基于移动前视声呐的水下三维检测系统的制作方法

本发明涉水下机器人的水下三维检测领域，特别是涉及一种用于基于前视声呐二维声呐图像的水下机器人的三维信息检测系统。

背景技术：

水下机器人在水下的地形地貌成像，水下目标识别以及水下测绘等方面取得巨大的实际应用成果，水下机器人开始被应用于水下目标三维检测工作。在水下目标三维检测作业过程中，需要根据扫描的二维声呐图像获得被检测物体的三维信息，尤其是高度信息，以保证获取被检测物体的三维信息精确性。

目前基于声阴影信息获取被检测物体的三维信息一般基于已知声呐和河床距离，回波距离及声阴影长度确定，要求水下机器人实时获取声呐与河床距离，但是水下机器人在作业过程中不一定准确获取与河床距离，并且随着河床地形波动，基于声阴影提取被检测物体高度信息存在一定的定位误差，这样就无法获得水下被检测物体的精确三维信息。

中国发明专利zl201410031823.0公开了“一种水下探测装置的控制系统”，该水下机器人可以获得水下状况实现探测，采用水下摄像头近距离观测获得水下构筑物的表面信息，不适于浑浊或零可见度水域作业。

中国发明专利zl201810541022.7公开了“一种水下探测器控制系统”，通过照明模块获得水下数据，不适于水下三维信息的提取。

中国发明专利zl201811246973.6公开了“一种两栖智能水下摄像云台系统”，通过多种环境信号，利用图像处理系统对视频影像处理，不适于浑浊或零可见度水域作业。

中国发明专利zl20181046617.4公开了“一种侧扫声呐数据融合于精密处理的海底线检测方法”，通过log函数滤波图像作为canny检测算法的输入图像，不适于声呐二维图像的处理。

中国发明专利zl201811246973.6公开了“一种深海救援系统”，通过三维声学成像系统采集声学图像，不适于二维声学图像的三维信息提取。

技术实现要素：

本发明的目的在于要解决现有技术存在的问题，提供一种基于移动前视声呐的水下三维检测系统，实现对水下物体三维信息的检测。

为解决上述技术问题，本发明的构思是：由于声呐图像中被检测物体对于前视声呐发射声波的阻碍，在声呐二维图像中被检测物体后产生声阴影信息，本系统采用安装于水下机器人内部的三维云台与水平面成既定检测角度的前视声呐获取水下二维声呐图像，通过上位机中获取前视声呐到被检测物体的回波距离和被检测物体的切面长度，通过声阴影信息进行三角计算，水下被检测物体的三维高度信息的精确计算。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于移动前视声呐的水下三维检测系统，它包括：一个水下机器人、一个捷联惯导系统、一个三维云台、一个姿态传感器、一个前视声呐、一个上位机，其所述捷联惯导系统搭载于所述水下机器人上，内含有速度陀螺，加速度计和微型计算机，用于测量所述水下机器人的角运动和线运动信息；所述三维云台安装于所述水下机器人下，用于装载所述前视声呐，通过所述捷联惯导系统和所述姿态传感器综合信息，控制所述三维云台位姿，以实现对所述前视声呐探测角度的自动调节，用于所述水下机器人在水下涌流中调节姿态以保持所述前视声呐既定探测角度；所述姿态传感器安装于所述三维云台的内部，内含有陀螺仪和加速度计等运动传感器，用于获取所述水下机器人的姿态信息；所述前视声呐安装于所述三维云台上，可以进行既定的扫描角度和扫描范围，通过发射声脉冲并接受不同位置回波信号完成水下信息采集，通过二维声呐图像声阴影算法计算被检测物体高度信息，所述上位机可用于显示所述前视声呐扫描的二维声呐图像数据，提供声呐回波距离以及声呐图像测距功能，用于对所述水下机器人搭载的所述前视声呐采集图像信息提取，进而获得声阴影和回波距离信息，实现对水下被检测物体的三维信息的提取，为所述水下机器人实现水下三维检测提供可靠依据。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：本发明采用安装于水下机器人内部的三维云台与水平面成既定检测角度的前视声呐获取水下二维声呐图像，通过上位机中获取前视声呐到被检测物体的回波距离和被检测物体的切面长度，通过声阴影信息进行三角计算，实现水下被检测物体的三维高度信息的精确计算。

本发明的水下三维检测系统可广泛适用于水下机器人的水下目标三维信息检测。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构框图。

图2是本发明的水下机器人水下三维检测系统的高度信息三角计算图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1，在本移动前视声呐的水下三维检测系统中,包括：一个水下机器人（1）、一个捷联惯导系统（2）、一个三维云台（3）、一个姿态传感器（4）、一个前视声呐（5）、一个上位机（6），其特征在于：

所述水下机器人（1）具有多轴螺旋桨驱动，可实现自身姿态和运动控制，通过以太网与所述上位机（6）相连；

所述捷联惯导系统（2）搭载于所述水下机器人（1）上，内含有速度陀螺，加速度计和微型计算机，用于测量所述水下机器人（1）的角运动和线运动信息；

所述三维云台（3）安装于所述水下机器人下，用于装载所述前视声呐（5），通过所述捷联惯导系统（2）和所述姿态传感器（4）综合信息，控制所述三维云台（3）位姿，以实现对所述前视声呐（5）探测角度的自动调节，用于所述水下机器人（1）在水下涌流中调节姿态以保持所述前视声呐（5）既定探测角度；

所述姿态传感器（4）安装于所述三维云台（3）的内部，内含有陀螺仪和加速度计等运动传感器，用于获取所述水下机器人（1）的姿态信息；

所述前视声呐（5）安装于所述三维云台（4）上，可进行既定的扫描角度和扫描范围，通过发射声脉冲并接受不同位置回波信号完成水下信息采集；

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

本基于移动前视声呐的水下三维检测系统，所述上位机（6）用于远程控制所述水下机器人（1）和接收声呐数据，显示所述前视声呐（5）扫描的二维声呐图像数据，提供声呐回波距离以及声呐图像测距功能，用于对所述水下机器人（1）搭载的所述前视声呐（5）采集图像信息提取，进而获得声阴影和回波距离信息，通过二维声呐图像声阴影算法计算被检测物体高度信息，实现对水下被检测物体的三维信息的提取，为所述水下机器人（1）实现水下三维检测提供可靠依据。

实施例三：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

参见图2,所述二维声呐图像声阴影算法，具体过程如下：

（a）固定前视声呐和三维云台的垂直监测夹角；移动水下机器人朝着被检测物体；通过前视声呐向被检测物体发射声波信息。

（b）通过前视声呐获得回波信号，在上位机中显示测得的声呐二维图像，并测得声呐到被检测物体的回波距离，被检测物体的切面长度，声阴影的长度。

（c）图2中o点表示被检测物体的左下角，o1点表示被检测物体的右上角，m点表示第一次采集时声波到物体左侧的点，n点表示第二次采集时声波到物体左侧的点，x1点表示第一次采集时图像中声阴影的最远点，x2点表示第二次采集时图像中声阴影的最远点，r0,r1线段表示第一次采集时被检测物体到声呐的回波距离，r2,r3线段表示第二次采集时被检测物体到声呐的回波距离，r1线段表示第一次采集时声阴影长度，r2线段表示第二次采集时声阴影长度，d1表示第一次采集时被检测物体在图像中的切面长度，d2表示第二次采集时被检测物体在图像中的切面长度，h表示被检测物体的高度。

（d）根据余弦定理：，其中α表示三角形角度，a表示角度α对边，b，c表示角度α邻边，结合图2中，已知回波距离r0、r1和图像中被检测物体切面d1的距离,可以获得回波距离r0和r1之间的夹角θ1，同理已知回波距离r2、r3和图像中被检测物体切面d2的距离,可以获得回波距离r2和r3之间的夹角θ2。

（e）根据余弦定理，已知回波距离r0、r1和两者夹角θ1,可以获得线段mx1的长度，同理已知回波距离r2、r3和两者夹角θ2,可以获得线段nx2的长度。

（f）根据余弦定理，已知线段mx1的长度，被检测物体切面长度d1和声阴影信息r1，可以获得线段mx1和r1之间的夹角θ3，同理已知线段nx2的长度，被检测物体切面长度d2和声阴影信息r2，可以获得线段nx2和r2之间的夹角θ4。

（g）根据已知线段mx1和θ3计算出第一次采集被检测物体的高度信息，同理已知线段nx2和θ4计算出第二次采集被检测物体的高度信息，并根据两次采集高度信息求均值计算出被检测物体的高度信息。

（h）返回（d）运行。

以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。