CN109425347A - 一种半潜无人船的同时定位与地图构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半潜无人船的同时定位与地图构建方法，包括以下步骤，判断卫星信号强度时，信号良好时通过GPS定位技术获取当前卫星定位经纬度坐标，信号不良时根据罗经等传感器计算航行状态求解经纬度坐标，并加上获取数据时间，观测障碍物，连续获取激光雷达数据,将数据获取的时间标记k，截取电子海图，电子海图上以当前经纬度为海图中心点，截取一定范围的电子海图数据。本发明的优点在于，能够满足半潜式无人艇的作业要求，很好地完成资源勘探，信息搜集等作业任务，极大的降低一些任务的危险性，也拓展了任务的难度与可行范围，从而带来更多的经济效益，具备广阔的发展前景，同时，该项发明的方法简单实用，可行性极强，便于工程处理，完全具备商业生产的要求。

Description

一种半潜无人船的同时定位与地图构建方法

技术领域

本发明涉及无人船的自身定位和地图构建技术领域，具体为一种半潜无人船的同时定位与地图构建方法。

背景技术

随着机器人技术的发展，具有移动能力、环境感知能力和自主规划能力的智能移动机器人得到各国研究人员的普遍重视，半潜式无人艇作为一类特殊的移动机器人，同时定位与地图构建技术是实现自主航行的关键，目前，在国内还没有一种相对比较成熟的半潜式无人艇同时定位与地图构建方法

GPS定位技术，根据GPS经纬度信号对无人船进行二维定位，一种基于多水下应答器的惯性/水声组合导航方法，通过惯性***进行定位，根据预先布放的水下应答器进行校准，得到当前水下机器人距离的位置信息，基于激光或摄像头的室内机器人同时定位与地图构建技术。

目前还没有专门针对半潜无人艇的同时定位与环境感知建模方法。半潜无人艇和水面无人船、水下机器人、室内机器人的工作环境存在较大差异，安装的传感器设备也存在差异，水面无人船工作环境在水面以上，GPS设备安装在上层建筑内，不会由于被淹没而丢失信号，且只需要经纬度的二维定位信息，水下机器人一般稳定工作于深水环境，不安装GPS设备，只安装惯性导航***，或额外在航线上布放多个水下应答器进行精度校正，半潜无人船工作于近水面，仅有通讯设备和GPS设备露出水面，存在由于海水淹没GPS设备而丢失卫星信号的可能，半潜无人船需要长时间自主航行，不能提前确定航线，难以布放水下应答器，且不是长时间工作于水下，仅使用惯性导航***定位存在精度不高的问题，现有的基于激光或摄像头的同时定位与地图构建技术一般仅使用激光雷达或摄像头进行数据采集，主要应用于室内机器人，机器人定位主要参考是周围的壁面，对于海上航行，大部分时间中传感器范围内只有水，不存在任何参考点，无法仅使用一般的定位和地图构建方法，综上所述，找到一种结合的同时定位与地图构建方法对半潜无人艇是极为重要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种半潜无人船的同时定位与地图构建方法，通过惯导***弥补半潜航行时可能的卫星定位信号丢失现象，在地图构建方能够满足半潜式无人艇的作业要求，很好地完成资源勘探，信息搜集等作业任务，极大的降低一些任务的危险性，也拓展了任务的难度与可行范围，从而带来更多的经济效益，具备广阔的发展前景，同时，该项发明的方法简单实用，可行性极强，便于工程处理，完全具备商业生产的要求，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种半潜无人船的同时定位与地图构建方法，包括以下步骤：

当有卫星信号时；

1)计算经纬度坐标：通过GPS定位技术获取当前卫星定位经纬度坐标，并加上获取数据时间，将数据获取的时间标记k；

2)截取电子海图：电子海图上以当前经纬度为海图中心点，截取一定范围的电子海图数据；

3)观测障碍物：连续获取激光雷达数据，坐标系是以无人艇为中心的地理坐标系，生成激光雷达点云概率，并加上获取数据时间，同样将数据获取的时间标记k；如果激光雷达未探测到任何障碍物，则直接进入下一个探测周期；

4)生成激光点云地图：k+1时刻，获取新的卫星定位经纬度，生成新的激光雷达点云图，根据当前经纬度与k时刻点云图进行步骤5-步骤7的匹配；

5)激光地图匹配更新：抛弃k时刻超出截取的电子海图覆盖范围的激光点云概率数据，抛弃k时刻已经超出预设数据有效时长m未更新的数据；

6)标记障碍物；点云概率图上每个点是障碍物的概率为式中p(s＝1)表示可航行，p(s＝0)表示是障碍物，k+1时刻与k时刻的关系是对于概率大于设置的阈值的点标记为障碍物；

7)地图合并：激光点云图数据和电子海图数据此时有相同的坐标系和中心点，根据卫星定位结果进行合并，完成定位和地图构建；

当卫星信号弱或发生丢失时：

1)记录最后一次卫星信号的时间、经纬度、航向；

2)获取罗经数据和加速度计数据；

3)对罗经数据和加速度计数据进行卡尔曼滤波，并对滤波后数据进行积分，从而得出航速和航向；

4)根据速度、航向和卫星信号丢失的时间长短，计算当前位置经纬度坐标；

5)根据当前经纬度坐标，进行有卫星信号时的步骤2-7。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：考虑到了半潜无人艇特殊的工作环境，通过惯导***弥补半潜航行时可能的卫星定位信号丢失现象，在地图构建方法中，考虑了海上障碍物较为稀疏的环境特征，结合了电子海图与激光雷达进行了地图构建静态数据和实时数据的互补，使之在超出激光雷达范围较远的区域仍然能进行地图构建，为无人艇航行的路径规划提供地图数据，本发明通过卫星定位和惯性导航双定位***实现定位能力，通过基于定位的无人船经纬度坐标，叠加激光测距仪信息构建实时环境地图，运用多种技术手段，大大增强了无人艇定位与地图构建中的鲁棒性，提高了半潜无人艇航行的安全性，对于今后该领域的技术发展具备一定的参考价值与指导意义，能够满足半潜式无人艇的作业要求，很好地完成资源勘探，信息搜集等作业任务，极大的降低一些任务的危险性，也拓展了任务的难度与可行范围，从而带来更多的经济效益，具备广阔的发展前景，同时，该项发明的方法简单实用，可行性极强，便于工程处理，完全具备商业生产的要求。

附图说明

图1为本发明一种半潜无人船的同时定位与地图构建方法的计算流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供以下技术方案：

一种半潜无人船的同时定位与地图构建方法，包括以下步骤：

当有卫星信号时；

1)计算经纬度坐标：通过GPS定位技术获取当前卫星定位经纬度坐标，并加上获取数据时间，将数据获取的时间标记k；

2)截取电子海图：电子海图上以当前经纬度为海图中心点，截取一定范围的电子海图数据；

3)观测障碍物：连续获取激光雷达数据，坐标系是以无人艇为中心的地理坐标系，生成激光雷达点云概率，并加上获取数据时间，同样将数据获取的时间标记k；如果激光雷达未探测到任何障碍物，则直接进入下一个探测周期；

4)生成激光点云地图：k+1时刻，获取新的卫星定位经纬度，生成新的激光雷达点云图，根据当前经纬度与k时刻点云图进行步骤5-步骤7的匹配；

5)激光地图匹配更新：抛弃k时刻超出截取的电子海图覆盖范围的激光点云概率数据，抛弃k时刻已经超出预设数据有效时长m未更新的数据；

6)标记障碍物；点云概率图上每个点是障碍物的概率为式中p(s＝1)表示可航行，p(s＝0)表示是障碍物，k+1时刻与k时刻的关系是对于概率大于设置的阈值的点标记为障碍物；

7)地图合并：激光点云图数据和电子海图数据此时有相同的坐标系和中心点，根据卫星定位结果进行合并，完成定位和地图构建；

当卫星信号弱或发生丢失时：

1)记录最后一次卫星信号的时间、经纬度、航向；

2)获取罗经数据和加速度计数据；

3)对罗经数据和加速度计数据进行卡尔曼滤波，并对滤波后数据进行积分，从而得出航速和航向；

4)根据速度、航向和卫星信号丢失的时间长短，计算当前位置经纬度坐标；

5)根据当前经纬度坐标，进行有卫星信号时的步骤2-7。

本发明是一种半潜无人船的同时定位与地图构建方法，考虑到了半潜无人艇特殊的工作环境，通过惯导***弥补半潜航行时可能的卫星定位信号丢失现象，在地图构建方法中，考虑了海上障碍物较为稀疏的环境特征，结合了电子海图与激光雷达进行了地图构建静态数据和实时数据的互补，使之在超出激光雷达范围较远的区域仍然能进行地图构建，为无人艇航行的路径规划提供地图数据，本发明通过卫星定位和惯性导航双定位***实现定位能力，通过基于定位的无人船经纬度坐标，叠加激光测距仪信息构建实时环境地图，运用多种技术手段，大大增强了无人艇定位与地图构建中的鲁棒性，提高了半潜无人艇航行的安全性，对于今后该领域的技术发展具备一定的参考价值与指导意义，能够满足半潜式无人艇的作业要求，很好地完成资源勘探，信息搜集等作业任务，极大的降低一些任务的危险性，也拓展了任务的难度与可行范围，从而带来更多的经济效益，具备广阔的发展前景，同时，该项发明的方法简单实用，可行性极强，便于工程处理，完全具备商业生产的要求。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种半潜无人船的同时定位与地图构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

当有卫星信号时；

1)计算经纬度坐标：通过GPS定位技术获取当前卫星定位经纬度坐标，并加上获取数据时间，将数据获取的时间标记k；

2)截取电子海图：电子海图上以当前经纬度为海图中心点，截取一定范围的电子海图数据；

3)观测障碍物：连续获取激光雷达数据，坐标系是以无人艇为中心的地理坐标系，生成激光雷达点云概率，并加上获取数据时间，同样将数据获取的时间标记k；如果激光雷达未探测到任何障碍物，则直接进入下一个探测周期；

4)生成激光点云地图：k+1时刻，通过GPS定位技术获取新的卫星定位经纬度，生成新的激光雷达点云图，根据当前经纬度与k时刻点云图进行步骤5-步骤7的匹配；

5)激光地图匹配更新：抛弃k时刻超出截取的电子海图覆盖范围的激光点云概率数据，抛弃k时刻已经超出预设数据有效时长m未更新的数据；

6)标记障碍物；点云概率图上每个点是障碍物的概率为式中p(s＝1)表示可航行，p(s＝0)表示是障碍物，k+1时刻与k时刻的关系是对于概率大于设置的阈值的点标记为障碍物；

7)地图合并：激光点云图数据和电子海图数据此时有相同的坐标系和中心点，根据卫星定位结果进行合并，完成定位和地图构建；

当卫星信号弱或发生丢失时：

1)记录最后一次卫星信号的时间、经纬度、航向；

2)获取罗经数据和加速度计数据；

3)对罗经数据和加速度计数据进行卡尔曼滤波，并对滤波后数据进行积分，从而得出航速和航向；

4)根据速度、航向和卫星信号丢失的时间长短，计算当前位置经纬度坐标；

5)根据当前经纬度坐标，进行有卫星信号时的步骤2-7。