基于多波束前视声呐的水下障碍物检测及避障算法

图2

障碍物检测算法流程图∗国家科技重大专项(2016ZX05057005)

自主式水下航行器(AUV )是在没有任何人为操作和指示的情况下在海洋中行动的，它们可以被应用于拍摄海底照片、海底设施检修等方面。但是，海洋中经常会有诸如山脉、人造结构等障碍物，因此避障系统在使用AUV 进行海底勘察中起着非常重要的作用[1]。jw2005

目前，避障系统已存在很多的研究成果，它们采用各式各样的方法。在声呐图像处理方面，文献[2]为了消除声呐图像中的噪声，采用了自适应滤波的方法；文献[3]根据声呐图像匹配处理的实时性需求，采用了正态分布算法；文献[4-5]通过特征测量信息区分探测区域以及改进鲁棒性；传统的Otsu [6]算法常用于

声呐图像中的目标检测[7]，但对于较为复杂的场景检测质量不佳。K 均值聚类[8]在声呐图像处理中可用来分割出障碍物，但是在处理数据量很大的情况下，运算耗时很大。在避障算法方面，文献[9]将Dijkstra 算法应用于水下环境中AUV 的全局路径搜索，从而可有效地避开障碍物到达指定位置；文献[10]基于人工势场法，实现了动态环境下的全局路径规划；文献[11]基于概率抽样的算法实现了AUV 路径搜索，但完成该算法的前提是具有操作区域的相应环境信息。

本文提出了一种基于类间方差及小区域抑制的障碍物检测算法和一种基于障碍物轮廓的避障算法。

1基于多波束前视声呐的AUV 水下避障系统简介

基于多波束前视声呐的AUV 水下避障系统分为声呐图像中障碍物检测模块和面向自主导航的避障模块，本文分别提出并实现了两个模块的算法，并最终将两个模块结合，移植到一块PC104板上，使之成为AUV 的避障板卡。

整个避障流程如图1所示,AUV 搭载的前视声呐采集声呐数据，并将数据传送到装在AUV 上的一块避障板卡上，板卡对声呐采集到的数据进行实时处理与障碍物检测，然后基于障碍

物检测的结果以及AUV 的避障指令系统[12-13]，估算出一个合理的避障角度，并将避障航向角通过RS232协议的串口通信传送给主控，使得主控根据避障航向角控制AUV 转向来避开障碍物。在实验过程中外接电脑可以通过交换机对算法进行修改。

图1AUV 水下避障系统框图

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2基于类间方差及小区域抑制的障碍物检测算法

图像处理的流程如图2所示。声呐探测得到的障碍物在图像中呈现为高亮区域，和无障碍物区域相比存在比较大的区别，使用传统的Otsu 算法可以分割出障碍物，但是由于受沉积物和小鱼等的影响，分割结果中存在许多小亮点和噪声，并且Otsu 算法在计算最佳阈值的过程中，需要遍历整个灰度

碱性氧化物级计算最大类间方差，并

基于多波束前视声呐的水下障碍物检测及避障算法∗

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张俞鹏1刘志1任静茹1张宏伟2张世童2张伟1,3鬣羚

(1上海大学通信与信息工程学院，上海200444;2天津大学机械工程学院，天津300072;

3江苏正业智造技术有限公司，江苏苏州215300)

Underwater Obstacle Detection and Obstacle Avoidance Based

on Multi-beam Forward-looking Sonar

摘要：近年来，人们开始不断地开发海洋资源和空间，如在海底铺设大量的天然气管道以便于运输，因此，利用自主式水下航行器去探测海底天然气管道是否泄漏的技术，就具有重大的战略意义。基于自主式水下航行器搭载的多波束前视声呐采集的数据，进行声呐图像中的障碍物检测，提出了一种基于类间方差及小区域抑制的障碍物检测算法。然后，利用声呐图像的障碍物检测结果，设计了基于障碍物轮廓的避障算法，来估计合理的避障角度，传送给水下航行器的主控来控制航行器避开障碍物。

关键词：自主式水下航行器；障碍物检测；阈值分割；避障算法

Abstract 押Based on the data collected by the multi-beam forward-looking sonar mounted on an autonomous underwater vehicle (AUV )熏this paper performs obstacle detection in sonar images熏and proposes an obstacle detection method based on inter-class variance and suppression of small areas.Then熏using the obstacle detection results of the sonar image熏an obstacle avoidance method based on the contour of the obstacle is designed to estimate a reasonable obstacle avoidance angle熏which is transmitted to the master of the underwater vehicle to control the vehicle to avoid the obstacle.

Keywords 押autonomous underwater vehicle熏obstacle detection熏threshold segmentation熏obstacle

avoidance

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基于多波束前视声呐的水下障碍物检测及避障算法

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