水下目标的声探测与跟踪技术研究

论文摘要

水下目标声探测与跟踪技术是水下机器人视觉领域的一个重要研究内容,是AUV运动导航和水下作业的关键技术之一,是实现水下机器人避碰作业的前提。本论文主要有两项任务:一是以前视声纳为基础,在pc/104硬件平台上,利用图像处理及跟踪软件模块,开发基于实时嵌入式操作系统VxWorks的声视觉系统软件。二是考虑到粒子滤波在图像跟踪领域的发展趋势,以及粒子滤波的强鲁棒性,着重研究基于粒子滤波的声纳图像跟踪技术。本文具体工作内容如下:首先,综述了国内外水下目标声探测的发展趋势以及研究现状。其次,介绍了micron DST型声纳系统的软硬件和数据格式,并对声纳数据格式进行了分析。本文首要工作是开发基于VxWorks的声视觉系统软件,它包括了:通过串口通信实现对声纳控制命令的传输;声纳数据采集模块的实现;声图像数据的实时处理,使用图像处理以及跟踪算法如:坐标变换、波束内插、灰度级变换、中值滤波、图像分割、全局匹配等算法,完成对运动目标的检测以及跟踪;设计socket网络编程接口与仿真机相连,从而进行仿真调试;设计网络文件系统(NFS)与主控机相连,向主控机传输目标信息。在本文的最后,重点研究了基于粒子滤波的声纳图像跟踪算法。以平移运动模型为例说明了粒子滤波跟踪的流程;同时为了提高跟踪的稳健性,还采取了自适应调整噪声方差的方法:最后通过试验对这些算法以及方法进行了验证,证明了基于粒子滤波跟踪所表现出来的强鲁棒性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 声纳技术简介
• 1.3 水声图像处理技术
• 1.4 运动目标跟踪方法
• 1.4.1 基于检测的方法
• 1.4.2 基于识别的方法
• 1.5 本论文的主要工作内容
• 第2章 前视声纳系统概述
• 2.1 引言
• 2.2 Micron DST型前视声纳介绍
• 2.3 Mieron DST型前视声纳的命令和消息的数据格式分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于vxworks水下目标声探测软件开发
• 3.1 引言
• 3.2 VxWorks操作系统概述
• 3.3 基于VxWorks水下目标声探测软件的实现
• 3.3.1 软件信息通信的实现
• 3.3.2 前视声纳回波数据的预处理
• 3.3.3 水下运动目标的检测
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于粒子滤波的声图像跟踪
• 4.1 引言
• 4.2 贝叶斯滤波与粒子滤波器
• 4.2.1 贝叶斯滤波原理
• 4.2.2 贝叶斯重要性采样（BIS）
• 4.3 基于粒子滤波的声视觉跟踪
• 4.3.1 跟踪的方法及目的
• 4.3.2 目标的先验知识
• 4.3.3 系统的状态转移
• 4.3.4 系统观测
• 4.3.5 粒子重采样
• 4.3.6 后验概率计算
• 4.3.7 目标跟踪的稳健性增强
• 4.4 粒子滤波声纳图像跟踪算法流程
• 4.5 跟踪试验及结果分析
• 4.5.1 简单的粒子滤波跟踪实验
• 4.5.2 增加了跟踪稳健性的粒子滤波跟踪实验
• 4.5.3 目标消失跟踪实验
• 4.6 粒子传播半径对跟踪精度的影响
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的科研成果
• 致谢