CN107526087A - 一种获取水下3d断层图像的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取水下3D断层图像的方法及系统，所述方法包括，控制无人船在待测水域内沿基本覆盖该待测水域的航线航行，同时获取水下声呐图像，将航线上各处获取的声呐图像合成为3D断层图像并显示。还公开了一种述具有自动获取水下3D断层图像功能的无人船系统。现有技术无人船利用声呐只能探测当前所处位置下的小范围内的声呐图像，并且声呐图像为平面图，用户需要操作无人船航行，并根据经验来推断水下物体信息。采用本发明的技术方案，可以自动获取较大水域内的水下声呐图像，并自动生成水下3D断层图像，方便用户直观的观测水下断层处的物体信息，确定鱼群位置。并且整个航行和声呐探测过程不需要人工控制，简单方便，适合民间非专业人员使用。

Description

一种获取水下3D断层图像的方法及系统

技术领域

本发明涉及无人船声呐探测领域，具体是一种获取水下3D断层图像的方法及无人船系统。

背景技术

近年来机器人技术发展迅速，大量适用不同环境的无人设备如无人机，无人车，无人船等，但受到技术等因素的限制这些设备还没有广泛进入民用领域。以无人船为例，现有无人船多为军用，如完成侦查任务，远程攻击任务等。也有一些用于科研领域，比如海洋数据监测，实验样本采集等。在工业上用于一些水中设备的远程维护，工业开采等方面。民用方面的应用还很有限，目前除了作为娱乐用途的无人船之外，用于钓鱼的无人船在民用市场的需求越来越大，因此对于钓鱼无人船提出了越来越高的要求。

传统钓鱼方常先进行打窝，即在水中的某一位置投放一批饵料吸引鱼群聚集，提高钓鱼的成功率。这种方法在较小的水域中比较有效。但在江、河、湖、海和水库等宽阔水域做远距离垂钓时，由于水域宽阔水下地形复杂多变，鱼群的分布很难推断，打窝的位置如果离鱼群太远也同样没有效果，由于垂钓者对水下的情况无从知晓，一旦打窝位置不理想的情况也不能及了解，白白的苦等鱼儿上钩，因为抛鱼饵的落点不正确，而做无用功，没有渔获，浪费大量的时间精力。

现有的某些钓鱼无人船上具有声呐设备，可以对水下环境进行粗略的探测，但是这种探测范围较小，通常只是无人船当前所在位置下的一小块水域，并且声呐图像为平面图，用户需要操作无人船航行，并根据经验来推断水下物体信息。垂钓者无法对整个水域的情况进行判断，也就无法寻找到最佳垂钓位置。即使控制无人船在水域的很多位置进行探测得到的图像依然是零碎的没有参考意义的。并且航行和探测过程都需要人为的操控，非常不便。

因此对于较大范围内的水域，获取其水下连贯的3D图形就很有意义，其作用不仅仅可用于寻找鱼群，还可以用于探测漏油事故导致的水下悬浮油污的范围和分别方便清理打捞工作的进行。还可以用于对于水下悬浮海藻等水下植物的打捞。

综上所述，目前迫切需要一种不需要人为控制，并自动获取较大水域内包含各个深度的物体信息的水下3D断层图像的方法和设备。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种可以自动获取较大水域内的水下声呐图像，并自动生成水下3D断层图像，方便用户直观的观测水下断层处的物体信息，确定鱼群位置的方法和系统。

具体内容为：

一种获取水下3D断层图像的方法，其特征在于，所述方法包括，控制无人船在待测水域内沿基本覆盖该待测水域的航线航行，同时获取水下声呐图像，将航线上各处获取的声呐图像合成为3D断层图像并显示。

进一步的，具体步骤包括：

S1划定水域：在GPS地图划定一块待测水域；

S2规划航线：规划一条覆盖该水域的并且不发生交叉的航线，

S3自动航行并获取声呐图像：无人船沿规划航线自动航行，并获取水下声呐图像，所述声呐图像中包含水下断层信息；

S4生成3D断层图像：将获取的声呐图像合成3D断层图像。

进一步的，所述划定水域包括，在GPS地图上标记需要探测的水面区域，至少标记3个点，各个点所围成的区域为待测水域，所述待测水域可以是三角形，矩形，圆形或椭圆形等规则图形。

进一步的，所述规划航线包括，按照逐行推进的形式，自动生成一条由待测水域一端起始，沿待测水域两侧边界折返并向前推进至待测区域另一端终止的航线，所述规划航线也可以是用户手动在地图上划定的，其中两条相邻的折返航线间距不大M米，所述M为声呐探测范围的宽度。

进一步的，所述自动航行包括，通过GPS获取无人船当前位置和航向，与规划航线对比，实时调整人船的驱动方向和速度与规划航线一致

进一步的，所述实时调整无人船的驱动方向和速度还包括，取三轴角速度数据和三轴加速度数据，并结合GPS数据得到偏航角度等航向误差信息，利用模糊PID算法得到驱动方向和速度，实时对无人船进行调整。

进一步的，所述获取水下声呐图像包括，间隔N米对水下环境进行一次探测，并将获取的声呐图像、当前坐标和航向发送给外部终端和/或存储，所述N为声呐探测范围的长度。

进一步的，所述生成3D断层图像包括根据图像合成算法将规划航线各处获取的声呐图像合称为水下3D断层图像并显示给用户，所述水下3D断层图像还包括根据图像特征生成的水下物体分析报告。

进一步的，所述自动航行并获取声呐图像还包括，当自动航行并获取声呐图像结束后，无人船根据预先设置的返航点自动返航。

进一步的，一种具有自动获取水下3D断层图像功能的无人船系统，其特征在于，包括无人船和外部终端，其中无人船包括中央控制器，声呐模块，驱动模块，通信模块，自动航行模块，GPS模块，存储模块，传感器模块；所述外部终端包括，终端处理器，终端GPS模块，航线规划模块，输入模块，终端通信模块，图像处理模块，显示模块；

其中，航线规划模块根据终端GPS模块上划定的待测水域生成规划航线，将规划航线信息经终端通信模块发送给无人船，无人船接收并存储规划航线信息，自动航行模控制无人船沿规划航线自动航行，同时利用声呐模块获取声呐图像，并将声呐图像发送给外部终端，外部终端的图像处理模块根据收到的声呐图像生成水下3D断层图像。

本发明提供的一种自动获取水下3D断层图像的方法及系统，用户只需要提前划定待测水域，然后无人船系统就可以自动获取待测水域内的声呐图像并生成水下3D断层图像。并且整个航行和声呐探测过程不需要人工控制，简单方便，适合民间非专业人员使用。

附图说明

图1是本发明实施例一的流程图

图2是本发明实施例二的流程图

图3是本发明实施例二中规划航线的示意图

图4是本发明实施例二中自动航行的流程图

图5是本发明实施例三无人船系统的示意图

无人船100，外部终端200，中央控制器110，声呐模块120，驱动模块130，通信模块140，自动航行模块150，GPS模块160，存储模块170，传感器模块180，终端处理器210，终端GPS模块220，航线规划模块230，终端通信模块240，输入模块250，图像处理模块260，显示模块270。

具体实施方式

现有技术中，通过安装声呐设备的无人船可以对水下环境进行粗略的探测，但是这种探测范围较小，通常只是无人船当前所在位置下的一小块水域，并且声呐图像为平面图，用户需要操作无人船航行，并根据经验来推断水下物体信息，无法确保判断的准确性。即使控制无人船在水域的很多位置进行探测得到的图像依然是零碎的，无法提供有效的参考。虽然现有技术存在一些可探测水下3D图像的设备，但这些设备大都为军用设备，工业设备或科研设备，价格非常昂贵不适合民用。并且探测过程需要搭载在舰船上无法实现自动探测。

而现有钓鱼无人船具有声呐和GPS模块，可以获取实时位置和二维的水下图像。而如何利用这些数据，在不额外增加检测设备的情况下实现对水下3D图像的获取，是本发明解决的问题。考虑到区域内3D图像可以采用二维图像叠加的方式得到，因此考虑使无人船沿一条可覆盖大部分待测水域面积的航线航行，并在航行中获取二维声呐图像，这样获得到足够数量的相互之间具有连贯性可拼接叠加的二维声呐图像，再通过图像合成算法合成水下3D断层图像。

本发明提供一种可以自动获取较大水域内的水下声呐图像并生成水下3D断层图像，方便用户直观的观测水下断层处的物体信息的方法和系统。

下边具体的描述本发明自动获取水下3D断层图像的方法和系统，结合附图对本发明进一步描述。

具体内容为：

实施例一：

本实施例为本发明方法的基础实施例，没有对无人船在待测水域的航行进行限定，其可以是用户手动控制也可以是自动航行。

如图1本发明一种自动获取水下3D断层图像的方法具体的包括，控制无人船在待测水域内沿基本覆盖该待测水域的航线航行，同时获取水下声呐图像，将航线上各处获取的声呐图像合成为水下3D断层图像。

实施例二：

本实施例是在实施例一的基础上对实施例一进行的优化，本实施例无人船可利用GPS导航实现自动航行，具体限定了待测水域的确定方法，还增加的航线规划的步骤。

进一步的，如图2所示，具体步骤包括：

201划定水域：在GPS地图划定一块待测水域；

202规划航线：规划一条覆盖该水域的并且不发生交叉的航线，

203自动航行并获取声呐图像：无人船沿规划航线自动航行，并获取水下声呐图像，所述声呐图像中包含水下断层信息；

204生成3D断层图像：将获取的声呐图像合成3D断层图像。

进一步的，要实现GPS定位下的自动航行，首先要确定航行的范围。因此就需要丢水域进行划分。所述划定水域包括，在GPS地图上标记需要探测的水面区域，至少标记3个点，各个点所围成的区域为待测水域，所述待测水域可以是三角形，矩形，圆形或椭圆形等规则图形。

进一步的，所述规划航线包括，按照逐行推进的形式，自动生成一条由待测水域一端起始，沿待测水域两侧边界折返并向前推进至待测区域另一端终止的航线，所述规划航线也可以是用户手动在地图上划定的，其中待测水域两端的确定是根据待测水域的图形来确定，具体是图形中相对距离较大的两端部上的任意位置，若图各个对侧间距离相等的图形(如形为正方形或圆形)则可采用任意相对的两点作为两端部。其中两条相邻的折返航线间距不大与M米，所述M为声呐探测范围的宽度。具体的如图3所示，矩形待测区域1为例，规划航线2在水域两侧边界之间折返设置，每次折返均向前推进一段距离，折返航线之间为相互平行的直线。

进一步的，若待测区域为各个对侧间的距离相等，如圆形或正方形时，可以采用螺旋形航线，则规划航线为旋转向中心靠拢的曲线。

进一步的，为了实现无人船的自动航行，就需要对无人船的驱动方向和速度进行实时调整，而调整的依据则需要根据无人船当前的位置、航行速度和方向来确定。因此所述自动航行还包括，通过GPS获取无人船当前位置和航向，与规划航线对比，实时调整人船的驱动方向和速度与规划航线一致。

进一步的，所述实时调整无人船的驱动方向和速度还包括，获取三轴角速度数据和三轴加速度数据，并结合GPS数据得到偏航角度等航向误差信息，利用模糊PID算法得到驱动方向和速度，实时对无人船进行调整。具体的流程，如图4首先当前实际航向和规划航线的误差，其中实际航向的获得是利用航线姿态参考系统AHRS同时还要结合GPS的速度和方向数据得到，其中AHRS系统包含三轴陀螺仪、三轴加度计等，然后将得到包含偏航角度等信息的偏差数据，经过模糊PID算法得到需要调整的推力和推力矩，进行推力分配，具体的是对推进器的转速和方向进行调整(如采用左右两个驱动器时，则是调整两个驱动器的转速差值)，实现对实际航向的调整，此为自动航行的闭环控制。

进一步的，所述获取水下声呐图像包括，间隔N米对水下环境进行一次探测，并将获取的声呐图像和当前坐标发送给外部终端和/或存储，所述N为声呐探测范围的长度。

进一步的，所述生成3D断层图像包括根据图像合成算法将规划航线各处获取的声呐图像合称为水下3D断层图像并显示给用户，所述水下3D断层图像还包括根据图像特征生成的水下物体分析报告。

进一步的，所述自动航行并获取声呐图像还包括，当自动航行并获取声呐图像结束后，无人船根据预先设置的返航点自动返航。

实施例三：

本实施例为实现上述方法的装置实施例，如图5具体为，一种具有自动获取水下3D断层图像功能的无人船系统，其特征在于，包括无人船100和外部终端200，其中无人船包括中央控制器110，声呐模块120，驱动模块130，通信模块140，自动航行模块150，GPS模块160，存储模块170，传感器模块180；所述外部终端200包括，终端处理器210，终端GPS模块220，航线规划模块230，终端通信模块240，输入模块250，图像处理模块260，显示模块270。

具体的，所述传感器模块180包括三轴陀螺仪和三轴加速度仪等。

具体的，所述自动航行模块150根据GPS定位信息和从传获取三轴角速度数据和三轴加速度数据，利用模糊PID算法得到驱动方向和速度，实时对无人船的航向进行调整。

具体的，所述存储模块170用于存储规划航线信息和无人船的行驶数据等信息。

具体的，所述输入模块250可以是操纵杆、键盘、触摸屏、语音输入和手势输入中的一种或几种的组合。

实际使用中，外部终端200的航线规划模块230根据用户在终端GPS模块上220划定的待测水域生成规划航线，将规划航线信息经终端通信模块240发送给无人船100，无人船100接收并利用存储模块170存储规划航线信息，自动航行模块150控制无人船沿规划航线自动航行，同时利用声呐模120块获取声呐图像，并将声呐图像发送给外部终端200，外部终端200的图像处理模块260根据收到的声呐图像生成水下3D断层图像，并通过显示模块270显示给用户。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种获取水下3D断层图像的方法，其特征在于，所述方法包括，控制无人船在待测水域内沿覆盖该待测水域的航线航行，同时获取水下声呐图像，利用航线上各处获取的声呐图像生成3D断层图像。

2.根据权利要求1所述一种获取水下3D断层图像的方法，其特征在于，具体步骤包括：

S1划定水域：在GPS地图划定一块待测水域；

S2规划航线：规划一条覆盖该水域的并且不发生交叉的航线，

S3自动航行并获取声呐图像：无人船沿规划航线自动航行，并获取水下声呐图像，所述声呐图像中包含水下断层信息；

S4生成水下3D断层图像：将航线上各处获取的声呐图像合成为水下3D断层图像并显示。

3.根据权利要求2所述一种获取水下3D断层图像的方法，其特征在于，所述划定水域包括，在GPS地图上标记需要探测的水面区域，至少标记3个点，各个点所围成的区域为待测水域，所述待测水域可以是三角形，矩形，圆形或椭圆形等规则图形。

4.根据权利要求3所述一种获取水下3D断层图像的方法，其特征在于，所述规划航线包括，按照逐行推进的形式，自动生成一条由待测水域一端起始，沿待测水域两侧边界折返并向前推进至待测区域另一端终止的航线，所述规划航线也可以是用户手动在地图上划定的，其中两条相邻的折返航线间距不大于M米，所述M为声呐探测范围的宽度。

5.根据权利要求4所述一种获取水下3D断层图像的方法，其特征在于，所述自动航行包括，通过GPS获取无人船当前位置和航向，与规划航线对比，实时调整人船的驱动方向和速度与规划航线一致。

6.根据权利要求5所述一种获取水下3D断层图像的方法，其特征在于，所述实时调整无人船的驱动方向和速度还包括，获取三轴角速度数据和三轴加速度数据，并结合GPS数据得到偏航角度等航向误差信息，利用模糊PID算法得到驱动方向和速度，实时对无人船进行调整。

7.根据权利要求6所述一种获取水下3D断层图像的方法，其特征在于，所述获取水下声呐图像包括，间隔N米对水下环境进行一次探测，并将获取的声呐图像、当前坐标和航向发送给外部终端和/或存储，所述N为声呐探测范围的长度。

8.根据权利要求7所述一种获取水下3D断层图像的方法，其特征在于，所述生成水下3D断层图像包括根据图像合成算法将规划航线各处获取的声呐图像合称为水下3D断层图像并显示给用户，所述水下3D断层图像还包括根据图像特征生成的水下物体分析报告。

9.根据权利要求2所述一种获取水下3D断层图像的方法，其特征在于，所述自动航行并获取声呐图像还包括，当自动航行并获取声呐图像结束后，无人船根据预先设置的返航点自动返航。

10.根据权利要求1-9任一所一种述具有获取水下3D断层图像功能的无人船系统，其特征在于，包括无人船和外部终端，其中无人船包括中央控制器，声呐模块，驱动模块，通信模块，自动航行模块，GPS模块，存储模块，传感器模块；所述外部终端包括，终端处理器，终端GPS模块，航线规划模块，输入模块，终端通信模块，图像处理模块，显示模块；

其中，航线规划模块根据终端GPS模块上划定的待测水域生成规划航线，将规划航线信息经终端通信模块发送给无人船，无人船接收并存储规划航线信息，自动航行模控制无人船沿规划航线自动航行，同时利用声呐模块获取声呐图像，并将声呐图像发送给外部终端，外部终端的图像处理模块根据收到的声呐图像生成水下3D断层图像。