一种自主式水下机器人的光学引导回收系统及其回收方法技术方案

本发明专利技术公开了一种自主式水下机器人的光学引导回收系统及其回收方法。自主式水下机器人对线型引导光源阵列进行梳状搜索，在发现引导光源后计算其三维空间坐标，根据引导光源的数量自适应地采用视线法或横向轨迹偏差法规划目标艏向角，并基于模糊PID控制器和S面控制器设计了两层跟踪控制体系。本发明专利技术使自主式水下机器人能够实现高可靠性、高鲁棒性、高成功率的水下自主对接，可通过增加光源阵列的长度得到满足实际应用需求的有效引导距离。

【技术实现步骤摘要】
一种自主式水下机器人的光学引导回收系统及其回收方法
本专利技术属于水下机器人回收领域，尤其涉及利用线型光源阵列引导的，一种自主式水下机器人的光学引导回收系统及其回收方法。
技术介绍
近年来海洋经济开发在世界各国得到了重视，自主式水下机器人(AutonomousUnderwaterVehicle,AUV)具有作业效率高、连续航程远、智能化水平高、生产成本低的显著优势，在海洋生态研究、海洋地质科学、水文地理勘察、海底沉物搜索、油气管线检测等领域得到了越来越广泛的应用。然而在目前的科学技术水平条件下，自主式水下机器人的大规模应用仍然受到了能源技术、通信方式、海况条件等因素的制约，在作业过程中需要定期回收到支持母船上进行能源补充、数据传输、任务下载等操作，并且在较恶劣的海况下无法进行布放和回收作业。因此，发展自主式水下机器人的回收技术，使自主式水下机器人能够在水下进行能源补充、数据传输、任务下载等操作，从而显著提高在高海况下全天候的的作业能力、续航能力和作业效率，为自主式水下机器人技术的产业化和大规模应用奠定重要的技术基础，对推动海洋资源的开发利用和海洋经济的发展具有重要意义。美国Hydroid公司利用REMUS100AUV研制了圆锥导向罩式的对接回收系统，该系统采用高精度数字超短基线(Ultra-shortBaseLine,USBL)作为引导定位传感器，有效引导距离可达3000米，分辨能力小于0.5°，目前已经完成了海上对接试验，成功率达到77％以上，但USBL引导方式存在信号多径效应引起的相位模糊，在近距离(10米以内)的引导定位精度较差造成对接成功率下降。美国伍兹霍尔海洋研究所和麻省理工学院联合研制了OdysseyIIBAUV水下对接回收系统，采用了以杆为捕捉目标的对接方式和电磁传感器引导定位方式，但系统结构比较复杂，需要对AUV进行改造，电磁传感器较易受到地磁场和海底局部磁场的干扰。韩国的KORDI研究所在ISiMIAUV基础上研制了圆锥导向罩式的对接回收系统，该系统在对接装置的环形外缘安装5只引导光源，AUV通过CCD摄像机和内部的图像处理单元实现对引导光源位置的估算，采用视觉伺服控制方法引导AUV进入对接机构，该系统的特点是在近距离(30米以内)的引导定位精度较高，但有效作用距离相对较近。新加坡国立大学的KenTeo等人研制了DSOAUV水下对接回收系统，采用了圆锥导向罩式的对接结构，考虑到波浪和海流的扰动作用，采用USBL和多普勒速度计(DVL)进行导航数据融合，在实际海上试验中成功进行了数次对接。对相关文献资料的综合分析表明，现有的水下回收方法均存在一定的局限性，无法满足在海洋环境下实际应用的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可靠性高的，一种自主式水下机器人的光学引导回收系统。本专利技术的目的好包括提供一种鲁棒性高、成功率高的一种自主式水下机器人的光学引导回收方法。一种自主式水下机器人的光学引导回收系统，包括自主式水下机器人和引导回收平台；自主式水下机器人具有典型的舵翼联合操控的欠驱动形式，自主式水下机器人艏部安装有光学摄像机，自主式水下机器人后部安装有高度计，自主式水下机器人的密封舱中搭载光学图像处理单元和运动控制单元，光学图像处理单元采集光学摄像机的图像数据并进行处理，运动控制单元采集高度计的数据并转发给图像处理单元，光学图像处理单元和运动控制单元进行信息交互；引导回收平台上安装有标记对接回收位置的引导光源，引导回收平台上安装有刚性杆状构件，刚性杆状构件一端位于导引回收平台上，另一端延伸出导引回收平台外，刚性杆状构件上安装有线型光源阵列和动力定位装置。本专利技术一种自主式水下机器人的光学引导回收系统，还可以包括：引导光源为四只呈菱形排列的发光二极管。一种自主式水下机器人的光学引导回收方法，包括以下步骤，步骤一：自主式水下机器人在引导回收平台附近进行梳状搜索，图像处理单元通过光学摄像机采集图像并进行处理，判断是否发现引导光源，若为否，继续进行梳状搜索，若为是，转至步骤二；步骤二：图像处理单元采集一帧图像并计算出引导光源的三维空间坐标，若引导光源数量为1，转至第三步，若引导光源数量不小于2，转至第四步；步骤三：根据引导光源的三维空间坐标，运动控制单元采用视线法调整自主式水下机器人的艏向角，调整完成后转至步骤二；步骤四：判断引导光源的排列形式，若呈直线型排列，转至步骤五，若呈菱形排列，转至步骤六；步骤五：运动控制单元采用横向轨迹偏差法调整自主式水下机器人的艏向角，调整完成后转至步骤二；步骤六：自主式水下机器人到达引导回收平台上方预定对接回收位置，实现回收。一种自主式水下机器人的光学引导回收方法，还可以包括：1、判断是否发现引导光源的方法为：(1)图像处理单元通过光学摄像机采集一帧图像，并将其由彩色图像转换为灰度图像I，像素在转换后的灰度图像中具有的灰度值f，f＝0.2·r+0.5·g+0.3·b其中r、g、b分别是彩色图像中每个像素的红、绿、蓝色彩分量；(2)对图像I采用大津阈值分割法进行初步分割得到二值图像B；(3)修正阈值T，得到最终分割图像其中T0是大津阈值分割法得到的初始阈值，T是修正后的对图像I进行分割的阈值，p为B中值为1的像素所占的百分比；(4)对采用区域生长算法得到待选光源区域Ci，其中i是区域编号且i＝1,2,3,…，Ci的圆形度R(Ci)为：其中π代表圆周率，S(Ci)是区域Ci的面积，L(Ci)是区域Ci的周长；将区域Ci的面积S(Ci)大于10且区域Ci的圆形度R(Ci)属于实数区间[0.9,1.1]的待选光源区域作为有效光源区域保留，移除不符合上述条件的其他区域；若的数量不为0，则可判断图像中出现了有效的引导光源。2、计算出引导光源的三维空间坐标的方法为：计算图像中的有效光源区域中心坐标其中j是属于有效光源区域的像素，像素坐标为(xj,yj)且灰度值为fj，则对应的引导光源与机器人坐标系的x-z平面的方位夹角为：引导光源与机器人坐标系x-y平面的方位夹角θi为：其中(x0,y0)是图像I的中心坐标，W是摄像机的视场角，θ0是光学摄像机与水平面的安装角度；计算引导光源的三维空间坐标[xi,yi,zi]T：其中，h是自主式水下机器人距引导回收平台的高度。3、运动控制单元采用视线法调整自主式水下机器人的艏向角为：其中η0是自主式水下机器人的当前艏向角。4、横向轨迹偏差法调整自主式水下机器人的艏向角的方法为：采用最小二乘法计算引导光源所在的直线方程：y＝k·x+a其中x和y是坐标变量，k和a分别代表直线的斜率和截距，n是引导光源的数量，运动控制单元采用横向轨迹偏差法调整自主式水下机器人的艏向角，其距离引导光源所在直线的横向轨迹偏差ε的为：对横向轨迹偏差的控制采用包含顶层航向控制和底层执行控制的两层跟踪控制体系，对于航向控制采用模糊PID控制器输出目标艏向角，对于执行控制采用S面控制器操作舵翼和推进器，使自主式水下机器人达到期望的位置。有益效果：(1)本专利技术采用线型引导光源阵列的形式，可根据实际应用需求延长阵列的长度以达到合适的有效引导距离，并且有利于欠驱动形式的自主式水下机器人调整艏向角沿光源阵列航行到达引导回收平台，保证了回收过程的高精确性和高可靠性；(2)本专利技术中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自主式水下机器人的光学引导回收系统，其特征在于：包括自主式水下机器人和引导回收平台；自主式水下机器人具有典型的舵翼联合操控的欠驱动形式，自主式水下机器人艏部安装有光学摄像机，自主式水下机器人后部安装有高度计，自主式水下机器人的密封舱中搭载光学图像处理单元和运动控制单元，光学图像处理单元采集光学摄像机的图像数据并进行处理，运动控制单元采集高度计的数据并转发给图像处理单元，光学图像处理单元和运动控制单元进行信息交互；引导回收平台上安装有标记对接回收位置的引导光源，引导回收平台上安装有刚性杆状构件，刚性杆状构件一端位于导引回收平台上，另一端延伸出导引回收平台外，刚性杆状构件上安装有线型光源阵列和动力定位装置。

【技术特征摘要】
1.一种自主式水下机器人的光学引导回收系统，其特征在于：包括自主式水下机器人和引导回收平台；自主式水下机器人具有典型的舵翼联合操控的欠驱动形式，自主式水下机器人艏部安装有光学摄像机，自主式水下机器人后部安装有高度计，自主式水下机器人的密封舱中搭载光学图像处理单元和运动控制单元，光学图像处理单元采集光学摄像机的图像数据并进行处理，运动控制单元采集高度计的数据并转发给图像处理单元，光学图像处理单元和运动控制单元进行信息交互；引导回收平台上安装有标记对接回收位置的引导光源，引导回收平台上安装有刚性杆状构件，刚性杆状构件一端位于导引回收平台上，另一端延伸出导引回收平台外，刚性杆状构件上安装有线型光源阵列和动力定位装置；自主式水下机器人的光学引导回收系统的回收方法，包括以下步骤，步骤一：自主式水下机器人在引导回收平台附近进行梳状搜索，图像处理单元通过光学摄像机采集图像并进行处理，判断是否发现引导光源，若为否，继续进行梳状搜索，若为是，转至步骤二；步骤二：图像处理单元采集一帧图像并计算出引导光源的三维空间坐标，若引导光源数量为1，转至第三步，若引导光源数量不小于2，转至第四步；步骤三：根据引导光源的三维空间坐标，运动控制单元采用视线法调整自主式水下机器人的艏向角，调整完成后转至步骤二；步骤四：判断引导光源的排列形式，若呈直线型排列，转至步骤五，若呈菱形排列，转至步骤六；步骤五：运动控制单元采用横向轨迹偏差法调整自主式水下机器人的艏向角，调整完成后转至步骤二；步骤六：自主式水下机器人到达引导回收平台上方预定对接回收位置，实现回收；所述判断是否发现引导光源的方法为：(1)图像处理单元通过光学摄像机采集一帧图像，并将其由彩色图像转换为灰度图像I，像素在转换后的灰度图像中具有的灰度值f，f＝0.2·r+0.5·g+0.3·b其中r、g、b分别是彩色图像中每个像素的红、绿、蓝色彩分量；(2)对图像I采用大津阈值分割法进行初步分割得到二值图像B；(3)修正阈值T，得到最终分割图像其中T0是大津阈值分割法得到的初始阈值，T是修正后的对图像I进行分割的阈值，p为B中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王博，姜言清，曹建，李晔，李一鸣，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23