基于感知驅(qū)動的自航式海底地形地貌測繪系統(tǒng)及測繪方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于感知驅(qū)動的自航式海底地形地貌測繪系統(tǒng)及測繪方法，屬于海底 地形地貌的測繪技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 海底地形地貌測繪學(xué)是與國家的海洋開發(fā)生產(chǎn)實踐息息相關(guān)，也標(biāo)志著國家海洋 探測技術(shù)的發(fā)展水平。傳統(tǒng)的海底地形地貌測繪方法主要有：回聲探測法、多波束測繪法、 機(jī)載激光雷達(dá)測繪法等。
[0003] (1)回聲探測法屬于點測法即每次只能給出一個點的深度信息，工作效率非常低。
[0004] (2)多波束測繪法成像分辨率不高，其工作原理和設(shè)備組成復(fù)雜而且需要外部姿 態(tài)傳感器修正，從而限制的多波束測繪系統(tǒng)的應(yīng)用。
[0005] (3)機(jī)載激光測繪系統(tǒng)只能測量50米以內(nèi)深度的區(qū)域而且測量精度低。當(dāng)執(zhí)行測 繪任務(wù)時，理想探測軌跡與實際探測軌跡往往存在差異，導(dǎo)致探測覆蓋區(qū)域不完整。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有測繪系統(tǒng)存在的上述缺陷，提出一種基于感知驅(qū)動的 自航式海底地形地貌測繪系統(tǒng)及其測繪方法，進(jìn)行高效、精準(zhǔn)、目標(biāo)區(qū)域全覆蓋地繪圖。
[0007] 本發(fā)明所述系統(tǒng)包括水下自航式測繪系統(tǒng)和岸基單元，二者之間由通訊模塊連 接。其中，水下自航式測繪系統(tǒng)包括：
[0008] 基礎(chǔ)探測單元：進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的采集；
[0009]H)-SLAM單元：實現(xiàn)定位與路徑規(guī)劃；
[0010] 運動控制單元：實現(xiàn)對移動觀測設(shè)備的運動控制；
[0011] 數(shù)據(jù)采集存儲單元：實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，包括傳感器數(shù)據(jù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)；
[0012] 和能源模塊：為移動觀測設(shè)備提供能源，確保正常工作。
[0013] 岸基單元包括：
[0014]測繪任務(wù)設(shè)定模塊：在移動觀測設(shè)備執(zhí)行任務(wù)前，通過岸基單元設(shè)定其掃描的區(qū) 域；
[0015] 和海底地貌生成模塊：將實時上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成海底地貌圖像。
[0016] 其中，PD-SLAM單元包括如下兩部分：
[0017]PDM(PerceptionDrivenModule，感知驅(qū)動模塊）：計算當(dāng)前時刻航行位姿的不確 定度、區(qū)域覆蓋性以及對海底航跡懲罰進(jìn)行評估，來決定下一刻執(zhí)行活動（回訪或探索）， 從而引導(dǎo)自航式測繪系統(tǒng)更好的進(jìn)行海底SLAM導(dǎo)航和目標(biāo)區(qū)域覆蓋；
[0018]SLAM(SimultaneousLocalizationandMapping，實時定位與地圖構(gòu)建模塊）：米 用iSAM算法進(jìn)行位姿估計，該算法基于快速遞增的矩陣因式分解，通過更新稀疏平滑的信 息矩陣的分解因子提供一種有效且精確的解決方案，能夠隨時計算出全局地圖和機(jī)器人的 整條軌跡，利用非線性最優(yōu)化控制誤差水平，從而提高計算速度，同時使用部分協(xié)方差支持 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。
[0019] 本發(fā)明具體采用以下方法實現(xiàn)：首先岸基單元通過通訊模塊負(fù)責(zé)向測繪系統(tǒng)發(fā)布 測繪任務(wù)。其次測繪系統(tǒng)通過基礎(chǔ)探測單元進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的采集與存儲，并傳輸?shù)角岸?進(jìn)行特征分析、提取與匹配模板。然后將位姿特征傳給H)-SLAM單元，進(jìn)行定位、地圖構(gòu)建 與規(guī)劃候選回訪路徑，直到完成目標(biāo)區(qū)域的繪測。
[0020] 本發(fā)明與現(xiàn)有測繪方法的不同之處在于，在航行的過程中時刻做出當(dāng)前時刻航行 位姿的不確定度、區(qū)域覆蓋性以及對海底航跡懲罰進(jìn)行評估，來決定下一刻執(zhí)行活動（回 訪或探索），從而引導(dǎo)自航式測繪系統(tǒng)進(jìn)行更好的海底環(huán)境SLAM導(dǎo)航和區(qū)域覆蓋，通過執(zhí) 行主動回訪來提高自身導(dǎo)航定位性能。其有益效果包括：
[0021] (1)本發(fā)明預(yù)期繪測精度高，具有長距離航程的累積誤差可控性，克服指數(shù)增長的 誤差累積現(xiàn)象出現(xiàn)；
[0022] (2)本發(fā)明所述系統(tǒng)的工作深度可以達(dá)到水下100米左右，保證了定位高度的一 致性，其正則估計誤差方差NEES(NormalizedEstimationErrorSquared)也十分理想；
[0023] (3)本發(fā)明可以實現(xiàn)同時定位與地圖構(gòu)建、路徑規(guī)劃的同時，可以決策是否對走過 的區(qū)域進(jìn)行回訪，兼顧地形地貌探測的質(zhì)量和效率，具有工作效率高、繪圖性能強(qiáng)，能夠全 面地測量目標(biāo)區(qū)域精確快速地描繪出水下地形地貌的精細(xì)特征的優(yōu)點，真正意義上實現(xiàn)了 目標(biāo)區(qū)域海底地形的自航式全面測量。
【附圖說明】
[0024]圖1是基于感知驅(qū)動的自航式測繪系統(tǒng)組成圖。
[0025] 圖2是本發(fā)明的工作流程示意圖。
[0026] 圖3是SLAM實時構(gòu)圖iSAM算法流程示意圖。
[0027] 圖4是SLAM問題的信度網(wǎng)模型。
[0028] 圖5是基于吉文斯旋轉(zhuǎn)的求解變量示意圖。
[0029] 圖6是某因子R進(jìn)行變量重排前后對比圖。
[0030] 圖7是感知驅(qū)動PDM模塊工作流程示意圖。
[0031] 圖8是探索/回訪行為選擇原理示意圖。
【具體實施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0033] 如圖1所示，本發(fā)明所述系統(tǒng)包括水下自航式測繪系統(tǒng)和岸基單元，二者之間由 通訊模塊連接，其中水下自航式測繪系統(tǒng)包括基礎(chǔ)探測單元、PD-SLAM單元、運動控制單元、 數(shù)據(jù)采集存儲單元和能源模塊。岸基單元包括測繪任務(wù)設(shè)定模塊和海底地形地貌生成模 塊。
[0034] 其中，PD-SLAM單元包括兩部分：PDM模塊與SLAM模塊。
[0035] 如圖2所示，本發(fā)明所述系統(tǒng)具體采用以下方法實現(xiàn)：
[0036] 步驟一：岸基單元通過通訊模塊向測繪系統(tǒng)發(fā)布測繪任務(wù)；
[0037] 步驟二：基礎(chǔ)探測單元對海底地貌進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（包括外部傳感器和內(nèi)部傳感 器）；
[0038] 步驟三：對采集的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析、提取，得到移動觀測設(shè)備的位姿點；
[0039] 步驟四：將位姿點傳輸給H)-SLAM單元，進(jìn)行處理；
[0040] 步驟五：當(dāng)目標(biāo)區(qū)域掃描完成后，岸基單元輸出海底地形地貌圖。
[0041] 其中，步驟四中TO-SLAM單元包括PDM與SLAM兩部分。
[0042] 其中SLAM模塊中采用基于遞增平滑與地圖構(gòu)建iSAM的算法，該算法基于快速遞 增的矩陣因式分解，通過更新稀疏平滑的信息矩陣的分解因子提供一種有效且精確的解決 方案，能夠隨時計算出全局地圖和機(jī)器人的整條軌跡利用非線性最優(yōu)化控制誤差水平，從 而提高計算速度，同時使用部分協(xié)方差支持?jǐn)?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)；
[0043] 而感知驅(qū)動PDM的工作是