MB-TerrainSim: 多波束声呐海底地形采集仿真工具

Multibeam Bathymetric Terrain Simulation Toolkit

本工具用于实现多波束声呐对海底地形的模拟采集。通过仿真AUV运动并模拟多波束声呐扫测过程，生成适用于水下SLAM研究的仿真数据集。

原理简介

本工具的主要工作原理包括：

1. 路径处理：对AUV轨迹进行降采样和坐标变换，并模拟INS误差
2. 多波束仿真：基于声呐参数（扇面角度、测距等）进行扫测仿真
3. 子图生成：将采集数据分割为多个子图，并进行坐标系转换
4. 数据导出：生成TXT和PCD格式的点云数据，便于后续处理

运行方法

方法一：一体化处理（推荐）

使用main.m进行一站式处理：

% 1. 配置参数（可选）
params.target_points = 70000;      % 降采样目标点数
params.scale_factor = 6;           % 坐标缩放系数
params.error = struct(...          % INS误差参数
    'line_std', [0.03, 0.05],     % 直线段误差
    'turn_std', [0.0005, 0.02],   % 转弯段误差
    'cumulative', [0.019, 0.0025];     % 累积误差因子 [x, y]
    'turn_factor', [0.01, 0.01];       % 转弯误差系数 [x, y]
    'o_error_fraction', 0.03;         % 无误差路径比例
    'window_size', 40                 % 滑动窗口大小
);

% 2. 运行主程序
main()

方法二：分步处理

1. 数据预处理：

run('dataPreproccess.m')

2. 多波束仿真：

run('main_multibeamSimulink.m')

3. 后处理生成子图：

run('dataPostproccess_createSubmap.m')

需要注意传递数据的名称(时间戳前缀)

输入数据要求

• 地形数据：MapPoint_900_900.mat（包含X、Y、Z三个矩阵）
• 路径数据：PathFollowing_1.mat（包含AUV轨迹点）

输出说明

程序运行后在Data目录下生成以下文件：

1. YYMMDD_Processed_path_data.mat：处理后的AUV路径
2. YYMMDD_Ins_path_simulated_data.mat：模拟的INS路径
3. YYMMDD_recoder.mat：多波束采集记录
4. YYMMDD_sub_maps/：子图数据
   • TXT_sub_maps/：TXT格式子图
   • PCD_sub_maps/：PCD格式子图

依赖项

• MATLAB R2020a或更高版本
• Computer Vision Toolbox（用于点云处理）

参数配置说明

路径处理参数

params.target_points = 70000;      % 降采样后的目标点数，影响采样精度
params.scale_factor = 6;           % 坐标缩放系数，用于调整地图尺度

INS误差模拟参数

params.error.line_std = [0.03, 0.05];          % 直线段x/y方向标准差
params.error.turn_std = [0.0005, 0.02];        % 转弯段x/y方向标准差
params.error.cumulative = [0.019, 0.0025];     % x/y方向累积误差因子
params.error.turn_factor = [0.01, 0.01];       % 转弯误差x/y方向系数
params.error.no_error_fraction = 0.03;         % 起始无误差段比例
params.error.window_size = 40;                 % 平滑窗口大小

多波束声呐参数

SONAR_DEPTH = 0;        % 声呐深度（米）
SONAR_RANGE = 100;      % 最大探测距离（米）
SONAR_ANGLE = 60;       % 单侧扇面角度（度）
SONAR_BEAM_NUM = 256;   % 波束数量

版本管理

v1.3.0 (250104)

• ✨ 新增功能：
  • 添加了完整的INS误差模拟模块
  • 支持PCD格式点云数据输出
  • 新增多种数据可视化选项
• 🔧 优化改进：
  • 重构了路径处理模块，提高计算效率
  • 优化了子图生成算法
  • 改进了参数配置接口
• 🐛 问题修复：
  • 修复了坐标转换中的精度损失问题
  • 解决了大规模数据处理时的内存泄漏
  • 修复了点云数据索引错误

v1.2.0 (241230)

• ✨ 新增功能：
  • 实现基于实验数据的INS误差模拟
  • 添加数据预处理模块
  • 新增路径可视化功能
• 🔧 优化改进：
  • 改进降采样算法
  • 优化数据存储结构

v1.1.0 (241219)

• ✨ 新增功能：
  • 实现子图自动生成
  • 添加数据后处理模块
  • 支持TXT格式数据导出
• 🔧 优化改进：
  • 优化多波束模拟算法
  • 改进数据输出格式

v1.0.0 (241216)

• 🎉 初始版本发布：
  • 基础多波束声呐仿真功能
  • 简单路径处理
  • 基本数据可视化

开发计划

• 优化INS路径噪声模拟算法

文件结构

├── main.m                             # 主程序入口
├── simulateMultibeam.m               # 多波束仿真核心函数
├── preprocessData.m                  # 数据预处理函数
├── postprocessData.m                 # 数据后处理函数
├── utils/                           # 工具函数目录
│   ├── multibeam.m                  # 多波束模型实现
│   ├── generateSimulatedInsPath.m   # INS误差生成
│   ├── createSubmap.m               # 子图生成算法
│   └── ...
└── Data/                           # 数据目录
    ├── MapPoint_900_900.mat        # 地形数据
    └── PathFollowing_1.mat         # 路径数据

使用建议

1. 参数调优

   • 根据实际需求调整target_points以平衡精度和计算效率
   • 通过error参数模拟不同精度等级的INS系统
   • 调整SONAR_ANGLE和SONAR_BEAM_NUM以匹配实际声呐设备

2. 数据预处理

   • 确保输入地形数据范围合适
   • 检查AUV路径是否覆盖目标区域
   • 路径降采样率会影响仿真精度

3. 性能优化

   • 对于大规模数据，建议增加内存分配
   • 可通过并行计算加速处理
   • 适当调整子图大小以优化后续SLAM处理

常见问题

1. 内存不足

   • 减小target_points
   • 降低地形数据分辨率
   • 分批处理大型数据集

2. 精度问题

   • 检查坐标系统是否统一
   • 确认INS误差参数合理性
   • 验证声呐参数设置

3. 数据导出

   • 确保输出目录具有写入权限
   • 检查磁盘空间是否充足
   • 验证PCD文件格式兼容性

联系方式

• 作者：Chihong
• 邮箱：[email protected]
• 项目地址：MB-TerrainSim