专利示意图

一、技术领域

水下定位与地图构建技术领域

二、专利介绍

1.专利信息

专利类型：发明

专利权人：清华大学深圳国际研究生院

申请号：202210050577.8

发明人：李强、王凯甬、舒明瑞、荆宏政、李雪萌、陈文颖、郑宇

2.专利说明书摘要

本发明提供一种水下航行器同步定位与建图方法及水下航行器，方法包括：S1：采用多波束图像声呐获取被测区域的传感数据，所述多波束图像声呐设置在水下航行器上；S2：根据所述传感数据估计所述多波束图像声呐的实时的姿态信息；S3：采用非线性优化算法对所述实时的姿态信息进行整合得到所述多波束图像声呐的第一轨迹和第一地图。以多波束图像声呐为传感器基础，建立适用于实际海洋环境的SLAM技术及其算法，实现航行器在自身位置不确定的条件下，在完全未知环境中创建地图，同时利用地图进行自主定位和导航的问题。

3.痛点问题

（1）基于多波束声呐的水下SLAM方法的技术优势明显，它可以实现将一个水下航行器放入未知环境中的未知位置，使其机器人边移动边逐步描绘出此环境完全的地图，进行定位与建图。在海洋这样广袤和复杂的巨大环境中，缺少预期作业区域的地图或地形信息的情况极为普遍，SLAM技术具有较好的普适性。航行器所工作的海洋环境往往是未知的海域，不便事先大量布置海底信标，这时传统的定位方式便存在局限性，需要更加智能的SLAM技术来完成航行器自主定位和智能决策。

在海洋环境中，水下环境的情况和地面环境的情况差异极大。传统的光学感知传感器如光学摄像头、红外传感器和激光雷达，由于水下电磁波衰减剧烈，工作范围十分受限。因此，在水下感知方面选择更适合在海洋环境中使用的多波束图像声呐，它具有更远的视距，能够在漆黑无光的海底水域工作，能够探测到海底沉积物之下的地形地貌特征和人造结构体特征。

4.技术优势

一种基于多波束声呐的水下航行器SLAM方法。以多波束图像声呐为传感器基础，建立适用于实际海洋环境的SLAM技术及其算法，解决航行器需要在自身位置不确定的条件下，在完全未知环境中创建地图，同时利用地图进行自主定位和导航的问题。

所要解决以下技术问题：

（1）解决新型水声感知传感器应用的问题。在传感器选择方面，使用了多波束图像前视声呐，不同于传统情况下地面SLAM技术中的光学相机和激光雷达，使之更适合海洋的实际环境。感知方式的不同，传感器形式的不同，设计一套适应多波束图像声呐的SLAM方案，包括感知数据的读取和处理、前端、后端、回环检测和建图等相应改进。

（2）解决水下环境特征不明显带给SLAM中的感知难题。多波束图像声呐相当于光学相机，能够在水下感知更大范围内的环境特征，其水下视距远大于光学相机，能获取较大面积的范围感知信息，解决水下环境水下的特征不明显的问题。同时水下环境与地面环境中较为明显的特征情况相比是有较大差异的，同时存在着的大量的干扰以及声呐噪声，加大了水下声呐图像处理的难度和效果。通过系列算法，解决水下环境特征不明显带给SLAM中的感知难题。

（3）解决水下SLAM中的多传感器融合问题。地面SLAM中有GPS、气压计等其他传感器辅助；然而水下是无GPS信号的无源环境，水下的定位传感器有IMU（惯性导航单元）、DVL（多普勒对底流速仪）、深度计（水深压力计）等与地面环境中的定位传感器存在差异，这些水下定位传感器与水下SLAM的融合，能提升海洋航行器的定位精度和建图效果。

三、产业化信息

1.应用场景

水下航行器在广袤海域中航行，获取准确的定位信息是关键。目前，较为成熟的水下定位方式主要有以下几类：第一类是依托惯性传感器（IMU），通过测量物体三轴姿态角以及加速度来计算定位信息，该类方法的优势是仅凭借IMU而无需外源信息辅助即可实现定位，劣势是IMU的惯性传感器会有误差累计效应，随着时间的增长，定位误差增加，精度漂移较大。第二类是依托声学基线系统，主要有长、短、超短基线，一般通过水下事先安装有应答基阵，航行器载体上安装有发射基阵，通过声学信号传播时延差，列出解算方程，最终确定被测载体的三维位置坐标。第三类是依托多普勒速度仪（DVL），通过声学多普勒效应来测量航行器对海底的相对速度，以此来实现定位。第四类是依托重力、磁场等无源定位的方式，适用于水下环境的物理场变化较为显著的区域，当航行体行驶至该目标区域时，可以使用外部相关信息来及时修正定位误差，但是缺乏普适性，无法适用于绝大多数的海域情况中。

2.商业价值

与传统的水下航行器的各类定位方法相比，本发明通过多波束声呐对海洋环境进行感知，通过SLAM智能算法，综合处理声呐获取的海洋环境信息，进行海洋环境地图构建和定位。它可以实现将一个水下航行器放入未知环境中的未知位置，使其机器人边移动边逐步描绘出此环境完全的地图，进行定位与建图。在海洋这样广袤和复杂的巨大环境中，缺少预期作业区域的地图或地形信息的情况极为普遍，SLAM技术具有较好的普适性。航行器所工作的海洋环境往往是未知的海域，也是不便事先大量布置海底信标的区域，这时传统的定位方式便存在局限性，需要更加智能的SLAM技术来完成航行器自主定位和智能决策。而传统的水下定位方式中IMU的惯性传感器会有误差累计效应，声学基线系统要事先布置海底声学信标，而依托重力、磁场等无源定位的方式，局限性较大，无法适用于绝大多数的海域情况中。

多波束图像声呐优势在于：相较于光学摄像头，多波束图像声呐在水下具有更远的视距，能够在漆黑无光的海底水域工作，能够探测到海底沉积物之下的地形地貌特征和人造结构物特征，更适应海洋环境。

3.发展规划

该技术未来可应用至海洋无人定位与建图，实现海底信息智能感知与计算，快速提高我国在海洋观测领域的水平。

4.合作方式

横向、技术转让、技术许可、合作兴办企业等。

注:所有成果未经授权，请勿转载

联系方式：ttc@sz.tsinghua.edu.cn