判斷水下航行器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的位置和方向的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明披露了可用于掃描水下結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)。例如，所述方法和系統(tǒng)判斷水下航行器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的位置和方向，例如通過引導(dǎo)聲波聲納波朝向水下結(jié)構(gòu)并處理由所述水下結(jié)構(gòu)反射的聲波聲納波以產(chǎn)生所述結(jié)構(gòu)的三維圖像。該三維圖像的數(shù)據(jù)點(diǎn)與所述水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果，可以確定水下航行器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的位置和方向。
【專利說明】判斷水下航行器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的位置和方向
[0001]本申請(qǐng)要求申請(qǐng)日為2010年10月25日、發(fā)明名稱為“ESTIMATING POSITION ANDORIENTATION OF AN UNDERWATER VEHICLE RELATIVE TO UNDERWATER STRUCTURES” 的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/406，424的優(yōu)先權(quán)，并且該專利文獻(xiàn)在此以其全文形式被結(jié)合入本文作為引用。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及由掃描水下結(jié)構(gòu)來采集聲納數(shù)據(jù)，以便獲得有關(guān)水下航行器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的位置和方向的信息。
【背景技術(shù)】
[0003]存在許多水下結(jié)構(gòu)和其它設(shè)備，可能需要對(duì)所述水下結(jié)構(gòu)和其它設(shè)備有更好的了解。這種更好的了解可能對(duì)例如獲得水下航行器的位置和方向信息，例如用于導(dǎo)航目的是有用的。目前檢查水下結(jié)構(gòu)的方法包括利用潛水員、遠(yuǎn)程操縱潛水器(ROV)和自主式水下航行器(AUV)進(jìn)行檢查。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明披露了一種可用于掃描水下結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)，以便對(duì)水下結(jié)構(gòu)有更好的了解，例如，以便避免水下航行器與水下結(jié)構(gòu)的碰撞以及引導(dǎo)檢查、維修和操縱水下結(jié)構(gòu)。
[0005]本文所述的方法和系統(tǒng)可用于掃描任何類型的水下結(jié)構(gòu)。例如，水下結(jié)構(gòu)包括人造物體，例如海洋石油平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)和支柱和油井類設(shè)備，以及自然物體例如水下山脈，并且可包括全部或部分在水下的結(jié)構(gòu)。水下結(jié)構(gòu)還可以包括固定的和非固定的結(jié)構(gòu)，例如在水下環(huán)境中可能經(jīng)受漂移。一般地說，水下結(jié)構(gòu)表示為任何具有深度變化的任意三維結(jié)構(gòu)并且可具有不同的復(fù)雜性。
[0006]當(dāng)在本文中使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)水下包括任何類型的水下環(huán)境，其中可能探明有水下結(jié)構(gòu)并且可能需要利用本文所述的系統(tǒng)掃描所述水下結(jié)構(gòu)，包括但不限于咸水地點(diǎn)例如海和洋以及淡水地點(diǎn)。
[0007]在一個(gè)實(shí)施例中，披露了一種判斷(估計(jì))水下航行器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的位置和方向(姿態(tài))的方法，包括引導(dǎo)聲波聲納(波)朝向水下結(jié)構(gòu)，和由將聲波聲納(波)導(dǎo)向水下結(jié)構(gòu)來接收響應(yīng)。聲波聲納被設(shè)置為基于三維圖像的聲納，其中某頻率的脈沖為接收器提供數(shù)據(jù)以便生成三維圖像。也就是說，數(shù)據(jù)點(diǎn)是由通過將聲波聲納(波)導(dǎo)向水下結(jié)構(gòu)接收到的響應(yīng)而獲得的，其中數(shù)據(jù)點(diǎn)被設(shè)置成提供水下結(jié)構(gòu)的三維圖像。所獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果，可以確定關(guān)于水下航行器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的位置和方向。
[0008]在一些情況，希望具有聲納傳感器系統(tǒng)，所述聲納傳感器系統(tǒng)可以在水下航行器上執(zhí)行判斷(估計(jì))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)和遠(yuǎn)程操縱水下航行器(潛水器)(ROV)中的一種。當(dāng)在本文中使用時(shí)，ROV是遠(yuǎn)程操縱潛水器(水下航行器)，由線纜栓系至主機(jī)例如水面船只。ROV是無人的并由主機(jī)(船)上的操縱員操作。系纜可在主機(jī)和ROV之間來回傳送例如電力(取代或補(bǔ)充自含式系統(tǒng)上的電池電源)、視頻和數(shù)據(jù)信號(hào)。當(dāng)在本文中使用時(shí)，AUV是自主式水下航行器，是無人駕駛的并且不被栓系至主航行器(vessel)。
[0009]關(guān)于聲納系統(tǒng)，在一個(gè)實(shí)施例中，所述用于判斷(估計(jì))水下航行器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的位置和方向的系統(tǒng)包括在水下航行器上的傳感器。傳感器被設(shè)置成引導(dǎo)聲波聲納(波)朝向水下結(jié)構(gòu)。所反射的聲波聲納(波)被處理成三維圖像。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器設(shè)置在水下航行器上，其被設(shè)置成接收來自傳感器的響應(yīng)。數(shù)據(jù)處理器也存在于水下航行器上。數(shù)據(jù)處理器被設(shè)置成從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獲得傳感器數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中數(shù)據(jù)點(diǎn)被設(shè)置成提供水下結(jié)構(gòu)的三維圖像。處理器被設(shè)置成將數(shù)據(jù)點(diǎn)與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果，處理器被設(shè)置成確定水下航行器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的位置和方向。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1示出了用于判斷(估計(jì))水下航行器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的位置和方向的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。
[0011]圖2示出了將來自聲納響應(yīng)的信息與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的模型進(jìn)行比較的一個(gè)實(shí)施例的流程圖，其可被應(yīng)用于圖1所示的方法。
[0012]圖3示出了從聲納響應(yīng)獲得的信息的過濾過程的流程圖，其可被應(yīng)用于圖1所示的方法。
[0013]圖4示出了用于判斷(估計(jì))水下航行器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的位置和方向的系統(tǒng)的示圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]圖1示出了用于判斷(估計(jì))水下航行器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的位置和方向的方法10的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。一般，所述方法通過利用水下航行器的慣性導(dǎo)航能力連同基于特征的傳感器例如聲納成像傳感器、和將由所述傳感器取回的數(shù)據(jù)與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較的處理器來進(jìn)行。在許多情況，這可以經(jīng)常以約一秒和有時(shí)候更短的時(shí)間實(shí)時(shí)進(jìn)行。例如，發(fā)送3D聲納脈沖、從其接收數(shù)據(jù)、過濾數(shù)據(jù)、和將其與在先模型對(duì)準(zhǔn)(比對(duì))可在約I秒或更短的時(shí)間完成。
[0015]方法10包括引導(dǎo)聲波聲納(波)朝向水下結(jié)構(gòu)。在引導(dǎo)聲波聲納(波)后，在步驟12由將聲波聲納(波)導(dǎo)向水下結(jié)構(gòu)接收到響應(yīng)。例如，在步驟12，聲納波從所述結(jié)構(gòu)被反射并被接收。應(yīng)當(dāng)理解，所接收到的聲波聲納波由聲納處理成三維圖像，即聲納是三維(3D)成像聲納。3D成像聲納可以是任何3D聲納，由單個(gè)傳送的聲納脈沖或聲納脈沖信號(hào)的反射的聲納信號(hào)形成3D圖像。合適的3D聲納的一個(gè)示例是從Coda Octopus Products可購(gòu)得的Coda Octopus Echoscope。應(yīng)當(dāng)理解,3D聲納可被設(shè)置成指向水下結(jié)構(gòu)，以便它可在水下結(jié)構(gòu)發(fā)送聲納脈沖并可被定向成相對(duì)于縱向(垂直方向)成不同的希望的角度并距離水下結(jié)構(gòu)有(不同的希望的)距離。
[0016]應(yīng)當(dāng)理解，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是已知的，并且用于確定水下航行器的位置、方向和速率(例如，運(yùn)動(dòng)的方向和速度)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可包括多普勒速度計(jì)程儀(DVL)，所述多普勒速度計(jì)程儀(DVL)面向下用于確定速率，但應(yīng)當(dāng)理解，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以是可確定位置、方向和速率(例如，運(yùn)動(dòng)的方向和速度)的任何系統(tǒng)。合適的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)示例是可從Kearfott Corporation 購(gòu)得的 SEADe Vil?
[0017]一旦三維成像聲納接收到響應(yīng)，在步驟14獲得數(shù)據(jù)點(diǎn)，其被設(shè)置成提供水下結(jié)構(gòu)的三維圖像。隨后在步驟16，數(shù)據(jù)點(diǎn)與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較。關(guān)于比較步驟16，在一個(gè)實(shí)施例中，通過將數(shù)據(jù)與在先存在的三維模型進(jìn)行匹配的迭代過程使來自3D聲納的響應(yīng)與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維圖像對(duì)準(zhǔn)。在一些實(shí)施例中，該迭代過程是基于來自單個(gè)3D聲納脈沖(信號(hào))的數(shù)據(jù)，但應(yīng)當(dāng)理解可使用多個(gè)3D聲納脈沖(信號(hào))。根據(jù)比較結(jié)果，在步驟18確定水下航行器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的位置和方向并可以進(jìn)行更新。
[0018]關(guān)于在先存在的三維模型，假定有在先存在的三維模型可用于與由3D聲納取回的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。應(yīng)當(dāng)理解，在先存在的三維模型的來源可以不同。在一個(gè)示例中，在先存在的三維模型存在于開始判斷(估計(jì))水下航行器的位置和方向的時(shí)候，例如從計(jì)算機(jī)輔助的設(shè)計(jì)軟件可得的電子文檔。例如，當(dāng)水下結(jié)構(gòu)的第一參考模型用于執(zhí)行模型結(jié)構(gòu)的后來比較時(shí)，情況可能是這樣。在其它示例中，在生成水下結(jié)構(gòu)的三維圖像或更新位置和方向后有在先存在的三維模型可用，這由步驟12、14、16和18的第一次迭代進(jìn)行。通過匹配第一次迭代的模型或其它先前的迭代進(jìn)一步更新位置、方向和模型結(jié)構(gòu)的隨后的迭代可用作在先存在的三維模型用于隨后接收到的聲納數(shù)據(jù)。
[0019]也就是說，在一些情況，在最初開始時(shí)，第一參考可能來自于已經(jīng)存在可用的電子文檔，并且一旦3D聲納取回了數(shù)據(jù)，針對(duì)位置和方向的隨后的更新可用于進(jìn)一步比較。
[0020]再次參見比較步驟16，圖2示出了將來自聲納響應(yīng)的信息與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的模型進(jìn)行比較的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。在所示的實(shí)施例中，比較數(shù)據(jù)點(diǎn)的步驟包括將數(shù)據(jù)點(diǎn)的樣本與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比對(duì)(對(duì)準(zhǔn))。如圖所示，比對(duì)(對(duì)準(zhǔn))的步驟包括根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的多個(gè)樣本重復(fù)進(jìn)行匹配過程的迭代方法，這將在下文進(jìn)一步描述，并且其中匹配過程包括 調(diào)整所抽樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)以便與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型匹配。
[0021]參見圖2的細(xì)節(jié)，來自3D聲納的響應(yīng)提供用于進(jìn)行比對(duì)(對(duì)準(zhǔn))過程的點(diǎn)云110。點(diǎn)云包括表示水下結(jié)構(gòu)的3D圖像的數(shù)據(jù)點(diǎn)。由于已知在3D聲納點(diǎn)云中出現(xiàn)通常較高水平的噪聲和可能的無用(非有用)信息，在一些情況在進(jìn)行比對(duì)(對(duì)準(zhǔn))之前在142過濾所述數(shù)據(jù)點(diǎn)。
[0022]圖3示出了過濾過程142的一個(gè)實(shí)施例的流程圖，它可被包括作為圖1所示獲得數(shù)據(jù)點(diǎn)14的步驟的一部分。過濾過程142包括過濾由引導(dǎo)聲波聲納波朝向水下結(jié)構(gòu)所接收到的響應(yīng)，以便獲得在比對(duì)(對(duì)準(zhǔn))過程中可用的數(shù)據(jù)點(diǎn)。來自聲納點(diǎn)云110的數(shù)據(jù)通過一系列的數(shù)據(jù)處理和過濾步驟被輸入，得到過濾后的點(diǎn)云160。在所示的實(shí)施例中，點(diǎn)云110被輸入至強(qiáng)度閾值過濾器162。一般，過濾過程142對(duì)點(diǎn)云110進(jìn)行形態(tài)運(yùn)算。例如，進(jìn)行每個(gè)距離單元164的形態(tài)學(xué)腐蝕，并隨后組合相鄰的距離單元166?？?64和166表示由過濾過程142所用的某些形態(tài)運(yùn)算的非限制性的示例。隨后，在獲得已過濾的點(diǎn)云160之前進(jìn)行非最大抑制(非極大值抑制)168。在框168中，過濾過程142可能進(jìn)行波束寬度減小/補(bǔ)償處理。
[0023]再次參見圖2，已過濾的點(diǎn)云160進(jìn)行至處理環(huán)路(循環(huán))144。在一個(gè)實(shí)施例中，處理環(huán)路(循環(huán))144是RANSAC環(huán)路，即隨機(jī)抽樣一致性，是從包含“離群值(外點(diǎn))”的一組觀察到的數(shù)據(jù)估計(jì)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)的迭代方法。例如，就生成具有一定幾率的合理結(jié)果而言環(huán)路(循環(huán))144表示非確定性算法，并且其中幾率可隨更多迭代的進(jìn)行而增加。在這種情況，數(shù)學(xué)模型的參數(shù)是3D聲納傳感器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的在先存在的模型的位置和定向(姿態(tài))，并且所觀察到的數(shù)據(jù)是來自聲納的3D點(diǎn)?；炯俣ㄊ撬^察到的數(shù)據(jù)由“內(nèi)點(diǎn)”組成，即，可由具有某些姿態(tài)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型解釋的數(shù)據(jù)，而“離群值(外點(diǎn))”是不能因此而解釋的數(shù)據(jù)。由于在先存在的三維模型在本文所述的方法中是存在可用的，所述迭代過程(給定一小組內(nèi)點(diǎn))可用于通過計(jì)算數(shù)據(jù)(即3D聲納數(shù)據(jù)點(diǎn))與它們相應(yīng)的最接近模型點(diǎn)最佳匹配的姿態(tài)來估計(jì)姿態(tài)的參數(shù)。
[0024]如圖2所示，環(huán)路(循環(huán))144是RANSAC環(huán)路(循環(huán))，包括處理功能轉(zhuǎn)換152、隨機(jī)抽樣154和匹配156。在轉(zhuǎn)換152部分，點(diǎn)云轉(zhuǎn)化到由初始姿態(tài)130規(guī)定的坐標(biāo)系，使它們與在先存在的三維模型近似對(duì)準(zhǔn)。
[0025]如圖2中還示出的，初始姿態(tài)130被輸入轉(zhuǎn)換152部分。在一些情況，初始姿態(tài)130表示水下航行器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置和方向。在隨后的迭代中，初始姿態(tài)可以是來自于已進(jìn)行的第一或任何在先的對(duì)準(zhǔn)的更新知識(shí)的結(jié)果，同時(shí)經(jīng)過圖2所示的過程。應(yīng)當(dāng)理解，在先的對(duì)準(zhǔn)可根據(jù)其它測(cè)量結(jié)果例如慣性速度或加速度和來自水下航行器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的其它輸入進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
[0026]關(guān)于可用的在先存在的3D模型，所述在先存在的3D模型被輸入至146、156和150的框(圖)，并將在下文進(jìn)一步描述。
[0027]在環(huán)路(循環(huán))144的隨機(jī)抽樣154部分，獲得來自點(diǎn)云的點(diǎn)的樣本，以便進(jìn)一步處理并與在先存在的三維模型進(jìn)行比較。環(huán)路(循環(huán))144的匹配156部分是調(diào)整來自隨機(jī)抽樣154所抽樣的點(diǎn)以便與在先存在的三維模型對(duì)齊的地方。也就是說，3D聲納數(shù)據(jù)的采集位置(姿態(tài))例如數(shù)據(jù)點(diǎn)嚴(yán)格地被調(diào)整以便使點(diǎn)與在先存在的三維模型對(duì)準(zhǔn)。在匹配156部分，數(shù)據(jù)點(diǎn)可經(jīng)過一個(gè)或更多個(gè)最接近點(diǎn)計(jì)算以便確定模型上的最接近點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)和針對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的模型上的最接近點(diǎn)用于計(jì)算對(duì)初始姿態(tài)130的矯正，使數(shù)據(jù)點(diǎn)和針對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的模型上的最接近點(diǎn)最佳對(duì)準(zhǔn)。
[0028]如上所述，對(duì)準(zhǔn)過程是迭代方法，以確定對(duì)初始姿態(tài)130的矯正，使盡可能多的3D聲納數(shù)據(jù)的點(diǎn)與在先存在的三維模型對(duì)準(zhǔn)。在一些實(shí)施例中，這由來自3D聲納的單個(gè)聲納脈沖或檢測(cè)實(shí)現(xiàn)，例如來自單個(gè)聲波聲納脈沖的數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)樣本從其獲取。還應(yīng)當(dāng)理解，如果需要可采用3D聲納的多個(gè)聲納脈沖。
[0029]因此，應(yīng)當(dāng)理解，功能轉(zhuǎn)換152、隨機(jī)抽樣154、和匹配156被設(shè)置成環(huán)路(循環(huán))144，所述環(huán)路(循環(huán))如果需要可以是重復(fù)的144a，以便對(duì)在這些迭代中找到的3D聲納數(shù)據(jù)與在先存在的三維模型的最佳對(duì)準(zhǔn)是真正的最佳可能的對(duì)準(zhǔn)增強(qiáng)信心。在許多實(shí)施例中對(duì)準(zhǔn)步驟包括根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的多個(gè)樣本或來自多個(gè)聲波聲納脈沖的數(shù)據(jù)點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行匹配過程，其中所述匹配過程包括調(diào)整所抽樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)以便與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型對(duì)準(zhǔn)(比對(duì))。應(yīng)當(dāng)理解，在適當(dāng)?shù)那闆r，通過環(huán)路(循環(huán))144a的數(shù)據(jù)點(diǎn)的多個(gè)樣本或來自多個(gè)聲波聲納脈沖的數(shù)據(jù)點(diǎn)可通常具有重疊的數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中所述重疊可進(jìn)一步幫助提高找到數(shù)據(jù)點(diǎn)與模型的最佳可能對(duì)準(zhǔn)的可能性(概率)。
[0030]也就是說，利用數(shù)據(jù)點(diǎn)的子樣本進(jìn)行匹配。匹配使用這些點(diǎn)來估計(jì)(判斷)傳感器相對(duì)于模型的姿態(tài)。該估計(jì)的轉(zhuǎn)換適用于所說有數(shù)據(jù)點(diǎn)。轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)隨后與在先存在的模型進(jìn)行比較以確定數(shù)據(jù)匹配的有多好。
[0031 ] 還應(yīng)當(dāng)理解，合適的迭代的數(shù)量和用于進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)和匹配的重疊量可取決于若干因素的平衡。一些因素可包括但不限于例如所采用的處理功率量、用于采集數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間、所采集的數(shù)據(jù)和可用的在先存在的模型的可靠性、水下航行器如何運(yùn)動(dòng)、和水下結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。當(dāng)采用多于一個(gè)的3D聲納脈沖(信號(hào))時(shí)，其它因素例如3D聲納的聲納脈沖率、隨時(shí)間初始姿態(tài)130誤差的可能增長(zhǎng)、和模型的準(zhǔn)確性可在確定需要多少對(duì)準(zhǔn)過程(處理)的迭代時(shí)被考慮。
[0032]在匹配了數(shù)據(jù)點(diǎn)的多個(gè)隨機(jī)樣本后，可獲得多個(gè)解決方案。圖2示出了由誤差要求解決方案146和找出最佳解決方案148部分。由環(huán)路(循環(huán))144a提供的解決方案被要求(例如在146)，以便可獲得最佳解決方案(例如在148)。一旦獲得最佳解決方案，對(duì)該解決方案的每個(gè)內(nèi)點(diǎn)的在先存在的3D模型上的最接近點(diǎn)被確定，并且在用內(nèi)點(diǎn)匹配(Fit w/Inliers) 150計(jì)算對(duì)使這些內(nèi)點(diǎn)與最接近點(diǎn)最佳對(duì)準(zhǔn)的初始姿態(tài)的矯正。更新后的姿態(tài)例如被發(fā)送回水下航行器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0033]應(yīng)當(dāng)理解，本文中估計(jì)(判斷)位置和方向的方法可提供于在水下航行器上的系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中，水下航行器是自主式水下航行器和遠(yuǎn)程操縱潛水器(水下航行器)中的一種。不過，系統(tǒng)可位于其它航行器上。
[0034]在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)包括3D聲納傳感器和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，連同合適的處理能力以便進(jìn)行位置和方向的判斷(估計(jì))。該特征的組合允許系統(tǒng)用于例如相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)來導(dǎo)航水下航行器。
[0035]圖4示出了用于判斷(估計(jì))水下航行器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的位置和方向的系統(tǒng)200的示圖。在適當(dāng)?shù)那闆r，系統(tǒng)200在水下航行器上并且是水下航行器的一部分。
[0036]在所示的實(shí)施例中，3D成像聲納傳感器210可以將來自3D聲納脈沖的響應(yīng)傳送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器220。傳感器210被設(shè)置成將聲波聲納波導(dǎo)向水下結(jié)構(gòu)，并將從水下結(jié)構(gòu)反射的聲波聲納波處理成所述結(jié)構(gòu)的三維圖像。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器220被設(shè)置成接收來自傳感器的響應(yīng)。
[0037]數(shù)據(jù)處理器230被設(shè)置成從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器220獲得數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理器230可以是例如任意合適的處理單元。數(shù)據(jù)點(diǎn)被設(shè)置成提供水下結(jié)構(gòu)的三維圖像。處理器230被設(shè)置成將所獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果，處理器230被設(shè)置成確定水下航行器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的位置和方向。所述位置和方向可用于更新水下航行器導(dǎo)航系統(tǒng)240，所述水下航行器導(dǎo)航系統(tǒng)例如是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)理解，系統(tǒng)200的部件可由水下航行器供電。
[0038]上文所述的方法和系統(tǒng)可用于根據(jù)來自3D聲納掃描的水下結(jié)構(gòu)的特征相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)導(dǎo)航水下航行器。在一個(gè)實(shí)施例中，來自3D聲納掃描的數(shù)據(jù)被采集，來自慣性導(dǎo)航的數(shù)據(jù)被采集，所述數(shù)據(jù)被記錄并處理以便將所掃描的水下結(jié)構(gòu)的3D圖像與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)的采集、記錄和處理可利用在水下航行器上的數(shù)據(jù)處理電子器件進(jìn)行。
[0039]上文所述的方法和系統(tǒng)可用于例如水下航行器遠(yuǎn)離海底的情況(例如超過1000米)，以至于其它導(dǎo)航工具例如DVL不可用。應(yīng)當(dāng)理解，不需要其它基于特征的傳感器，并且相對(duì)于非固定的水下結(jié)構(gòu)的導(dǎo)航利用本文所述的方法和系統(tǒng)也是可行的。3D聲納的使用能掃描復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)以便提供姿態(tài)的完全六自由度。
[0040]本申請(qǐng)中所披露的示例在所有方面應(yīng)被視為是說明性的而非限制性的。本發(fā)明的保護(hù)范圍由所附權(quán)利要求書表示而非由前述的說明書限定；并且在權(quán)利要求的等同的含義和范圍內(nèi)的所有變化旨在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種判斷水下航行器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的位置和方向的方法，包括: 引導(dǎo)聲波聲納波朝向水下結(jié)構(gòu)； 接收從所述水下結(jié)構(gòu)反射的聲波聲納波； 從由所述水下結(jié)構(gòu)反射的聲波聲納波獲得3D數(shù)據(jù)點(diǎn)，所述3D數(shù)據(jù)點(diǎn)被設(shè)置成提供所述水下結(jié)構(gòu)的三維圖像； 將所獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)與所述水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較；和 根據(jù)比較結(jié)果，確定水下航行器相對(duì)于所述水下結(jié)構(gòu)的位置和方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述水下結(jié)構(gòu)是非固定的。
3.根據(jù)權(quán)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遠(yuǎn)程操縱水下航行器中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中獲得所述3D數(shù)據(jù)點(diǎn)的步驟包括過濾從所述聲波聲納波接收到的3D數(shù)據(jù)點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中比較所述3D數(shù)據(jù)點(diǎn)的步驟包括將來自單個(gè)聲波聲納脈沖的數(shù)據(jù)點(diǎn)的樣本與所述水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型對(duì)準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中對(duì)準(zhǔn)步驟包括對(duì)來自多個(gè)聲波聲納脈沖的數(shù)據(jù)點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行匹配處理，所述匹配處理包括調(diào)整所抽樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)以便與所述水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型匹配。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中來自多個(gè)聲波聲納脈沖的數(shù)據(jù)點(diǎn)具有重疊的數(shù)據(jù)點(diǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述在先存在的三維模型在開始估計(jì)所述水下航行器的位置和方向的時(shí)候出現(xiàn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述在先存在的三維模型在完成引導(dǎo)、接收、獲得、比較和確定的迭代后出現(xiàn)。
10.一種估計(jì)水下航行器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的位置和方向的系統(tǒng)，包括: 傳感器，所述傳感器在水下航行器上，所述傳感器被設(shè)置成引導(dǎo)聲波聲納波朝向水下結(jié)構(gòu)，所反射的聲波聲納波被處理以產(chǎn)生三維圖像； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在所述水下航行器上，被設(shè)置成接收來自所述傳感器的響應(yīng)；和 數(shù)據(jù)處理器，所述數(shù)據(jù)處理器在所述水下航行器上； 所述數(shù)據(jù)處理器被設(shè)置成從所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獲得3D數(shù)據(jù)點(diǎn)，所述數(shù)據(jù)點(diǎn)被設(shè)置成提供所述水下結(jié)構(gòu)的三維圖像； 所述處理器被設(shè)置成將所獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)與所述水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較；和 根據(jù)比較結(jié)果，所述處理器被設(shè)置成確定水下航行器相對(duì)于所述水下結(jié)構(gòu)的位置和方向。
【文檔編號(hào)】G01S15/00GK103620442SQ201180049675
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2010年10月25日
【發(fā)明者】C·H·德布倫納, A·K·費(fèi)廷格爾, C·L·貝克 申請(qǐng)人:洛克希德馬丁公司