(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利说明书
(10)申请公布号 CN 105387842 A
(43)申请公布日 2016.03.09
(21)申请号 CN201510790254.2
(22)申请日 2015.11.17
(71)申请人 正则匹配快代理中国海洋大学
    地址 266110 山东省青岛市崂山区松岭路238号
(72)发明人 何波 邵欣慧 董兴帅 年睿 沈钺 沙启鑫 高强 冯晨
(74)专利代理机构 青岛发思特专利商标代理有限公司
    代理人 巩同海
(51)Int.CI
      G01C7/00
                                                                  权利要求说明书 说明书 幅图
(54)发明名称
      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
(57)摘要
      本发明涉及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，属于海底地形地貌的测绘技术领域，主要解决移动观测设备执行测绘任务时，其探测轨迹覆盖的探测区域不完整问题。本发明包括水下自航式测绘系统和岸基单元；二者之间由通讯模块连接；其工作过程包括如下步骤：发布测绘任务；对海底地貌进行声呐数据采集；对采集的声呐数据进行特征分析、提取，得到移动观测设备的位姿点；PD-SLAM单元对位姿点进行处理；扫描完成后，输出海底地形地貌图。本发明具有工作效率高、能够全面地测量目标区域、精确快速地描绘出水下地形地貌的精细特征的优点，真正意义上实现了目标区域海底地形的自航式全面测量。
法律状态
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
权 利 要 求 说 明 书
1.一种基于感知驱动的自航式海底地形地貌测绘系统,其特征在于:系统包括水下自航式测绘系统和岸基单元,二者之间由通讯模块连接;
其中,水下自航式测绘系统包括:
基础探测单元:进行传感器数据的采集;
PD-SLAM单元:实现定位与路径规划;
运动控制单元:实现对移动观测设备的运动控制;
数据采集存储单元:实现数据的存储,包括传感器数据和导航数据;
和能源模块:为移动观测设备提供能源,确保正常工作;
岸基单元包括:
测绘任务设定模块:在移动观测设备执行任务前,通过岸基单元设定其扫描的区域;
和海底地貌生成模块:将实时上传的数据进行处理,生成海底地貌图像。
2.根据权利要求1所述的基于感知驱动的自航式海底地形地貌测绘系统,其特征在于:所述PD-SLAM单元包括两部分:
PDM模块:计算当前时刻航行位姿的不确定度、区域覆盖性以及对海底航迹惩罚进行评估,来决定下一刻执行活动(回访或探索),从而引导自航式测绘系统更好的进行海底SLAM导航和目标区域覆盖;
SLAM模块:采用iSAM算法进行位姿估计,该算法基于快速递增的矩阵因式分解,通过更新稀疏平滑的信息矩阵的分解因子提供一种有效且精确的解决方案,能够随时计算出全局地图和机器人的整条轨迹,利用非线性最优化控制误差水平,从而提高计算速度,同时使用部分协方差支持数据关联。
3.一种利用如权利要求1所述的系统进行海底地形地貌测绘的方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤一:岸基单元通过通讯模块向测绘系统发布测绘任务;
步骤二:基础探测单元对海底地貌进行数据采集,采集的数据包括外部传感器数据和内部传感器数据;
步骤三:对采集的传感器数据进行特征分析、提取,得到移动观测设备的位姿点;
步骤四:将位姿点传输给PD-SLAM单元,进行处理;
步骤五:当目标区域扫描完成后,岸基单元输出海底地形地貌图。
4.根据权利要求3所述海底地形地貌测绘方法,其特征在于:所述步骤四中PD-SLAM单元包括PDM与SLAM两部分;
其中SLAM中采用基于递增平滑与地图构建iSAM算法,该算法基于快速递增的矩阵因                式分解,通过更新稀疏平滑的信息矩阵的分解因子提供一种有效且精确的解决方案,能够随时计算出全局地图和机器人的整条轨迹,利用非线性最优化控制误差水平,从而提高计算速度,同时使用部分协方差支持数据关联;
而感知驱动PDM的工作是计算当前时刻航行位姿的不确定度、区域覆盖性以及对海底航迹惩罚进行评估,来决定下一刻执行活动(回访或探索),从而引导自航式测绘系统更好的进行海底SLAM导航和目标区域覆盖。
5.根据权利要求4所述海底地形地貌测绘方法,其特征在于:SLAM实时构图iSAM算法处理过程包括以下步骤:
a.将SLAM问题视为信度网模型;
b.将其等价为基于最大后验概率的最小二乘问题,公式如下:
       
     
c.判断是否是周期整数倍,如果是周期的整数倍就利用吉文斯旋转和回代法进行更新;如果不是周期的整数倍,则进行基于贝叶斯树的变量重排和非线性最优化,重新计算整个解;
d.步数+1,并判断是否有新的输入,重复以上步骤直到绘制出整个地图。
6.根据权利要求4所述的海底地形地貌测绘方法,其特征在于:感知驱动PDM模块的工作过程包括以下步骤:
a.经过同时定位与构图SLAM模块后,得到的当前时刻t位姿和位姿的不确定度P:
       
         
<math>
  <mrow>
    <mi>P</mi>
    <mo>=</mo>
    <mo>|</mo>
    <msubsup>
      <mi>Σ</mi>
      <mi>a</mi>
      <mo>-</mo>
    </msubsup>
    <msup>
      <mo>|</mo>
      <mfrac>
        <mn>1</mn>
        <mn>6</mn>
      </mfrac>
    </msup>
    <mo>=</mo>
    <mo>|</mo>
    <msub>
      <mi>Σ</mi>
      <mi>exp</mi>
    </msub>
    <msup>
      <mo>|</mo>
      <mfrac>
        <mn>1</mn>

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