判断水下航行器相对于水下结构的位置和方向的制作方法
【专利摘要】本发明披露了可用于扫描水下结构的方法和系统。例如，所述方法和系统判断水下航行器相对于水下结构的位置和方向，例如通过引导声波声纳波朝向水下结构并处理由所述水下结构反射的声波声纳波以产生所述结构的三维图像。该三维图像的数据点与所述水下结构的在先存在的三维模型进行比较。根据比较结果，可以确定水下航行器相对于水下结构的位置和方向。
【专利说明】判断水下航行器相对于水下结构的位置和方向
[0001]本申请要求申请日为2010年10月25日、发明名称为“ESTIMATING POSITION ANDORIENTATION OF AN UNDERWATER VEHICLE RELATIVE TO UNDERWATER STRUCTURES” 的美国临时申请N0.61/406，424的优先权，并且该专利文献在此以其全文形式被结合入本文作为引用。
【技术领域】
[0002]本发明涉及由扫描水下结构来采集声纳数据，以便获得有关水下航行器相对于水下结构的位置和方向的信息。
【背景技术】
[0003]存在许多水下结构和其它设备，可能需要对所述水下结构和其它设备有更好的了解。这种更好的了解可能对例如获得水下航行器的位置和方向信息，例如用于导航目的是有用的。目前检查水下结构的方法包括利用潜水员、远程操纵潜水器(ROV)和自主式水下航行器(AUV)进行检查。
【发明内容】
[0004]本发明披露了一种可用于扫描水下结构的方法和系统，以便对水下结构有更好的了解，例如，以便避免水下航行器与水下结构的碰撞以及引导检查、维修和操纵水下结构。
[0005]本文所述的方法和系统可用于扫描任何类型的水下结构。例如，水下结构包括人造物体，例如海洋石油平台支撑结构和支柱和油井类设备，以及自然物体例如水下山脉，并且可包括全部或部分在水下的结构。水下结构还可以包括固定的和非固定的结构，例如在水下环境中可能经受漂移。一般地说，水下结构表示为任何具有深度变化的任意三维结构并且可具有不同的复杂性。
[0006]当在本文中使用时，术语水下包括任何类型的水下环境，其中可能探明有水下结构并且可能需要利用本文所述的系统扫描所述水下结构，包括但不限于咸水地点例如海和洋以及淡水地点。
[0007]在一个实施例中，披露了一种判断(估计)水下航行器相对于水下结构的位置和方向(姿态)的方法，包括引导声波声纳(波)朝向水下结构，和由将声波声纳(波)导向水下结构来接收响应。声波声纳被设置为基于三维图像的声纳，其中某频率的脉冲为接收器提供数据以便生成三维图像。也就是说，数据点是由通过将声波声纳(波)导向水下结构接收到的响应而获得的，其中数据点被设置成提供水下结构的三维图像。所获得的数据点与水下结构的在先存在的三维模型进行比较。根据比较结果，可以确定关于水下航行器相对于水下结构的位置和方向。
[0008]在一些情况，希望具有声纳传感器系统，所述声纳传感器系统可以在水下航行器上执行判断(估计)位置和方向的方法。水下航行器是例如自主式水下航行器(AUV)和远程操纵水下航行器(潜水器)(ROV)中的一种。当在本文中使用时，ROV是远程操纵潜水器(水下航行器)，由线缆栓系至主机例如水面船只。ROV是无人的并由主机(船)上的操纵员操作。系缆可在主机和ROV之间来回传送例如电力(取代或补充自含式系统上的电池电源)、视频和数据信号。当在本文中使用时，AUV是自主式水下航行器，是无人驾驶的并且不被栓系至主航行器(vessel)。
[0009]关于声纳系统，在一个实施例中，所述用于判断(估计)水下航行器相对于水下结构的位置和方向的系统包括在水下航行器上的传感器。传感器被设置成引导声波声纳(波)朝向水下结构。所反射的声波声纳(波)被处理成三维图像。数据存储器设置在水下航行器上，其被设置成接收来自传感器的响应。数据处理器也存在于水下航行器上。数据处理器被设置成从数据存储器获得传感器数据点，其中数据点被设置成提供水下结构的三维图像。处理器被设置成将数据点与水下结构的在先存在的三维模型进行比较。根据比较结果，处理器被设置成确定水下航行器相对于水下结构的位置和方向。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1示出了用于判断(估计)水下航行器相对于水下结构的位置和方向的方法的一个实施例的流程图。
[0011]图2示出了将来自声纳响应的信息与水下结构的在先存在的模型进行比较的一个实施例的流程图，其可被应用于图1所示的方法。
[0012]图3示出了从声纳响应获得的信息的过滤过程的流程图，其可被应用于图1所示的方法。
[0013]图4示出了用于判断(估计)水下航行器相对于水下结构的位置和方向的系统的示图。
【具体实施方式】
[0014]图1示出了用于判断(估计)水下航行器相对于水下结构的位置和方向的方法10的一个实施例的流程图。一般，所述方法通过利用水下航行器的惯性导航能力连同基于特征的传感器例如声纳成像传感器、和将由所述传感器取回的数据与水下结构的在先存在的三维模型进行比较的处理器来进行。在许多情况，这可以经常以约一秒和有时候更短的时间实时进行。例如，发送3D声纳脉冲、从其接收数据、过滤数据、和将其与在先模型对准(比对)可在约I秒或更短的时间完成。
[0015]方法10包括引导声波声纳(波)朝向水下结构。在引导声波声纳(波)后，在步骤12由将声波声纳(波)导向水下结构接收到响应。例如，在步骤12，声纳波从所述结构被反射并被接收。应当理解，所接收到的声波声纳波由声纳处理成三维图像，即声纳是三维(3D)成像声纳。3D成像声纳可以是任何3D声纳，由单个传送的声纳脉冲或声纳脉冲信号的反射的声纳信号形成3D图像。合适的3D声纳的一个示例是从Coda Octopus Products可购得的Coda Octopus Echoscope。应当理解,3D声纳可被设置成指向水下结构，以便它可在水下结构发送声纳脉冲并可被定向成相对于纵向(垂直方向)成不同的希望的角度并距离水下结构有(不同的希望的)距离。
[0016]应当理解，惯性导航系统是已知的，并且用于确定水下航行器的位置、方向和速率(例如，运动的方向和速度)。惯性导航系统可包括多普勒速度计程仪(DVL)，所述多普勒速度计程仪(DVL)面向下用于确定速率，但应当理解，惯性导航系统可以是可确定位置、方向和速率(例如，运动的方向和速度)的任何系统。合适的惯性导航系统的一个示例是可从Kearfott Corporation 购得的 SEADe Vil?
[0017]一旦三维成像声纳接收到响应，在步骤14获得数据点，其被设置成提供水下结构的三维图像。随后在步骤16，数据点与水下结构的在先存在的三维模型进行比较。关于比较步骤16，在一个实施例中，通过将数据与在先存在的三维模型进行匹配的迭代过程使来自3D声纳的响应与水下结构的在先存在的三维图像对准。在一些实施例中，该迭代过程是基于来自单个3D声纳脉冲(信号)的数据，但应当理解可使用多个3D声纳脉冲(信号)。根据比较结果，在步骤18确定水下航行器相对于水下结构的位置和方向并可以进行更新。
[0018]关于在先存在的三维模型，假定有在先存在的三维模型可用于与由3D声纳取回的数据进行比较。应当理解，在先存在的三维模型的来源可以不同。在一个示例中，在先存在的三维模型存在于开始判断(估计)水下航行器的位置和方向的时候，例如从计算机辅助的设计软件可得的电子文档。例如，当水下结构的第一参考模型用于执行模型结构的后来比较时，情况可能是这样。在其它示例中，在生成水下结构的三维图像或更新位置和方向后有在先存在的三维模型可用，这由步骤12、14、16和18的第一次迭代进行。通过匹配第一次迭代的模型或其它先前的迭代进一步更新位置、方向和模型结构的随后的迭代可用作在先存在的三维模型用于随后接收到的声纳数据。
[0019]也就是说，在一些情况，在最初开始时，第一参考可能来自于已经存在可用的电子文档，并且一旦3D声纳取回了数据，针对位置和方向的随后的更新可用于进一步比较。
[0020]再次参见比较步骤16，图2示出了将来自声纳响应的信息与水下结构的在先存在的模型进行比较的一个实施例的流程图。在所示的实施例中，比较数据点的步骤包括将数据点的样本与水下结构的在先存在的三维模型进行比对(对准)。如图所示，比对(对准)的步骤包括根据数据点的多个样本重复进行匹配过程的迭代方法，这将在下文进一步描述，并且其中匹配过程包括 调整所抽样的数据点以便与水下结构的在先存在的三维模型匹配。
[0021]参见图2的细节，来自3D声纳的响应提供用于进行比对(对准)过程的点云110。点云包括表示水下结构的3D图像的数据点。由于已知在3D声纳点云中出现通常较高水平的噪声和可能的无用(非有用)信息，在一些情况在进行比对(对准)之前在142过滤所述数据点。
[0022]图3示出了过滤过程142的一个实施例的流程图，它可被包括作为图1所示获得数据点14的步骤的一部分。过滤过程142包括过滤由引导声波声纳波朝向水下结构所接收到的响应，以便获得在比对(对准)过程中可用的数据点。来自声纳点云110的数据通过一系列的数据处理和过滤步骤被输入，得到过滤后的点云160。在所示的实施例中，点云110被输入至强度阈值过滤器162。一般，过滤过程142对点云110进行形态运算。例如，进行每个距离单元164的形态学腐蚀，并随后组合相邻的距离单元166。框164和166表示由过滤过程142所用的某些形态运算的非限制性的示例。随后，在获得已过滤的点云160之前进行非最大抑制(非极大值抑制)168。在框168中，过滤过程142可能进行波束宽度减小/补偿处理。
[0023]再次参见图2，已过滤的点云160进行至处理环路(循环)144。在一个实施例中，处理环路(循环)144是RANSAC环路，即随机抽样一致性，是从包含“离群值(外点)”的一组观察到的数据估计数学模型的参数的迭代方法。例如，就生成具有一定几率的合理结果而言环路(循环)144表示非确定性算法，并且其中几率可随更多迭代的进行而增加。在这种情况，数学模型的参数是3D声纳传感器相对于水下结构的在先存在的模型的位置和定向(姿态)，并且所观察到的数据是来自声纳的3D点。基本假定是所观察到的数据由“内点”组成，即，可由具有某些姿态参数的数学模型解释的数据，而“离群值(外点)”是不能因此而解释的数据。由于在先存在的三维模型在本文所述的方法中是存在可用的，所述迭代过程(给定一小组内点)可用于通过计算数据(即3D声纳数据点)与它们相应的最接近模型点最佳匹配的姿态来估计姿态的参数。
[0024]如图2所示，环路(循环)144是RANSAC环路(循环)，包括处理功能转换152、随机抽样154和匹配156。在转换152部分，点云转化到由初始姿态130规定的坐标系，使它们与在先存在的三维模型近似对准。
[0025]如图2中还示出的，初始姿态130被输入转换152部分。在一些情况，初始姿态130表示水下航行器的惯性导航系统的位置和方向。在随后的迭代中，初始姿态可以是来自于已进行的第一或任何在先的对准的更新知识的结果，同时经过图2所示的过程。应当理解，在先的对准可根据其它测量结果例如惯性速度或加速度和来自水下航行器的惯性导航系统的其它输入进行适当调整。
[0026]关于可用的在先存在的3D模型，所述在先存在的3D模型被输入至146、156和150的框(图)，并将在下文进一步描述。
[0027]在环路(循环)144的随机抽样154部分，获得来自点云的点的样本，以便进一步处理并与在先存在的三维模型进行比较。环路(循环)144的匹配156部分是调整来自随机抽样154所抽样的点以便与在先存在的三维模型对齐的地方。也就是说，3D声纳数据的采集位置(姿态)例如数据点严格地被调整以便使点与在先存在的三维模型对准。在匹配156部分，数据点可经过一个或更多个最接近点计算以便确定模型上的最接近点。数据点和针对每个数据点的模型上的最接近点用于计算对初始姿态130的矫正，使数据点和针对每个数据点的模型上的最接近点最佳对准。
[0028]如上所述，对准过程是迭代方法，以确定对初始姿态130的矫正，使尽可能多的3D声纳数据的点与在先存在的三维模型对准。在一些实施例中，这由来自3D声纳的单个声纳脉冲或检测实现，例如来自单个声波声纳脉冲的数据点，数据点样本从其获取。还应当理解，如果需要可采用3D声纳的多个声纳脉冲。
[0029]因此，应当理解，功能转换152、随机抽样154、和匹配156被设置成环路(循环)144，所述环路(循环)如果需要可以是重复的144a，以便对在这些迭代中找到的3D声纳数据与在先存在的三维模型的最佳对准是真正的最佳可能的对准增强信心。在许多实施例中对准步骤包括根据数据点的多个样本或来自多个声波声纳脉冲的数据点重复进行匹配过程，其中所述匹配过程包括调整所抽样的数据点以便与水下结构的在先存在的三维模型对准(比对)。应当理解，在适当的情况，通过环路(循环)144a的数据点的多个样本或来自多个声波声纳脉冲的数据点可通常具有重叠的数据点，其中所述重叠可进一步帮助提高找到数据点与模型的最佳可能对准的可能性(概率)。
[0030]也就是说，利用数据点的子样本进行匹配。匹配使用这些点来估计(判断)传感器相对于模型的姿态。该估计的转换适用于所说有数据点。转换后的点随后与在先存在的模型进行比较以确定数据匹配的有多好。
[0031 ] 还应当理解，合适的迭代的数量和用于进行对准和匹配的重叠量可取决于若干因素的平衡。一些因素可包括但不限于例如所采用的处理功率量、用于采集数据所花费的时间、所采集的数据和可用的在先存在的模型的可靠性、水下航行器如何运动、和水下结构的复杂性。当采用多于一个的3D声纳脉冲(信号)时，其它因素例如3D声纳的声纳脉冲率、随时间初始姿态130误差的可能增长、和模型的准确性可在确定需要多少对准过程(处理)的迭代时被考虑。
[0032]在匹配了数据点的多个随机样本后，可获得多个解决方案。图2示出了由误差要求解决方案146和找出最佳解决方案148部分。由环路(循环)144a提供的解决方案被要求(例如在146)，以便可获得最佳解决方案(例如在148)。一旦获得最佳解决方案，对该解决方案的每个内点的在先存在的3D模型上的最接近点被确定，并且在用内点匹配(Fit w/Inliers) 150计算对使这些内点与最接近点最佳对准的初始姿态的矫正。更新后的姿态例如被发送回水下航行器的惯性导航系统。
[0033]应当理解，本文中估计(判断)位置和方向的方法可提供于在水下航行器上的系统。在一些实施例中，水下航行器是自主式水下航行器和远程操纵潜水器(水下航行器)中的一种。不过，系统可位于其它航行器上。
[0034]在一个实施例中，系统包括3D声纳传感器和惯性导航系统，连同合适的处理能力以便进行位置和方向的判断(估计)。该特征的组合允许系统用于例如相对于水下结构来导航水下航行器。
[0035]图4示出了用于判断(估计)水下航行器相对于水下结构的位置和方向的系统200的示图。在适当的情况，系统200在水下航行器上并且是水下航行器的一部分。
[0036]在所示的实施例中，3D成像声纳传感器210可以将来自3D声纳脉冲的响应传送到数据存储器220。传感器210被设置成将声波声纳波导向水下结构，并将从水下结构反射的声波声纳波处理成所述结构的三维图像。数据存储器220被设置成接收来自传感器的响应。
[0037]数据处理器230被设置成从数据存储器220获得数据点。数据处理器230可以是例如任意合适的处理单元。数据点被设置成提供水下结构的三维图像。处理器230被设置成将所获得的数据点与水下结构的在先存在的三维模型进行比较。根据比较结果，处理器230被设置成确定水下航行器相对于水下结构的位置和方向。所述位置和方向可用于更新水下航行器导航系统240，所述水下航行器导航系统例如是惯性导航系统。应当理解，系统200的部件可由水下航行器供电。
[0038]上文所述的方法和系统可用于根据来自3D声纳扫描的水下结构的特征相对于水下结构导航水下航行器。在一个实施例中，来自3D声纳扫描的数据被采集，来自惯性导航的数据被采集，所述数据被记录并处理以便将所扫描的水下结构的3D图像与水下结构的在先存在的三维模型进行比较。数据的采集、记录和处理可利用在水下航行器上的数据处理电子器件进行。
[0039]上文所述的方法和系统可用于例如水下航行器远离海底的情况(例如超过1000米)，以至于其它导航工具例如DVL不可用。应当理解，不需要其它基于特征的传感器，并且相对于非固定的水下结构的导航利用本文所述的方法和系统也是可行的。3D声纳的使用能扫描复杂的3D结构以便提供姿态的完全六自由度。
[0040]本申请中所披露的示例在所有方面应被视为是说明性的而非限制性的。本发明的保护范围由所附权利要求书表示而非由前述的说明书限定；并且在权利要求的等同的含义和范围内的所有变化旨在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种判断水下航行器相对于水下结构的位置和方向的方法，包括: 引导声波声纳波朝向水下结构； 接收从所述水下结构反射的声波声纳波； 从由所述水下结构反射的声波声纳波获得3D数据点，所述3D数据点被设置成提供所述水下结构的三维图像； 将所获得的数据点与所述水下结构的在先存在的三维模型进行比较；和 根据比较结果，确定水下航行器相对于所述水下结构的位置和方向。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述水下结构是非固定的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述水下航行器是自主式水下航行器和远程操纵水下航行器中的一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中获得所述3D数据点的步骤包括过滤从所述声波声纳波接收到的3D数据点。
5.根据权利要求1所述的方法，其中比较所述3D数据点的步骤包括将来自单个声波声纳脉冲的数据点的样本与所述水下结构的在先存在的三维模型对准。
6.根据权利要求5所述的方法，其中对准步骤包括对来自多个声波声纳脉冲的数据点重复进行匹配处理，所述匹配处理包括调整所抽样的数据点以便与所述水下结构的在先存在的三维模型匹配。
7.根据权利要求6所述的方法，其中来自多个声波声纳脉冲的数据点具有重叠的数据点。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述在先存在的三维模型在开始估计所述水下航行器的位置和方向的时候出现。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述在先存在的三维模型在完成引导、接收、获得、比较和确定的迭代后出现。
10.一种估计水下航行器相对于水下结构的位置和方向的系统，包括: 传感器，所述传感器在水下航行器上，所述传感器被设置成引导声波声纳波朝向水下结构，所反射的声波声纳波被处理以产生三维图像； 数据存储器，所述数据存储器在所述水下航行器上，被设置成接收来自所述传感器的响应；和 数据处理器，所述数据处理器在所述水下航行器上； 所述数据处理器被设置成从所述数据存储器获得3D数据点，所述数据点被设置成提供所述水下结构的三维图像； 所述处理器被设置成将所获得的数据点与所述水下结构的在先存在的三维模型进行比较；和 根据比较结果，所述处理器被设置成确定水下航行器相对于所述水下结构的位置和方向。
【文档编号】G01S15/00GK103620442SQ201180049675
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2011年10月25日 优先权日:2010年10月25日
【发明者】C·H·德布伦纳, A·K·费廷格尔, C·L·贝克 申请人:洛克希德马丁公司