一种单目视觉水下航行器导航定位校正方法技术

本发明专利技术涉及水下目标定位技术领域，具体涉及一种单目视觉水下航行器导航定位校正方法。通过将航行器航行到预定校正区域，根据视觉系统追踪到水下标志物；调整航行器姿态，控制航行器向水下标志物航行一段距离，根据视觉系统采集图像信息，根据航位推算系统记录航行器位置、位移及姿态信息；通过将航行器围绕水下标志物运动至其他不同位置，重复操作；通过视觉系统的输出信息以及航位推算子系统的输出信息，进行回归优化分析计算；通过计算水下航行器的导航定位校正值，完成导航定位校正。本发明专利技术具有成本低、精度高、方便灵活等特点。

A Navigation and Location Correction Method for Underwater Vehicle Based on Monocular Vision

The invention relates to the technical field of underwater target positioning, in particular to a monocular vision navigation positioning correction method for underwater vehicle. By navigating the vehicle to a predetermined correction area and tracking the underwater markers according to the visual system, adjusting the attitude of the vehicle, controlling the vehicle to navigate a certain distance to the underwater markers, collecting image information according to the visual system, recording the position, displacement and attitude information of the vehicle according to the dead reckoning system, and moving the vehicle around the underwater markers to other different positions. Repeated operation; regression optimization analysis and calculation are carried out through the output information of visual system and the output information of dead reckoning operator system; navigation and positioning correction is completed by calculating the navigation and positioning correction value of underwater vehicle. The invention has the advantages of low cost, high precision, convenience and flexibility.

【技术实现步骤摘要】
一种单目视觉水下航行器导航定位校正方法
本专利技术涉及水下目标定位
，具体涉及一种单目视觉水下航行器导航定位校正方法。
技术介绍
水下导航是水下航行器的关键技术之一，现有的水下导航技术主要有：航位推算、惯性导航以及水下声学定位等。由于惯性导航系统一般体积较大，价格昂贵，定位误差随时间不断积累；水下声学定位方法通过水下传感器网络实现，水下传感器网络使用声波通信，传播介质是水，这与无线电波在空中传播有显著的不同，它具有高时延，时延不断动态变化的特点，水声信号传播面临着衰减大、通信信道带宽低、多径效应严重、误码率高等问题，水下声学定位系统通常价格昂贵，安装校准耗时长要求高，作用距离有限。因此，航位推算由于其经济性、高效性仍然是目前水下航行器的主流导航算法之一，但其精度受传感器性能影响较大，同时存在时延累计误差。因此，在远距离航行或开展定位精度要求很高的水下作业时，需要通过外部手段进行定位校正。目前的定位系统有它们自身的缺陷，不能够为在重要的水下任务中追踪水下航行器提供足够精确的定位。首先，通过单次的信号到达时间差得出的定位存在很大的误差，这种误差主要是由于环境的噪声造成的。其次，在现有的基于距离的定位系统中，定位方法都假定水下声音传播的速度是恒定为1500m/s，同时，这些方法还假定在水下三维环境中，声音是沿着直线传播的。但是，这些假设都有一定的局限性，在对定位精度要求比较高的水下任务中是不能够成立的。通过水下声学定位对航位推算进行修正是目前常用的方法之一，但其成本高、安装校准复杂，更为重要的是水下环境复杂容易造成水下声波的多次反射、“混响”，从而严重影响其定位精度；声学定位的时延性使其无法实现连续定位；定位能力存在盲区，系统的可靠性相对较差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种单目视觉水下航行器导航定位校正方法，具有成本低、精度高、使用方便简单等特点，可用于替代现有的水声定位导航校正技术。本专利技术实施例提供一种单目视觉水下航行器导航定位校正方法，包括：步骤一：通过将水下航行器航行到预定的定位校正区域，根据单目视觉辨识与量测子系统识别功能，追踪到水下标志物；步骤二：通过调整水下航行器姿态，控制水下航行器向步骤一所述的水下标志物航行一段距离，航行过程中，根据单目视觉辨识与量测子系统采集得到图像信息，根据航位推算子系统记录得到这段时间内水下航行器位置、水下航行器位移及水下航行器姿态信息；步骤三：通过将水下航行器围绕步骤一所述的水下标志物运动至其他不同位置，重复步骤二所述的全部操作，在所述的不同位置重复4次以上；步骤四：通过汇总单目视觉辨识与量测子系统的输出信息以及航位推算子系统的输出信息，进行回归优化分析计算，得到此时水下航行器相对步骤一所述的水下标志物的位置信息；步骤五：通过计算水下航行器的导航定位校正值，完成导航定位校正。所述步骤一，包括：通过将水下航行器航行到预定的定位校正区域，根据单目视觉辨识与量测子系统识别功能，追踪到已知位置信息的水下标志物；其中，所述的水下标志物的位置信息已知，记为X＝[x，y，z]，预定的水下标志物为人为布置或海底自然标志物，其具体大小可以未知，但其大小不超过视觉量测工作距离的所述步骤二，包括：通过调整水下航行器姿态，控制水下航行器向步骤一所述的水下标志物航行一段距离，航行过程中，根据单目视觉辨识与量测子系统采集得到图像信息，根据航位推算子系统记录得到这段时间内水下航行器位置、水下航行器位移及水下航行器姿态信息；其中，所述的得到这段时间内水下航行器位置、水下航行器位移及水下航行器姿态信息的具体方法为：第一步：调整水下航行器姿态，使摄像头朝向步骤一所述的水下标志物，采集并记录此时水下航行器的位置向量姿态角向量图像中水下标志物的置信度P、大小(w,h)；上式中，上标G表示相对于大地坐标系；第二步：控制水下航行器朝向步骤一所述的水下标志物航行Δt秒，记录此时水下航行器的位置信息、水下航行器的姿态角信息以及图像中步骤一所述的水下标志物信息；第三步：保持水下航行器姿态，重复第二步4次以上，采集记录此时水下航行器的位置向量姿态角向量Ai以及图像中水下标志物的大小(wi,hi)；上式中，角标i表示第i次采集到信息；第四步：根据视觉量测算法计算获得水下标志物距离摄像头坐标系下的位置向量摄像头朝向水下标志物时，标志物在视觉系统采集到图像的正中央，因此视觉量测算法为：如图2所示，航行器在O1处时，大小为|AB|的标志物在摄像机中的成像大小为|A1B1|，在O2处时其成像大小为|A2B2|，由几何关系得：上式中，s为航行器两次采样前后的位移，由航位推算获得，求解上式获得位置向量同理求解采样时的其他位置向量成像大小|AiBi|由图像中标志物的大小(wi,hi)按下式计算：上式中，dx、dy为摄像机中感光单元中单个像素的实际物理尺寸，其值通过摄像机标定求出；考虑到在安装时，摄像头坐标系与航行器随体坐标系之间存在安装偏差，则随体坐标系下标志物的位置向量由下式得：上式中，上标C表示相对于摄像机坐标系，表示安装偏角引起的旋转矩阵，表示安装位置偏移引起的偏移向量，其值在安装摄像头时确定。所述步骤三，包括：通过将水下航行器围绕步骤一所述的水下标志物运动至其他不同位置，重复步骤二所述的全部操作，在所述的不同位置重复4次以上；其中，所述的其他不同位置不在之前各采样点与标志物的连线上。所述步骤四，包括：通过汇总单目视觉辨识与量测子系统的输出信息以及航位推算子系统的输出信息，进行回归优化分析计算，得到此时水下航行器相对步骤一所述的水下标志物的位置信息；其中，所述的得到位置信息的具体方法为：(1)按下式计算出标志物在大地坐标下的位置向量上式中，表示航行器在航行过程中用于姿态角引起的旋转矩阵，其值在确定姿态角向量Ai后唯一确定，角标i表示第i次采集到信息；(2)由上式知，采集n次后计算获得n-1个标志物位置向量由于视觉量测存在误差，计算获得的值与实际已知标志物的位置向量X之间一定存在误差，利用遗传算法进行回归优化计算，获得最后一次采样时，标志物相对于摄像机坐标系下的位置向量遗传算法中待优化变量为适应度函数为：优化计算后获得最后一次采样时，标志物相对于摄像机坐标系下的位置向量所述步骤五，包括：通过计算水下航行器的导航定位校正值，完成导航定位校正；其中，所述的计算水下航行器的导航定位校正值具体方法为：计算水下航行器的导航定位校正值XA，即此时航行器相对于大地坐标系的位置的公式为：上式中，表示最后一次采集信息时，姿态角向量所确定的旋转矩阵。本专利技术的有益效果在于：1.一种利用单目视觉进行水下航行器导航定位校正的方法，仅利用一台水下摄像机即可实现航行器导航定位校正，具有成本低、精度高、方便灵活等特点；附图说明图1为本专利技术所述水下航行器和水下标志物的位置关系示意图；图2为本专利技术摄像头成像示意图；图3为本专利技术数据采集位置切换示意图；具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术做进一步描述：图1为本专利技术所述水下航行器和水下标志物的位置关系示意图；图2为本专利技术摄像头成像示意图；图3为本专利技术数据采集位置切换示意图。本专利技术的技术方案是这样实现的：本专利技术中单目视觉导航定位校正系统由4大子系统组成：(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单目视觉水下航行器导航定位校正方法，其特征在于，包括：步骤一：通过将水下航行器航行到预定的定位校正区域，根据单目视觉辨识与量测子系统识别功能，追踪到水下标志物；步骤二：通过调整水下航行器姿态，控制水下航行器向步骤一所述的水下标志物航行一段距离，航行过程中，根据单目视觉辨识与量测子系统采集得到图像信息，根据航位推算子系统记录得到这段时间内水下航行器位置、水下航行器位移及水下航行器姿态信息；步骤三：通过将水下航行器围绕步骤一所述的水下标志物运动至其他不同位置，重复步骤二所述的全部操作，在所述的不同位置重复4次以上；步骤四：通过汇总单目视觉辨识与量测子系统的输出信息以及航位推算子系统的输出信息，进行回归优化分析计算，得到此时水下航行器相对步骤一所述的水下标志物的位置信息；步骤五：通过计算水下航行器的导航定位校正值，完成导航定位校正。

【技术特征摘要】
1.一种单目视觉水下航行器导航定位校正方法，其特征在于，包括：步骤一：通过将水下航行器航行到预定的定位校正区域，根据单目视觉辨识与量测子系统识别功能，追踪到水下标志物；步骤二：通过调整水下航行器姿态，控制水下航行器向步骤一所述的水下标志物航行一段距离，航行过程中，根据单目视觉辨识与量测子系统采集得到图像信息，根据航位推算子系统记录得到这段时间内水下航行器位置、水下航行器位移及水下航行器姿态信息；步骤三：通过将水下航行器围绕步骤一所述的水下标志物运动至其他不同位置，重复步骤二所述的全部操作，在所述的不同位置重复4次以上；步骤四：通过汇总单目视觉辨识与量测子系统的输出信息以及航位推算子系统的输出信息，进行回归优化分析计算，得到此时水下航行器相对步骤一所述的水下标志物的位置信息；步骤五：通过计算水下航行器的导航定位校正值，完成导航定位校正。2.根据权利要求1所述的一种单目视觉水下航行器导航定位校正方法，其特征在于，所述步骤一，包括：通过将水下航行器航行到预定的定位校正区域，根据单目视觉辨识与量测子系统识别功能，追踪到已知位置信息的水下标志物；其中，所述的水下标志物的位置信息已知，记为X＝[x，y，z]，预定的水下标志物为人为布置或海底自然标志物，其具体大小可以未知，但其大小不超过视觉量测工作距离的3.根据权利要求1所述的一种单目视觉水下航行器导航定位校正方法，其特征在于：所述步骤二，包括：通过调整水下航行器姿态，控制水下航行器向步骤一所述的水下标志物航行一段距离，航行过程中，根据单目视觉辨识与量测子系统采集得到图像信息，根据航位推算子系统记录得到这段时间内水下航行器位置、水下航行器位移及水下航行器姿态信息；其中，所述的得到这段时间内水下航行器位置、水下航行器位移及水下航行器姿态信息的具体方法为：第一步：调整水下航行器姿态，使摄像头朝向步骤一所述的水下标志物，采集并记录此时水下航行器的位置向量姿态角向量图像中水下标志物的置信度P、大小(w,h)；上式中，上标G表示相对于大地坐标系；第二步：控制水下航行器朝向步骤一所述的水下标志物航行Δt秒，记录此时水下航行器的位置信息、水下航行器的姿态角信息以及图像中步骤一所述的水下标志物信息；第三步：保持水下航行器姿态，重复第二步4次以上，采集记录此时水下航行器的位置向量姿态角向量Ai以及图像中水下标志物的大小(wi,hi)；上式中，角标i表示第i次采集到信息；第四步：根据视觉量测算法计算获得水下标志物距离摄像头坐标系下的位...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙玉山，唐同泽，张国成，王占缘，张强，盛明伟，王元庆，张宸鸣，
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