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    重庆时时彩定位杀胆: 一种海底地形自动生成的方法.pdf

    关 键 词:
    一种 海底 地形 自动 生成 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201310636913.8

    申请日:

    2013.11.27

    公开号:

    CN104680583A

    公开日:

    2015.06.03

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G06T 17/05申请日:20131127|||公开
    IPC分类号: G06T17/05(2011.01)I 主分类号: G06T17/05
    申请人: 中国科学院沈阳自动化研究所
    发明人: 刘健; 王轶群; 刘铁军; 赵宏宇; 贾松力
    地址: 110016辽宁省沈阳市东陵区南塔街114号
    优先权:
    专利代理机构: 沈阳科苑专利商标代理有限公司21002 代理人: 许宗富; 周秀梅
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201310636913.8

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2018.04.27|||2015.07.01|||2015.06.03

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开一种海底地形数据自动生成的方法,该发明将无人无缆潜器(AUV)获得的水深数据自动生成海底地形。该发明分成2个阶段,第1阶段是使用AUV获得水深数据,第2阶段是根据AUV获得的水深数据自动生成海底地形。本发明操作简单,能够有效实现根据AUV获得的水深数据自动生成海底地形,生成的地形结果更加真实地反应海底地形特点。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种海底地形自动生成的方法,其特征在于,包括以下步骤: 
    测量水深数据; 
    将水深数据转换成海图坐标系下的数据; 
    将水深数据网格化; 
    分别在X、Y轴方向网格建立关于水深数据的插值函数; 
    将Y轴方向和X轴方向的网格数据进行数据融合,得到融合后的深度Z; 
    利用融合后的深度Z构造出海底地形数据。 

    2.  根据权利要求1所述的一种海底地形自动生成的方法,其特征在于,所述获得水深数据来源于AUV的航行数据,通过深度计和测高声纳装置测量水深数据。 

    3.  根据权利要求1所述的一种海底地形自动生成的方法,其特征在于,所述将水深数据转换成海图坐标系,包括以下步骤: 
    将水深数据的西南端点作为坐标原点(X0,Y0,Z0),坐标原点的纬度、经度和深度数据为
    其它测量点的纬度、经度和深度数据为转换成海图坐标系的数据为(X,Y,Z): 

    其中,X表示距离原点的北向距离,Y表示距离原点的东向距离,Z表示水深值。 

    4.  根据权利要求1所述的一种海底地形自动生成的方法,其特征在于,所述将水深数据网格化,具体为: 
    定义海图区域的分辨率为m*n,即在X轴方向上划分m个网格,在Y轴方向上划分n个网格,X轴方向上网格宽度width_x,Y轴方向上网格宽度为width_y; 
    坐标原点网格化后表示为(X0,Y0,Z0); 
    坐标东北角端点网格化后表示为(Xmax,Ymax,Z); 
    其它测量点的海图坐标系的坐标为(X,Y,Z),网格化后表示为(Xp,Yq,Z): 
    p=(X-X0)/width_x 
                             (2) 
    q=(Y-Y0)/width_y 
    式中, 
    width_x=(Xmax-X0)/n 
                                   ; 
    width_y=(Ymax-Y0)/m 
    其中,Xp表示距离原点网格区的北向第p个网格,Yq表示距离原点的东向第q个网格,Z表示水深值。 

    5.  根据权利要求1所述的一种海底地形自动生成的方法,其特征在于,所述在X轴方向网格建立关于水深数据的插值函数,具体为: 
    当东向距离为Yq时,水深关于X的插值函数Zq(X)为: 
    Zq(X)=(Xj-X)3/6hj*Z″j-1
    +(X-Xj-1)3/6hj*Z″j                         (3) 
    +(Zj-1-Z″j-1*hj2/6)*(Xj-X)/hj
    式中,hj=Xj-Xj-1,1≤j≤n-1;Z″j,1≤j≤n-1,为待定系数,表示该点的二阶导数。为了计算Z″j,1≤j≤n-1,建立方程组(4),方程组中Zj(1≤j≤n-1)为已知量,Z″j(1≤j≤n-1)为未知量,方程个数未知量个数,能够求解出Z″j,1≤j≤n-1; 
    。

    6.  根据权利要求1所述的一种海底地形自动生成的方法,其特征在于,所述在Y轴方向网格建立关于水深数据的插值函数,具体为: 
    当东向距离为Xp时,水深关于Y的插值函数Zp(Y)为: 
    Zp(Y)=(Yj-Y)3/6hj*Z″j-1
    +(Y-Yj-1)3/6hj*Z″j                        (5) 
    +(Zj-1-Z″j-1*hj2/6)*(Yj-Y)/hj
    式中,定义hj=Yj-Yj-1,1≤j≤n-1;Z″j,1≤j≤n-1,为待定系数,表示该点的二阶导 数; 
    为了计算Z″j,1≤j≤n-1,建立方程组(6),方程组中Zj,1≤j≤n-1为已知量,Z″j,1≤j≤n-1为未知量,方程个数未知量个数,能够求解出Z″j,1≤j≤n-1; 
    。

    7.  根据权利要求1所述的一种海底地形自动生成的方法,其特征在于,所述将Y轴方向和X轴方向的网格数据进行数据融合,得到融合后的深度Z为: 
    Z=PY*Zp(Y)+PX*Zq(X)                   (7) 
    其中,PY表示测量点(Xp,Yq,Z)在Y轴插值曲线的影响因子,PX表示测量点(Xp,Yq,Z)在X轴插值曲线影响因子,Zq(X)为水深关于X的插值函数,Zp(Y)为水深关于Y的插值函数。 
    设定邻域半径为R,统计在距离点(Xp,Yq,Z)小于半径R的X方向坐标点数为NX,Y方向坐标点数为NY,那么定义 
    。

    8.  根据权利要求1所述的一种海底地形自动生成的方法,其特征在于,所述利用融合后的深度Z构造出海底地形数据,具体为:对融合后的数据使用Delaunay算法进行处理,利用Vega的Creator软件生成海底地形数据。 

    说明书

    说明书一种海底地形自动生成的方法
    技术领域
    本发明涉及水下机器人技术领域,尤其涉及一种利用水下机器人航行数据 自动生成海底地形的方法。
    背景技术
    水下机器人航行深度可达数千米,航行区域海底地形复杂,海底暗礁和海 底山脉的存在对水下机器人的航行安全带来很大的威胁。而传统的电子海图对 于海底的地形信息比较缺乏,所以根据水下机器人的航行数据,通过数据挖掘 和融合,自动绘制机器人航行区域内海底地图的工作显得尤其重要。当水下机 器人首次航行于该海区时,将航行数据离线处理,可以自动生成一个该航行区 域内的海底地形图;当水下机器人再次航行于该区域时,该航次的航行数据可 以自动修正上一次生成的海底地形图。随着水下机器人在该航行区域航行次数 的增加,自动生成的海底地形图会更加完善??梢岳蒙傻暮5椎匦瓮挤抡?海底环境,验证水下机器人在复杂海洋环境下的航行安全性,而且能够为水下 机器人使用海底地形导航提供参考。
    传统的海底地形生成方法只是关注无序离散点的水深数据处理,没有考虑 连续水深数据的处理,没有很好地利用连续数据的关联处理海底地形数据,特 别是当海底测量数据存在交叠时,无法很好的进行数据融合,导致生成的海底 地形无法真实反应海底的地形特点。
    发明内容
    为了克服现有方法的不足,本发明要解决的技术问题是根据水下机器人的 航行数据,通过数据处理,生成海底地形数据,更加真实地反应海底地形特点。
    本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:一种海底地形自动生成的方 法,包括以下步骤:
    测量水深数据;
    将水深数据转换成海图坐标系下的数据;
    将水深数据网格化;
    分别在X、Y轴方向网格建立关于水深数据的插值函数;
    将Y轴方向和X轴方向的网格数据进行数据融合,得到融合后的深度Z;
    利用融合后的深度Z构造出海底地形数据。
    所述获得水深数据来源于AUV的航行数据,通过深度计和测高声纳装置测 量水深数据。
    所述将水深数据转换成海图坐标系,包括以下步骤:
    将水深数据的西南端点作为坐标原点(X0,Y0,Z0),坐标原点的纬度、经度和 深度数据为
    其它测量点的纬度、经度和深度数据为转换成海图坐标系的数据 为(X,Y,Z):

    其中,X表示距离原点的北向距离,Y表示距离原点的东向距离,Z表示水深值。
    所述将水深数据网格化,具体为:
    定义海图区域的分辨率为m*n,即在X轴方向上划分m个网格,在Y轴方 向上划分n个网格,X轴方向上网格宽度width_x,Y轴方向上网格宽度为 width_y;
    坐标原点网格化后表示为(X0,Y0,Z0);
    坐标东北角端点网格化后表示为(Xmax,Ymax,Z);
    其它测量点的海图坐标系的坐标为(X,Y,Z),网格化后表示为(Xp,Yq,Z):
    p=(X-X0)/width_x
                         (2)
    q=(Y-Y0)/width_y
    式中,
    width_x=(Xmax-X0)/n
                                ;
    width_y=(Ymax-Y0)/m
    其中,Xp表示距离原点网格区的北向第p个网格,Yq表示距离原点的东向 第q个网格,Z表示水深值。
    所述在X轴方向网格建立关于水深数据的插值函数,具体为:
    当东向距离为Yq时,水深关于X的插值函数Zq(X)为:
    Zq(X)=(Xj-X)3/6hj*Z″j-1
    +(X-Xj-1)3/6hj*Z″j                           (3)
    +(Zj-1-Z″j-1*hj2/6)*(Xj-X)/hj
    式中,hj=Xj-Xj-1,1≤j≤n-1;Z″j,1≤j≤n-1,为待定系数,表示该点的二阶导数。 为了计算Z″j,1≤j≤n-1,建立方程组(4),方程组中Zj(1≤j≤n-1)为已知量, Z″j(1≤j≤n-1)为未知量,方程个数未知量个数,能够求解出Z″j,1≤j≤n-1;
    h j / ( h j + h j + 1 ) * Z j - 1 + 2 * Z j + h j + 1 / ( h j + h j + 1 ) * Z j + 1 = + 6 h j + h j + 1 * ( Z j + 1 - Z j - 1 h j + 1 - Z j - Z j - 1 h j ) , ( 1 j n - 1 ) Z 0 = 0 , Z n = 0 - - - ( 4 ) ]]>
    所述在Y轴方向网格建立关于水深数据的插值函数,具体为:
    当东向距离为Xp时,水深关于Y的插值函数Zp(Y)为:
    Zp(Y)=(Yj-Y)3/6hj*Z″j-1
    +(Y-Yj-1)3/6hj*Z″j                         (5)
    +(Zj-1-Z″j-1*hj2/6)*(Yj-Y)/hj
    式中,定义hj=Yj-Yj-1,1≤j≤n-1;Z″j,1≤j≤n-1,为待定系数,表示该点的二阶导 数;
    为了计算Z″j,1≤j≤n-1,建立方程组(6),方程组中Zj,1≤j≤n-1为已知量, Z″j,1≤j≤n-1为未知量,方程个数未知量个数,能够求解出Z″j,1≤j≤n-1;
    h j / ( h j + h j + 1 ) * Z j - 1 + 2 * Z j + h j + 1 / ( h j + h j + 1 ) * Z j + 1 = + 6 h j + h j + 1 * ( Z j + 1 - Z j - 1 h j + 1 - Z j - Z j - 1 h j ) , ( 1 j n - 1 ) Z 0 = 0 , Z n = 0 - - - ( 6 ) ]]>
    所述将Y轴方向和X轴方向的网格数据进行数据融合,得到融合后的深度 Z为:
    Z=PY*Zp(Y)+PX*Zq(X)                      (7)
    其中,PY表示测量点(Xp,Yq,Z)在Y轴插值曲线的影响因子,PX表示测量点 (Xp,Yq,Z)在X轴插值曲线影响因子,Zq(X)为水深关于X的插值函数,Zp(Y)为 水深关于Y的插值函数。
    设定邻域半径为R,统计在距离点(Xp,Yq,Z)小于半径R的X方向坐标点数 为NX,Y方向坐标点数为NY,那么定义
    P X = N x N x + N Y P Y = N Y N x + N Y ]]>
    所述利用融合后的深度Z构造出海底地形数据,具体为:对融合后的数据使 用Delaunay算法进行处理,利用Vega的Creator软件生成海底地形数据。
    本发明具有以下优点及有益效果:
    1.方法简单和应用广泛。本发明需要的装置仅需要AUV、图形工作站计算 机,不需其它辅助装置,程序能够利用水下机器人的水深数据,自动生成海底 地形。
    2.经济高效。本发明自动生成海底地形,提高了水下机器人在复杂环境下 的航行安全性,而且能够为水下机器人使用海底地形导航提供参考,提高了水 下机器人的航行安全性和作业效率。
    附图说明
    图1是本发明的组成示意图;
    图2是本发明的海底地形生成方法的流程图。
    具体实施方式
    下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
    本发明由的AUV(Autonomous underwater vechle,无人无缆潜水器)和图 形工作站计算机组成,其中AUV需要搭载深度计和测高声纳来测量海水的深度 值,如图1所示。
    海底地形生成的方法如图2所示,AUV按照测线轨?;竦檬莺?,将数据 上传到图形工作站计算机,运用海底地形数据生成方法进行处理,处理后调用 Vega进行海底地形建模,生成海底地形,如图2所示。
    按照本发明的方法在图形工作站计算机上处理水深数据,最后利用图形工 作站计算机上的Vega软件对海底地形进行建模。
    第1步:获得水深数据。
    水下机器人的航行区域的水深数据等于AUV的深度值和AUV的高度值之 和。
    第2步:将水深数据转换成海图坐标系。
    将水深数据的西南端点作为坐标原点(X0,Y0,Z0),原点的纬度、经度和深度 坐标为对于其它测量点,当它的纬度、经度和深度坐标为转换成海图坐标系的坐标为(X,Y,Z),其中X表示距离坐标原点的北向距离,Y 表示距离原点的东向距离,Z表示水深值。X,Y和Z的计算方法如公式(1)所 示。

    第3步:将水深数据网格化。
    定义海图区域的分辨率为m*n,即在X轴方向上划分m个网格,在Y轴方 向上划分n个网格,X轴方向上网格宽度width_x,Y轴方向上网格宽度为 width_y。定义坐标原点网格化后表示(X0,Y0,Z0)。定义东北角端点的网格化后 表示为(Xmax,Ymax,Z)。对于其它测量点,当它的海图坐标系的坐标为(X,Y,Z),网 格化后表示(Xp,Yq,Z),其中Xp表示距离原点网格区的北向第p个网格,Yq表示 距离原点的东向第q个网格,Z表示水深值,计算方法如公式(2)所示。
    p=(X-X0)/width_x
                           (2)
    q=(Y-Y0)/width_y
    式中,
    width_x=(Xmax-X0)/n
    width_y=(Ymax-Y0)/m
    第4步:在X轴方向网格建立关于水深数据的插值函数。
    定义Zq(X)表示当东向距离为Yq时,水深关于X的插值函数。Zq(X)的计算 方法如公式(3)所示。
    Zq(X)=(Xj-X)3/6hj*Z″j-1
    +(X-Xj-1)3/6hj*Z″j                         (3)
    +(Zj-1-Z″j-1*hj2/6)*(Xj-X)/hj
    式中,定义hj=Xj-Xj-1(1≤j≤n-1);
    其中,Z″j(1≤j≤n-1)为待定系数,表示该点的二阶导数。
    为了计算Z″j(1≤j≤n-1),建立方程组(4),方程组中Zj(1≤j≤n-1)为已知量, Z″j(1≤j≤n-1)为未知量,方程个数未知量个数,能够求解出Z″j(1≤j≤n-1)
    h j / ( h j + h j + 1 ) * Z j - 1 + 2 * Z j + h j + 1 / ( h j + h j + 1 ) * Z j + 1 = + 6 h j + h j + 1 * ( Z j + 1 - Z j - 1 h j + 1 - Z j - Z j - 1 h j ) , ( 1 j n - 1 ) Z 0 = 0 , Z n = 0 - - - ( 4 ) ]]>
    第5步:在Y轴方向网格建立关于水深数据的插值函数。
    定义Zp(Y)表示当东向距离为Xp时,水深关于Y的插值函数。Zp(Y)的计算 方法如公式(5)所示。
    Zp(Y)=(Yj-Y)3/6hj*Z″j-1
    +(Y-Yj-1)3/6hj*Z″j                     (5)
    +(Zj-1-Z″j-1*hj2/6)*(Yj-Y)/hj
    式中,定义hj=Yj-Yj-1(1≤j≤n-1);;
    其中,Z″j(1≤j≤n-1)为待定系数,表示该点的二阶导数。
    为了计算Z″j(1≤j≤n-1),建立方程组(6),方程组中Zj(1≤j≤n-1)为已知量, Z″j(1≤j≤n-1)为未知量,方程个数未知量个数,能够求解出Z″j(1≤j≤n-1)
    h j / ( h j + h j + 1 ) * Z j - 1 + 2 * Z j + h j + 1 / ( h j + h j + 1 ) * Z j + 1 = + 6 h j + h j + 1 * ( Z j + 1 - Z j - 1 h j + 1 - Z j - Z j - 1 h j ) , ( 1 j n - 1 ) Z 0 = 0 , Z n = 0 - - - ( 6 ) ]]>
    第6步:将Y轴方向和X轴方向的网格数据进行数据融合。
    对于测量点(Xp,Yq,Z),定义它的PY表示Y轴插值曲线的影响因子,PX表示 X轴插值曲线影响因子,深度Z的计算公式如公式(7)所示。
    Z=PY*Zp(Y)+PX*Zq(X)(7)
    设定邻域半径为R(R值根据实际情况进行设定),统计在距离点(Xp,Yq,Z)小于 半径R的X方向坐标点数为NX,Y方向坐标点数为NY,那么定义
    P X = N x N x + N Y P Y = N Y N x + N Y ]]>
    第7步:将融合的数据再使用Delaunay算法进行处理,在图形工作站计算 机上利用Vega的Creator软件生成海底地形数据。

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