CN113781399A - 一种auv在输水隧洞内运动的声学引导方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种AUV在输水隧洞内运动的声学引导方法。本发明建立坐标系，在入口处建立大地坐标系ξEη，起始位置设为坐标原点，以前视声纳为坐标原点建立机器人随体坐标系xoy；对图像进行处理，将获取的图像传入图像处理计算机，进行预处理、分割、形态学处理和直线拟合，得到声纳图像中隧洞边界的直线方程；确定AUV处于输水隧洞的第几段，在已知输水隧洞各段在大地坐标系中方程的前景条件下，结合AUV当前的艏向和声纳图像处理得到的拟合直线的斜率，判断机器人处于输水隧洞第几段；判断输水隧洞前方路况是否需要转弯，当需要转弯，通过图像处理结果确定AUV具体的转向以及转弯处距离当前位置的距离。

Description

一种AUV在输水隧洞内运动的声学引导方法

技术领域

本发明涉及AUV的引导技术领域，是一种AUV在输水隧洞内运动的声学引导方法。

背景技术

随着我国基础建设的迅速发展，各个地区的水利工程得到了修建，包括跨区域引水工程和水库工程，其中输水隧洞是其中一项最为关键和重要的跨区域引水工程。输水隧洞是指隧洞式输水建筑物，常用于水工建筑中，用于输水以供发电、灌溉或工业和生活之用。隧洞通常深埋地下，由于隧洞的管路设计起伏较大，加上地理环境的复杂性，经过长时间输水工作后，隧洞墙体容易产生裂缝和局部脱落等现象，如果没有及时发现并进行维修，会对隧洞的混凝土造成破坏，从而可能发生隧洞管道塌陷的现象，对生产生活造成影响。混凝土裂缝是输水隧洞最常见的缺陷，也是输水隧洞安全运输的最大潜在隐患，因此需要定期对输水隧洞裂缝进行检测维修，能够有效降低隧洞破损事故的发生率。输水隧洞裂缝检测需要花费较长的时间，需要动用巨大的人力物力。因此通过AUV进行输水隧道裂缝检测的出现解决了上述问题，能有效进行隧洞裂缝检测。

由于隧洞环境很难通过卫星导航等手段进行定位，只能通过惯导、DVL等传感器进行航位推算的方法来估算AUV的位置，这种方法累计误差较大，很难实现准确获取当前AUV位于输水隧洞主干道的第几段，并且难以确定输水隧洞前方路况，从而对机器人转弯做出引导。输水隧洞内AUV运动的引导是机器人开展各项作业任务的前提和保障，而输水隧洞环境复杂，如何进行声学引导一直是亟需解决的难题。

发明内容

本发明为解决现有技术中的问题，本发明提供了一种AUV在输水隧洞内运动的声学引导方法，本发明提供了以下技术方案：

一种AUV在输水隧洞内运动的声学引导方法，包括以下步骤：

步骤1：建立坐标系，在入口处建立大地坐标系ξEη，起始位置设为坐标原点，以前视声纳为坐标原点建立机器人随体坐标系xoy；

步骤2：对图像进行处理，将获取的图像传入图像处理计算机，进行预处理、分割、形态学处理和直线拟合，得到声纳图像中隧洞边界的直线方程；

步骤3：确定AUV处于输水隧洞的第几段，在已知输水隧洞各段在大地坐标系中方程的前景条件下，结合AUV当前的艏向和声纳图像处理得到的拟合直线的斜率，判断机器人处于输水隧洞第几段；

步骤4：判断输水隧洞前方路况是否需要转弯，当需要转弯，通过图像处理结果确定AUV具体的转向以及转弯处距离当前位置的距离，如果不需要转弯返回步骤3。

优选地，所述步骤2具体为：

步骤2.1：对提取到的前视声纳图像采用快速中值滤波算法进行去噪；

步骤2.2：去噪后的图像通过大津阈值法来对图像进行分割，完成声纳图像的二值化；

步骤2.3：对二值图像进行形态学处理，采用先腐蚀后膨胀的开运算处理方法，去除图像中细小虚警并平滑边界；

步骤2.4：通过形态学过滤去除虚警，将图像中的每个连通区域看成椭圆，提取连通区域的长轴和短轴，将比值低于5的连通区域过滤；

步骤2.5：采用Canny边缘检测算法对连通区域进行边缘检测，再通过Hough变换进行直线检测；

步骤2.6：利用最小二乘法进行直线拟合，当图像中出现弯曲，则采用分段处理，拟合成成多段直线，得到声纳图像中隧洞边界的直线方程。

优选地，所述步骤3具体为：

步骤3.1：设定AUV的航向角为θ，θ为AUV艏向与大地坐标系η轴间的夹角,是AUV运动坐标系和大地坐标之间的夹角，大地坐标系需要顺时针转动θ转换成AUV运动坐标系，输水隧洞各个段落在大地坐标系下的斜率为K_n，n＝1，2，...，N，K_l、K_r表示步骤2中得到的当前时刻隧洞壁面在AUV运动坐标系下左右两条直线斜率，通过步骤2.6计算得到，令K_l＝K_r＝K_t；

步骤3.2：建立隧洞边界的直线方程，在AUV运动坐标系下和大地坐标系下表达式分别为：

y＝K_nx+b

η＝K_l1ξ+b₁＝K_rξ+b₂

通过下式表示大地坐标系和AUV运动坐标系之前坐标转换公式：

其中变换矩阵S是：

其中，(X_auv，Y_auv)表示AUV在大地坐标系下的坐标；

步骤3.3：通过坐标转换公式，对于前视声纳模型中扫描到的当前输水隧洞壁面而言，其中，大地坐标系下的直线斜率K_n、运动坐标系下的直线斜率K_t，AUV的航向角θ满足如下要求：

通过计算，并于已知的输水隧洞斜率进行比较，得到对应的K_n，进而确定当前机器人处于输水隧洞第几段。

优选地，所述步骤4具体为：

步骤4.1：当图像处理拟合得到的直线数量转变为3时，表示前方即将转弯；

步骤4.2：用K_l、K_r、K_T表示三条直线的斜率，K_T表示新增直线的斜率，表示前方转弯处之后新的隧洞段对应的隧洞边界直线；

步骤4.3：判断K_l、K_r、K_T之间的数量关系，当满足/K_l/＝/K_r/＞/K_T/，判定为AUV前方即将右转，否则判定为左转；

步骤4.4：通过图像处理获得直线方程，利用点到直线的距离公式计算AUV当前时刻距离壁面的垂直距离d₁，并根据图像处理得到的直线方程确定转弯点F(x₀，y₀)，应用两点距离公式得到AUV当前距离转弯点的斜向距离d₂，得到距离转弯点的直线距离d,三者满足下述要求：

通过图像处理计算机对前视声纳获取图像的实时处理，获取AUV当前段落并对前方路况进行探测，确定转弯方向以及当前位置距离转弯处的距离。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过搭载在AUV前方的多波束前视声纳对输水隧洞前方实况进行探测，判断AUV当前处于输水隧洞主干道的第几段，并且检测出前方转弯处距离当前位置的距离，确定AUV前方转向，从而完成对AUV在输水隧洞内运动的引导。目前输水隧洞内AUV的运动引导基本都是光学的方法，通过在输水隧洞壁面人工布放标志物，利用图像处理的方法识别标志物上的信息来确定AUV当前位置以及前方转向情况，但是由于导航推算的误差较大，可能会出现摄影机距离标志物较远或者超过距离最近的标志物的情况，会对图像识别造成较大的影响；本发明基于AUV前方的多波束前视声纳对输水隧洞前方实况进行探测，一方面省去了人工布放标志物的步骤，另一方面利用了声纳大范围探测的特性，可以实现远距离对当前路段以及前方路况的探测，减少了光学引导过程中存在的问题。

附图说明

图1为AUV在输水隧洞内运动的声学引导装置图；

图2为AUV在输水隧洞内运动的声学引导方法流程图；

图3为坐标系建立示意图；

图4为图像处理过程流程图；

图5为前视声纳输水隧洞扫描示意简图；

图6前视声纳输水隧洞转弯处扫描示意简图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1至图6所示，本发明提供一种输水隧洞检测AUV运动的声学引导装置，所述装置包括多波束前视声纳、图像处理计算机；所述前视声纳通过网口与图像处理计算机连接，用于传输前视声纳获取的图像；所述前视声纳通过固定支架安装在AUV前方，用于获取输水隧洞内的声纳图像；所述图像处理计算机为隧洞检测AUV的处理系统，用于对获取的图像进行处理。

一种AUV在输水隧洞内运动的声学引导方法，包括以下步骤：

步骤1：建立坐标系，在入口处建立大地坐标系ξEη，起始位置设为坐标原点，以前视声纳为坐标原点建立机器人随体坐标系xoy；

步骤2：对图像进行处理，将获取的图像传入图像处理计算机，进行预处理、分割、形态学处理和直线拟合，得到声纳图像中隧洞边界的直线方程；

所述步骤2具体为：

步骤2.1：对提取到的前视声纳图像采用快速中值滤波算法进行去噪；

步骤2.2：去噪后的图像通过大津阈值法来对图像进行分割，完成声纳图像的二值化；

步骤2.3：对二值图像进行形态学处理，采用先腐蚀后膨胀的开运算处理方法，去除图像中细小虚警并平滑边界；

步骤2.4：通过形态学过滤去除虚警，将图像中的每个连通区域看成椭圆，提取连通区域的长轴和短轴，将比值低于5的连通区域过滤；

步骤2.5：采用Canny边缘检测算法对连通区域进行边缘检测，再通过Hough变换进行直线检测；

步骤2.6：利用最小二乘法进行直线拟合，当图像中出现弯曲，则采用分段处理，拟合成成多段直线，得到声纳图像中隧洞边界的直线方程。

步骤3：确定AUV处于输水隧洞的第几段，在已知输水隧洞各段在大地坐标系中方程的前景条件下，结合AUV当前的艏向和声纳图像处理得到的拟合直线的斜率，判断机器人处于输水隧洞第几段；

所述步骤3具体为：

步骤3.1：设定AUV的航向角为θ，θ为AUV艏向与大地坐标系η轴间的夹角,是AUV运动坐标系和大地坐标之间的夹角，大地坐标系需要顺时针转动θ转换成AUV运动坐标系，输水隧洞各个段落在大地坐标系下的斜率为K_n，n＝1，2，...，N，K_l、K_r表示步骤2中得到的当前时刻隧洞壁面在AUV运动坐标系下左右两条直线斜率，通过步骤2.6计算得到，令K_l＝K_r＝K_t；

步骤3.2：建立隧洞边界的直线方程，在AUV运动坐标系下和大地坐标系下表达式分别为：

y＝K_nx+b

η＝K_lξ+b₁＝K_rξ+b₂

通过下式表示大地坐标系和AUV运动坐标系之前坐标转换公式：

其中变换矩阵S是：

其中，(X_auv，Y_auv)表示AUV在大地坐标系下的坐标；

步骤3.3：通过坐标转换公式，对于前视声纳模型中扫描到的当前输水隧洞壁面而言，其中，大地坐标系下的直线斜率K_n、运动坐标系下的直线斜率K_t，AUV的航向角θ满足如下要求：

通过计算，并于已知的输水隧洞斜率进行比较，得到对应的K_n，进而确定当前机器人处于输水隧洞第几段。

步骤4：判断输水隧洞前方路况是否需要转弯，当需要转弯，通过图像处理结果确定AUV具体的转向以及转弯处距离当前位置的距离，如果不需要转弯返回步骤3。

所述步骤4具体为：

步骤4.1：当图像处理拟合得到的直线数量转变为3时，表示前方即将转弯；

步骤4.2：用K_l、K_r、K_T表示三条直线的斜率，K_T表示新增直线的斜率，表示前方转弯处之后新的隧洞段对应的隧洞边界直线；

步骤4.3：判断K_l、K_r、K_T之间的数量关系，当满足|K_l|＝|K_r|＞|K_T|，判定为AUV前方即将右转，否则判定为左转；

步骤4.4：通过图像处理获得直线方程，利用点到直线的距离公式计算AUV当前时刻距离壁面的垂直距离d₁，并根据图像处理得到的直线方程确定转弯点F(x₀，y₀)，应用两点距离公式得到AUV当前距离转弯点的斜向距离d₂，得到距离转弯点的直线距离d,三者满足下述要求：

通过图像处理计算机对前视声纳获取图像的实时处理，获取AUV当前段落并对前方路况进行探测，确定转弯方向以及当前位置距离转弯处的距离。

以上所述仅是一种AUV在输水隧洞内运动的声学引导方法的优选实施方式，一种AUV在输水隧洞内运动的声学引导方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种AUV在输水隧洞内运动的声学引导方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：建立坐标系，在入口处建立大地坐标系ξEη，起始位置设为坐标原点，以前视声纳为坐标原点建立机器人随体坐标系xoy；

步骤2：对图像进行处理，将获取的图像传入图像处理计算机，进行预处理、分割、形态学处理和直线拟合，得到声纳图像中隧洞边界的直线方程；

步骤3：确定AUV处于输水隧洞的第几段，在已知输水隧洞各段在大地坐标系中方程的前景条件下，结合AUV当前的艏向和声纳图像处理得到的拟合直线的斜率，判断机器人处于输水隧洞第几段；

步骤4：判断输水隧洞前方路况是否需要转弯，当需要转弯，通过图像处理结果确定AUV具体的转向以及转弯处距离当前位置的距离，如果不需要转弯返回步骤3。

2.根据权利要求1所述的一种AUV在输水隧洞内运动的声学引导方法，其特征是：所述步骤2具体为：

步骤2.1：对提取到的前视声纳图像采用快速中值滤波算法进行去噪；

步骤2.2：去噪后的图像通过大津阈值法来对图像进行分割，完成声纳图像的二值化；

步骤2.3：对二值图像进行形态学处理，采用先腐蚀后膨胀的开运算处理方法，去除图像中细小虚警并平滑边界；

步骤2.4：通过形态学过滤去除虚警，将图像中的每个连通区域看成椭圆，提取连通区域的长轴和短轴，将比值低于5的连通区域过滤；

步骤2.5：采用Canny边缘检测算法对连通区域进行边缘检测，再通过Hough变换进行直线检测；

步骤2.6：利用最小二乘法进行直线拟合，当图像中出现弯曲，则采用分段处理，拟合成成多段直线，得到声纳图像中隧洞边界的直线方程。

3.根据权利要求1所述的一种AUV在输水隧洞内运动的声学引导方法，其特征是：所述步骤3具体为：

步骤3.1：设定AUV的航向角为θ，θ为AUV艏向与大地坐标系η轴间的夹角，是AUV运动坐标系和大地坐标之间的夹角，大地坐标系需要顺时针转动θ转换成AUV运动坐标系，输水隧洞各个段落在大地坐标系下的斜率为K_n，n＝1，2，...N，K_l、K_r表示步骤2中得到的当前时刻隧洞壁面在AUV运动坐标系下左右两条直线斜率，通过步骤2.6计算得到，令K_l＝K_r＝K_t；

步骤3.2：建立隧洞边界的直线方程，在AUV运动坐标系下和大地坐标系下表达式分别为：

y＝K_nx+b

η＝K_lξ+b₁＝K_rξ+b₂

通过下式表示大地坐标系和AUV运动坐标系之前坐标转换公式：

其中变换矩阵S是：

其中，(X_auv，Y_auv)表示AUV在大地坐标系下的坐标；

步骤3.3：通过坐标转换公式，对于前视声纳模型中扫描到的当前输水隧洞壁面而言，其中，大地坐标系下的直线斜率K_n、运动坐标系下的直线斜率K_t，AUV的航向角θ满足如下要求：

通过计算，并于已知的输水隧洞斜率进行比较，得到对应的K_n，进而确定当前机器人处于输水隧洞第几段。

4.根据权利要求1所述的一种AUV在输水隧洞内运动的声学引导方法，其特征是：所述步骤4具体为：

步骤4.1：当图像处理拟合得到的直线数量转变为3时，表示前方即将转弯；

步骤4.2：用K_l、K_r、K_T表示三条直线的斜率，K_T表示新增直线的斜率，表示前方转弯处之后新的隧洞段对应的隧洞边界直线；

步骤4.3：判断K_l、K_r、K_T之间的数量关系，当满足/K_l/＝/K_r/＞/K_r/，判定为AUV前方即将右转，否则判定为左转；

步骤4.4：通过图像处理获得直线方程，利用点到直线的距离公式计算AUV当前时刻距离壁面的垂直距离d₁，并根据图像处理得到的直线方程确定转弯点F(x₀，y₀)，应用两点距离公式得到AUV当前距离转弯点的斜向距离d₂，得到距离转弯点的直线距离d，三者满足下述要求：

通过图像处理计算机对前视声纳获取图像的实时处理，获取AUV当前段落并对前方路况进行探测，确定转弯方向以及当前位置距离转弯处的距离。

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