惯性导航系统状态方程最终导航误差ε简化为式中：u_i-1为i-1时刻的真实输入，v_i-1为i-1时刻的误差，而 则

将惯性导航系统简化为弹簧模型，根据弹簧的受力形变公式：

建立递推模型，得出v_i(i＝1,...,n)；

(5)根据得到的各时刻AUV相对于惯性导航系统估算位置的偏移量v_i(i＝1,...,n)，修正各个多波束测点的坐标x_i,k＝x_i,k+v_i，实现地图的修正。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.步骤(3)中的高度值是基于地形局部连续假设并通过地形连续性拟合得到预测的下一时间节点多波束测点高度得到的，而多波束点高度的预测方法包括：

首先，对当前时间节点的每一个多波束点，提取出包含该点对应的地形剖面，地形剖面中数据点一般以1m或更小为间隔，一次提取15个点，将地形剖面加入拟合空间；

其次，在拟合空间中提取出包含拟合点的单调变化区间；

最后，针对单调变化区间内数据点个数的不同，选取不同的拟合方法计算拟合点高程：当数据点个数大于4个，采用三次多项式方法，小于等于4时采用回归方程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了一种不依赖于GPS信息的AUV配载海底地图测绘修正方法，能够得到误差较小，地图一致性较高的海底先验地形图。该方法通过地图中时间节点的首尾段进行地形匹配获得首尾段准确误差，由于不依赖于GPS信号，可以在水下较深处作业，从而实现较深海域的地形测绘任务。

附图说明

图1是本发明的系统模型图；

图2是本发明的流程图；

图3是本发明的地形连续性方法多波束脚点拟合计算图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的目的在于提供能够一种AUV配载多波束声呐的海底地形测绘修正方法，包括前段地图构建和后端地图修正，首先启动多波束测深系统采集地形数据，启动惯性导航系统采集估计位置数据。通过地形匹配方法确定首尾时刻之间的准确相对位置，通过惯性导航给出的首尾估计相对位置，从而得到在尾部惯性导航系统的最终导航误差。将惯导系统简化为弹簧模型，通过弹簧的刚度系数公式计算各个节点误差与实际最终导航误差的关系。通过地形连续性的方法确定各个时间节点对于最终误差的权重。将最终时刻误差分配到各个时间节点。获得精度更高，一致性更好的海底地图。具体的说本法包括如下步骤：

A.前端

前端主要完成数据的采集和初始地图的构建，各个时刻权重θ_i(i＝1,...,n)以及最终导航误差ε的确定，主要包括以下步骤：

(1)启动惯性导航系统，得到惯性导航系统对于AUV的估计位置，表示为启动多波束测深系统采集数据。

(2)结合惯性导航系统给出的坐标和多波束测深系统采集的数据，更新初始地图。

(3)根据更新的初始地图，判断是否进入可进行地形匹配的区域后，未进入返回步骤(2)，进入则使用初始地图与当前地形进行地形匹配，确定路径首尾端之间的准确相对位置e＝x_n-x₀(X＝{x₀,x₁,...,x_n}为AUV真实路径节点坐标)，通过惯性导航给出的首尾估计相对位置从而得到惯导系统的最终导航误差ε

同时，从i＝1时刻开始到i＝n时刻结束，根据上一时刻(i-1时刻)构建的初始地图，结合当前时刻得到的惯性导航系统给出的坐标和多波束测深系统采集的数据，通过地形连续性的方法确定各个时间节点对于最终误差的权重θ_i＝-lnp(z_i|x_i)(i＝1,...,n)；

将量测模型简化为

式中测量值z_i为i时刻的多波束测深系统测得地形高程数据，为根据i-1时刻构建的初始地图和当前时刻得到的惯性导航系统给出的坐标估计的地形高程数据，v_i和v_i′都是测量误差，可以简化为高斯白噪声。

可以看到，测量值z_i与估计值的的误差是由误差v_i的在量测方程中传递引起的。

因为可以得到

因此

式中，由于认为各个采样点的测量之间是相互独立的，σ_e＝diag(σ₁,σ₂,...,σ_k)是由各个采样点方差组成的对角阵，N表示每一个时间节点的采样点个数，z_i,k表示第i时刻第k条测线获得的地形高度数据，表示对应于z_i,k位置由惯性导航估计的坐标推算出的高度值，这个高度值是基于地形局部连续假设即假设地形在单调变化范围内地形符合地形连续性，通过地形连续性拟合得到预测的下一时间节点多波束测点高度得到的。表示的是当前惯导指示位置是由上一点推算的实际位置的概率，越大该段位移刚度系数越大，考虑到的取值范围在[0,1]，为扩大修正方差，取权重θ_i＝-lnp(z_i|x_i)。

B.后端

后端主要完成的内容如下：

(4)根据得到的最终导航误差ε和各时刻权重θ_i＝-lnp(z_i|x_i)(i＝1,...,n)，通过公式(7)计算各时刻AUV相对于惯性导航系统估算位置的偏移量v_i(i＝1,...,n)；

根据AUV的惯性导航系统状态方程可以将(1)式简化为

式中，u_i-1为i-1时刻的真实输入，v_i-1为i-1时刻的误差。由于所以由此，可以将起点终点简化为

同时可以看到，子地图的误差是由i+1时刻AUV的真实位置相对于i时刻估计的i+1时刻AUV的位置的误差组成的。

根据得到的最终导航误差ε，将惯导系统简化为弹簧模型，通过弹簧的刚度系数公式计算各个时刻误差与实际最终导航误差的关系即各个时刻的权重θ_i(i＝1,...,n)。

根据弹簧的受力形变公式

建立递推模型，计算v_i(i＝1,...,n)。

根据得到的各时刻AUV相对于惯性导航系统估算位置的偏移量v_i(i＝1,...,n)，修正各个多波束测点坐标x_i,k＝x_i,k+v_i从而达到修正地图的目的。

下面结合附图对本发明进行进一步详细的说明：

图1表述了本发明的系统模型，具体可由公式1表示图1中，通过上一时刻实际输出u与上一时刻相连的五角星表示相对于上一时刻本时刻的真实位置(无误差位置)，通过上一时刻观测输出u+v与上一时刻相连的五角星表示以上一时刻为原点，由惯导系统推算出的位置。可以看到，最终的误差是由各个节点的误差累积得到的，对最终的导航误差的修正是通过修正各个时刻的v实现的。

图2表述了本发明的系统流程图。具体实现步骤如下

(1)启动惯性导航系统，得到惯性导航系统对于AUV的估计位置，表示为启动多波束测深系统采集数据。

(2)结合惯性导航系统给出的坐标和多波束测深系统采集的数据，更新初始地图。

(3)根据更新的初始地图，判断是否进入可进行地形匹配的区域后，未进入返回步骤(2)，进入则使用初始地图与当前地形进行地形匹配，确定路径首尾端之间的准确相对位置e＝x_n-x₀(X＝{x₀,x₁,...,x_n}为AUV真实路径节点坐标)，通过惯性导航给出的首尾估计相对位置从而得到惯导系统的最终导航误差ε

同时，从i＝1时刻开始到i＝n时刻结束，根据上一时刻(i-1时刻)构建的初始地图，结合当前时刻得到的惯性导航系统给出的坐标和多波束测深系统采集的数据，通过地形连续性的方法确定各个时间节点对于最终误差的权重θ_i＝-lnp(z_i|x_i)(i＝1,...,n)；

(4)根据得到的最终导航误差ε和各时刻权重θ_i＝-lnp(z_i|x_i)(i＝1,...,n)，通过公式(7)计算各时刻AUV相对于惯性导航系统估算位置的偏移量v_i(i＝1,...,n)；

(5)根据得到的各时刻AUV相对于惯性导航系统估算位置的偏移量v_i(i＝1,...,n)，修正各个多波束测点坐标x_i,k＝x_i,k+v_i从而达到修正地图的目的。

图3表述了本发明的地形连续性方法中多波束点高度的预测方法。具体实现步骤如下：

一：对当前时间节点的每一个多波束点，提取出包含该点对应的地形剖面，地形剖面中数据点一般以1m或更小为间隔，一次提取15个点。将地形剖面加入拟合空间。

二：在拟合空间中提取出包含拟合点的单调变化区间。

三：针对单调变化区间内数据点个数的不同，选取不同的拟合方法。当数据点个数大于4个，采用三次多项式方法，小于等于4时采用回归方程。计算拟合点高程。

计算完成所有测点的高程后，计算结束，进入图2表述的第三步。

Claims (2)

1.AUV配载多波束声呐水下地形测绘修正方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)启动惯性导航系统，得到惯性导航系统对于AUV的估计位置，估计位置表示为启动多波束测深系统采集数据；

(2)结合惯性导航系统给出的估计位置坐标和多波束测深系统采集的数据，更新初始地图；

(3)根据更新的初始地图，对是否进入可进行地形匹配的区域进行判断：未进入则返回步骤(2)；进入则使用更新的初始地图与当前地形进行地形匹配，确定路径首尾端之间的准确相对位置e＝x_n-x₀，其中X＝{x₀,x₁,...,x_n}为AUV真实路径的节点坐标，通过惯性导航给出的首尾估计相对位置从而得到惯导系统的最终导航误差ε：

同时，从i＝1时刻开始到i＝n时刻结束，根据上一时刻(i-1时刻)构建的初始地图，结合当前时刻得到的惯性导航系统给出的坐标和多波束测深系统采集的数据，通过地形连续性的方法确定各个时间节点对于最终误差的权重θ_i＝-lnp(z_i|x_i)(i＝1,...,n)；

将量测模型简化为：

式中：测量值z_i为i时刻的多波束测深系统测得地形高程数据，为根据i-1时刻构建的初始地图和当前时刻得到的惯性导航系统给出的坐标估计的地形高程数据，v_i和v_i′均是测量误差，

当前性导航系统指示位置是由上一点推算的实际位置的概率为：

式中：σ_e＝diag(σ₁,σ₂,...,σ_k)是由各个采样点方差组成的对角阵，N表示每一个时间节点的采样点个数，z_i,k表示第i时刻第k条测线获得的地形高度数据，表示对应于z_i,k位置由性导航系统估计的坐标推算出的高度值，的取值范围在[0,1]，则权重θ_i为：

θ_i＝-lnp(z_i|x_i),(i＝1,...,n)；

(4)根据得到的最终导航误差ε和各时刻权重θ_i(i＝1,...,n)，计算各时刻AUV相对于惯性导航系统估算位置的偏移量v_i(i＝1,...,n)：

根据AUV的惯性导航系统状态方程最终导航误差ε简化为式中：u_i-1为i-1时刻的真实输入，v_i-1为i-1时刻的误差，而则

将惯性导航系统简化为弹簧模型，根据弹簧的受力形变公式：

建立递推模型，得出v_i(i＝1,...,n)；

(5)根据得到的各时刻AUV相对于惯性导航系统估算位置的偏移量v_i(i＝1,...,n)，修正各个多波束测点的坐标x_i,k’＝x_i,k+v_i，实现地图的修正。

2.根据权利要求1所述的AUV配载多波束声呐水下地形测绘修正方法，其特征在于：步骤(3)中的高度值是基于地形局部连续假设并通过地形连续性拟合得到预测的下一时间节点多波束测点高度得到的，而多波束点高度的预测方法包括：

首先，对当前时间节点的每一个多波束点，提取出包含该点对应的地形剖面，地形剖面中数据点一般以1m或更小为间隔，一次提取15个点，将地形剖面加入拟合空间；

其次，在拟合空间中提取出包含拟合点的单调变化区间；

最后，针对单调变化区间内数据点个数的不同，选取不同的拟合方法计算拟合点高程：当数据点个数大于4个，采用三次多项式方法，小于等于4时采用回归方程。