声纳图像水下管线检测与跟踪技术研究

论文摘要

几十年以来,为更充分的利用海洋资源,人类在海底铺设了大量的能源输送管道和信息通信线缆。海底管线的正常工作,是海上油气与跨国通信的重要保障。由于海底施工、自然腐蚀和其他种种原因,海底管线易破损甚至断裂,造成经济和环境上的重大损失。因此,需要水下机器人对海底管线进行定期跟踪检查。利用侧扫声纳采集海底信息,通过图像处理算法检测出管线的位置和走向,并引导水下机器人对管线跟踪是本文的主要研究内容,具体如下:(1)研究侧扫声纳图像管线检测系统与图像预处理。首先,介绍管线检测与跟踪系统结构;其次,分析侧扫声纳成像原理与影响声纳图像质量的因素;然后,介绍水下管线系统模型;最后,研究均值滤波、中值滤波、高斯滤波去除声纳图像噪声的方法。实验结果表明,高斯滤波对声纳图像滤波的效果最佳。(2)研究二维平均恒虚警率的管线检测方法。首先,介绍在高斯噪声条件下的二维平均恒虚警率算法,在计算参考单元平均值时,需要反复提取像素灰度值,从而耗费大量的计算时间,本文研究采用积分矩阵加速计算;其次,采取形态学方法平滑管线边缘,并根据二值图连通区域离心率指标去除虚警;最后,通过Hough变换检测管线边缘,拟合得出管线的位置与走向。实验结果表明,该方法能有效检测出声纳图像中的管线目标。(3)提出矩形和十字形检测结构的二维平均恒虚警率算法。首先,根据管线的形状特征,研究矩形检测结构。相对于正方形检测结构,矩形检测结构在检测管线目标时具有较低的阈值,从而有效提取图像中的管线。十字形检测结构在矩形检测结构基础上,利用左右方向与上下方向参考单元灰度平均值之比,改善声纳图像野值点造成的管线像素缺失的问题。实验结果表明,本文提出的方法能更完整的检测出管线目标。(4)研究类PID的水下机器人管线跟踪方法。首先,根据水下机器人与管线的相对位置,制定快速接近管线并慢速跟踪管线的策略;然后,利用卡尔曼滤波确定管线位置。实验结果表明本文方法能有效控制水下机器人跟踪管线。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 管线检测国内外研究现状
•     1.2.1 国外研究现状
•     1.2.2 国内研究现状
•   1.3 恒虚警率算法研究现状
•   1.4 管线跟踪研究现状
•   1.5 论文研究内容及组织结构
• 第2章 侧扫声纳管线检测系统与图像预处理
•   2.1 侧扫声纳检测与跟踪系统
•   2.2 侧扫声纳成像原理
•     2.2.1 侧扫声纳组成部分
•     2.2.2 侧扫声纳瀑布图显示
•   2.3 影响声纳图像的因素
•   2.4 管线模型
•   2.5 图像滤波
•     2.5.1 均值滤波
•     2.5.2 中值滤波
•     2.5.3 高斯滤波
•     2.5.4 滤波结果比较
•   2.6 本章小结
• 第3章 二维平均恒虚警率的管线检测方法
•   3.1 常用的图像分割方法
•   3.2 一维平均恒虚警率
•     3.2.1 检测结构
•     3.2.2 乘法器系数α
•   3.3 二维平均恒虚警率
•     3.3.1 检测结构
•     3.3.2 积分的方式计算
•     3.3.3 算法流程
•   3.4 去除虚警
•     3.4.1 形态学处理
•     3.4.2 去除虚警
•   3.5 管线拟合
•     3.5.1 边缘检测
•     3.5.2 管线拟合
•   3.6 实验结果与分析
•   3.7 本章小结
• 第4章 改进的二维平均恒虚警率算法
•   4.1 矩形检测结构的二维平均恒虚警率算法
•     4.1.1 矩形检测结构
•     4.1.2 阈值比较
•   4.2 十字形检测结构的二维平均恒虚警率算法
•     4.2.1 十字形检测结构
•     4.2.2 算法步骤
•   4.3 实验结果与分析
•     4.3.1 三种检测结构管线检测结果对比
• 1、R₂、P对实验结果的影响'>    4.3.2 R₁、R₂、P对实验结果的影响
•   4.4 本章小结
• 第5章 管线跟踪
•   5.1 PID控制算法
•   5.2 AUV方向控制
•     5.1.1 AUV方向背离管线
•     5.1.2 AUV方向朝向管线
•   5.3 AUV速度控制
•   5.4 卡尔曼滤波的管线定位
•   5.5 实验结果与分析
•     5.5.1 管线跟踪实验
• d对管线跟踪结果的影响'>    5.5.2 距离阈值T_d对管线跟踪结果的影响
•   5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 丁安

导师: 马国军

关键词: 管线检测与跟踪,二维平均恒虚警率,矩形检测结构,十字形检测结构,卡尔曼滤波

来源: 江苏科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 海洋学,计算机软件及计算机应用

单位: 江苏科技大学

分类号: TP391.41;P756.2

总页数: 75

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