【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及海洋探测，更具体的说是涉及一种应用于水下航行器的目标三维定位方法。
技术介绍
1、在现代海洋勘探领域，前视声呐技术由于其独特的优势，如远距离探测、不受水质浑浊度影响以及能够进行实时二维成像等，已经成为水下潜航器执行目标检测、海底测绘和导航等多种任务的关键工具。其中，利用前视声呐系统对特定海洋目标进行搜索和定位是其最常见的应用之一。
2、目前，基于前视声呐的定位研究主要集中于声呐自身的定位，同时尝试对周围海域进行地图构建。在水下船体检查工作中，前视声呐的同时定位和建图(slam)技术致力于解决声呐图像特征稀疏和误报数据关联的问题，通常采用图优化方法来解决定位问题。此外，有研究通过结合惯性导航数据和前视声呐图像来进行融合定位，使用一种惯性辅助的滑动窗口优化框架以更好地处理错误的特征匹配或特征不足的问题。还有一种方法提出了适用于杂乱环境下运行的水下机器人探索框架，该框架基于携带成像声呐的同步定位和建图(slam)实现，包含了路径生成、地点识别预测、信念传播和使用虚拟地图的效用评估等多个部分。
3、然而，基于前视声呐的水下slam技术存在一个显著的限制，即需要作业环境中有丰富的特征信息。这意味着这些技术只能在如港口等特征丰富的地方使用。而远离岸边的深海区域常常是平坦的海底，海底物体和特征都很稀疏，导致在这样的环境中前视声呐slam缺乏足够的信息来实现精确定位，限制了水下潜航器执行大范围航行的能力。同时，这一局限性减少了前视声呐slam在海底目标定位任务中的应用潜力。
4、对于海洋三维重建
5、尽管如此，基于前视声呐的海底物体三维重建研究显示，这需要前视声呐对物体进行高质量的成像，且物体特征必须明显。如果前视声呐图像含有大量噪声，那么三维重建的效果会大打折扣。但在真实的海洋探索情况下，前视声呐图像经常会出现大量噪声和模糊不清的情况。
6、因此，如何解决上述技术问题，突破上述瓶颈，是当前本领域技术人员急需解决的问题。
技术实现思路
1、有鉴于此，为克服上述缺陷，本专利技术提供了一种应用于水下航行器的目标三维定位方法。该方法可应用在特征稀疏的深海环境中，并且能够快速、准确实现目标三维定位，不仅克服了现有技术在精确度、噪声处理、处理速度、适应性和操作便捷性方面的限制，还为海洋勘探领域带来了显著的技术优势。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种应用于水下航行器的目标三维定位方法，包括，
4、识别声呐图像中的目标后，基于当前目标对应的水下航行器位置坐标，确定目标的面约束，
5、基于第一时刻的面约束和第二时刻的面约束，构建约束模型，求解所述约束模型，对目标进行三维定位。
6、作为优选，第一时刻与第二时刻的时间间隔大于设定阈值，以避免基于连续的两个时刻对应的数据，对目标进行定位；因为通过两个连续时刻对同一个物体的观察角度变化很小，从而导致定位效果很差；
7、本申请中，阈值取值可根据需要确定。
8、作为优选，所述面约束包括平面约束和球面约束；所述约束模型包括第一时刻的平面约束、第二时刻的平面约束及第一时刻的球面约束，或第一时刻的平面约束、第二时刻的平面约束及第二时刻的球面约束。
9、作为优选，求解所述约束模型时，以所得解中较大z坐标对应的解为目标的位置。
10、作为优选，平面约束的表达式为：
11、aknx+bkny+cknz+dkn＝0
12、式中，akn、bkn、ckn和dkn表示平面方程的系数，其中，
13、
14、式中，为平面的法向量，(xk，yk，zk)为k时刻水下航行器的位置坐标；且
15、
16、式中，rk为声呐坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵，θkn为目标在声呐坐标系下的方位角θkn。
17、作为优选，识别声呐图像中的目标，并记录当前时刻目标对应的水下航行器位置信息，形成目标观测数据；
18、随机抽取任意两个不同时刻的观测数据，进行多次三维定位，以多个定位结果的均值，作为目标三维定位结果。
19、作为优选，所述水下航行器搭载前视声呐和导航系统，所述前视声呐用于扫描获得声呐图像，并识别声呐图像中目标，所述导航系统用于提供不同时刻水下航行器的位置坐标。
20、经由上述的技术方案可知，本专利技术公开提供了一种应用于水下航行器的目标三维定位方法，通过结合前视声呐图像配准结果和水下潜航器导航系统输出的姿态和定位数据，在水下潜航器进行自主扫测任务时能够快速地实现目标的三维定位，且三维定位结果优秀。与现有技术相比，
21、本专利技术能够在特征稀疏的深海环境中实现高精度的三维定位，突破了传统前视声呐slam技术在特征丰富环境的限制，由于本专利技术不依赖于环境中的特征丰富度，因此它既适用于港口等特征丰富的区域，也适用于深海等特征稀疏的环境。这种强大的适应性使得本专利技术在多种海洋勘探场景下都能发挥重要作用，同时为远离岸边、特征稀少的深海探索提供了新的解决方案。
22、并且针对前视声呐图像中常见的噪声问题，本专利技术通过构建和应用约束模型(平面约束和球面约束)，可有效减少噪声对三维重建精度的影响。相较于仅依赖声呐图像进行三维重建的方法，本专利技术能够在提高处理速度的前提下提供更加稳定和准确的结果。
23、此外，本专利技术通过整合现有的前视声呐技术和水下潜航器导航数据，不需要引入额外的设备或技术，故在实际操作中相对简便。对于操作人员来说，这意味着较低的学习成本和较高的工作效率。本专利技术具有重要的实用价值。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种应用于水下航行器的目标三维定位方法，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的一种应用于水下航行器的目标三维定位方法，其特征在于，第一时刻与第二时刻的时间间隔大于设定阈值。
3.根据权利要求1所述的一种应用于水下航行器的目标三维定位方法，其特征在于，所述面约束包括平面约束和球面约束；所述约束模型包括第一时刻的平面约束、第二时刻的平面约束及第一时刻的球面约束，或第一时刻的平面约束、第二时刻的平面约束及第二时刻的球面约束。
4.根据权利要求2所述的一种应用于水下航行器的目标三维定位方法，其特征在于，求解所述约束模型时，以所得解中较大z坐标对应的解为目标的位置。
5.根据权利要求2所述的一种应用于水下航行器的目标三维定位方法，其特征在于，平面约束的表达式为：
6.根据权利要求1所述的一种应用于水下航行器的目标三维定位方法，其特征在于，识别声呐图像中的目标，并记录当前时刻目标对应的水下航行器位置信息，形成目标观测数据；
7.根据权利要求1所述的一种应用于水下航行器的目标三维定位方法，其特征在于，水下航行器搭载前视
...【技术特征摘要】
1.一种应用于水下航行器的目标三维定位方法，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的一种应用于水下航行器的目标三维定位方法，其特征在于，第一时刻与第二时刻的时间间隔大于设定阈值。
3.根据权利要求1所述的一种应用于水下航行器的目标三维定位方法，其特征在于，所述面约束包括平面约束和球面约束；所述约束模型包括第一时刻的平面约束、第二时刻的平面约束及第一时刻的球面约束，或第一时刻的平面约束、第二时刻的平面约束及第二时刻的球面约束。
4.根据权利要求2所述的一种应用于水下航行器的目标三维定位方法，其特征在于，求解所述约束模型时...
【专利技术属性】
技术研发人员：叶秀芬，刘红，黄汉杰，周翰文，陈尚泽，陈云赛，王顺礼，刘文智，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。