基于视觉融合的AUV动态对接定位方法技术

本发明专利技术一种基于视觉融合的AUV动态对接定位方法，首先在水下环境中，对接AUV利用自身前部安装的双目视觉系统中的两个单目摄像头，分别获取目标AUV后部标志物图像，分为左图像和右图像；根据左图像和右图像，利用双目视觉算法，解算得到标志物尺寸；在水下对接过程中，对接AUV利用自身前部安装的双目视觉系统中的两个单目摄像头，分别获取目标AUV后部标志物图像，并依据解算得到的标志物尺寸，分别利用单目视觉定位算法，解算得到两组定位结果；对得到的两组定位结果进行加权融合，得到最终的AUV动态对接定位结果。本发明专利技术既保证了单目的精度又解决了双目视觉丢失率高的问题，为动态对接的控制提供了较为准确的定位信息。对接的控制提供了较为准确的定位信息。对接的控制提供了较为准确的定位信息。

【技术实现步骤摘要】
基于视觉融合的AUV动态对接定位方法


[0001]本专利技术涉及AUV动态对接
，具体为一种基于视觉融合的AUV动态对接定位方法。

技术介绍

[0002]在对水底地形的勘测和水下机械作业中，AUV是其重要的运载平台，单独的AUV个体可以在水下实现探测和机械作业功能。但其突出缺点是在面对复杂的水下环境的时候，单个独立的AUV受到了体积和长度的限制从而没有办法完成复杂的功能。小体积AUV携带的有效载荷有限，大体积AUV无法穿越复杂的水下空间。多AUV的出现解决了这问题，将小体积和具有不同功能的AUV使用串联方式对接，满足了功能的多样性和作业的机动性。
[0003]对接技术分为静态对接和动态对接。经典的回收对接属于静态对接，静态对接应用在水下充电和信息交换领域，其对接装置固定在确定的位置。动态对接相对静态对接更为复杂，每个单体之间需要在运动的状态下实现对接。动态对接应用于水下搜寻，协同任务等。分体式多AUV通过串联方法组成单体AUV。小AUV之间通过动态对接技术完成彼此的分解和组合。在到达作业区执行任务时分解成小的AUV，来应对水下复杂的环境，穿越狭小的空间，提高整体水下探测的效率和作业的机动性，结束作业后组合成一个单体AUV。
[0004]在水下动态对接的技术中，实现小AUV之间的定位是关键。定位是指获取对接AUV和目标AUV之间的距离和相对姿态。在动态对接的过程中将两个AUV之间的距离缩小到零同时保证姿态保持一致。动态对接定位的误差对动态对接结果具有较大的影响。当定位的误差较大时，就会出现对接失败和反复对接的情况，最终无法实现对接。
[0005]目前获取相对定位信息的方法较为成熟的是使用声学设备。但是在近距离使用声学设备获取相对定位信息时，因近距离声学的噪声较大，具有较大的误差，无法实现精准的相对定位，进而影响到动态对接的效果。视觉的补充使用可以弥补声学的缺陷，通过视觉获取定位信息的技术中，目前使用单目视觉的方法较多。单目视觉可以满足静态对接的要求，但是在动态对接中，目标AUV与对接AUV均处于运动状态，视觉定位的有效帧数减小，且视觉角度有限，导致单目视觉定位精度下降，无法满足动态对接的要求。
[0006]另外，在采用单目视觉进行定位时，需要利用标志物尺寸解算相对距离和角度，现有方法中，对于标志物尺寸都是在岸上环境下预先测量后，作为已知量输入到单目视觉定位方法中，但申请人在研究过程中发现，在水下实际环境中，在岸上测量的标志物尺寸直接应用到水下后，存在系统误差，导致采用岸上环境测量的标志物尺寸应用到单目视觉定位方法中后，无法得到精确的定位结果。这种系统误差对于静态对接的影响上课接受，但对于动态对接则影响较大，且单目视觉方法本身也无法解算标志物的尺寸，导致目前在水下环境中使用单目视觉方法进行动态对接时，因定位精度不足，而难以动态对接成功。

技术实现思路

[0007]动态对接过程中，单目视觉的有效帧数较小，丢失标志物的情况较多，而双目视觉
的有效帧数更少，因此单纯采用单目视觉或双目视觉方法进行动态定位均不能满足动态对接要求。为提高AUV通过视觉获取相对定位信息的精度和容错率，尤其是在动态对接过程中的定位精度，解决依靠声学获取相对定位过程中噪声的干扰问题以及单纯采用单目视觉或双目视觉方法存在误差较大和容错率小的问题，本专利技术提出了一种基于视觉融合的AUV动态对接定位方法，采用双目视觉解算出水下环境下能够抵消系统误差的标志物尺寸，并将双目视觉分解为两个单目视觉，分别通过PNP算法计算得出的两组相对定位信息进行信息加权融合，通过信息融合的方式，得到最终的相对定位信息，这样不仅提高了视觉的覆盖范围，同时提高了相对定位信息获取的精度和容错率，既保证了单目的精度又解决了双目视觉丢失率高的问题。
[0008]本专利技术的技术方案为：
[0009]所述一种基于视觉融合的AUV动态对接定位方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1：在水下环境中，对接AUV利用自身前部安装的双目视觉系统中的两个单目摄像头，分别获取目标AUV后部标志物图像，分为左图像和右图像；根据左图像和右图像，利用双目视觉算法，解算得到标志物尺寸；
[0011]步骤2：在水下对接过程中，对接AUV利用自身前部安装的双目视觉系统中的两个单目摄像头，分别获取目标AUV后部标志物图像，并依据步骤1解算得到的标志物尺寸，分别利用单目视觉定位算法，解算得到两组定位结果；
[0012]步骤3：对步骤2得到的两组定位结果进行加权融合，得到最终的AUV动态对接定位结果。
[0013]进一步的，步骤1中，采用双目视觉相似三角形算法，解算得到标志物尺寸。
[0014]进一步的，步骤2中，分别利用单目视觉PNP定位算法，解算得到两组定位结果。
[0015]进一步的，步骤3中，最终的定位结果包括距离矩阵R和旋转矩阵T：
[0016][0017]其中R1,T1为利用左侧单目摄像头拍摄图像，通过单目视觉定位算法解算出的定位结果，R2,T2为利用右侧单目摄像头拍摄图像，通过单目视觉定位算法解算出的定位结果；ρ1,ρ2为两组定位结果的权重。
[0018]进一步的，目标AUV后部标志物包括二维码标志物和矩阵光信标标志物；所述二维码标志物由黑白二维码和辅助照明设备构成；所述矩阵光信标标志物由四个发光灯球构成，四个发光灯球组成矩形，且三个灯球颜色相同，另一个灯球颜色与所述三个灯球颜色不同。
[0019]进一步的，步骤3中，按照动态对接阶段确定两组定位结果的权重：
[0020]步骤3.1：根据两组定位结果中的距离矩阵确定所属动态对接阶段，其中第一阶段为距离小于S1的对接阶段，第二阶段为距离处于S1～S2范围内的对接阶段，第三阶段为距离大于S2的对接阶段；
[0021]步骤3.2：若所属动态对接阶段为第一阶段，则利用二维码标志物，采用四点平均法分别解算左右两组定位结果的权重：
[0022]对左侧图像中的二维码标志物解算得到二维码四个角点在图像坐标系下的横坐标为x
l1
,x
l2
,x
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,x
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，纵坐标为y
l1
,y
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,y
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,y
l4
，图像中心坐标为(x
l0
,y
l0
)，则左侧图像二维码标志物的权重标量值ρ1＝(x
m
‑
x
l0
)2+(y
m
‑
y
l0
)2，其中
[0023][0024]对右侧图像中的二维码标志物解算得到二维码四个角点在图像坐标系下的横坐标为x
r1
,x
r2
,x
r3
,x
r4
，纵坐标为y
r1
,y
r2
,y
r3
,y
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，图像中心坐标为(x本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉融合的AUV动态对接定位方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：在水下环境中，对接AUV利用自身前部安装的双目视觉系统中的两个单目摄像头，分别获取目标AUV后部标志物图像，分为左图像和右图像；根据左图像和右图像，利用双目视觉算法，解算得到标志物尺寸；步骤2：在水下对接过程中，对接AUV利用自身前部安装的双目视觉系统中的两个单目摄像头，分别获取目标AUV后部标志物图像，并依据步骤1解算得到的标志物尺寸，分别利用单目视觉定位算法，解算得到两组定位结果；步骤3：对步骤2得到的两组定位结果进行加权融合，得到最终的AUV动态对接定位结果。2.根据权利要求1所述一种基于视觉融合的AUV动态对接定位方法，其特征在于：步骤1中，采用双目视觉相似三角形算法，解算得到标志物尺寸。3.根据权利要求1所述一种基于视觉融合的AUV动态对接定位方法，其特征在于：步骤2中，分别利用单目视觉PNP定位算法，解算得到两组定位结果。4.根据权利要求1所述一种基于视觉融合的AUV动态对接定位方法，其特征在于：步骤3中，最终的定位结果包括距离矩阵R和旋转矩阵T：其中R1,T1为利用左侧单目摄像头拍摄图像，通过单目视觉定位算法解算出的定位结果，R2,T2为利用右侧单目摄像头拍摄图像，通过单目视觉定位算法解算出的定位结果；ρ1,ρ2为两组定位结果的权重。5.根据权利要求4所述一种基于视觉融合的AUV动态对接定位方法，其特征在于：目标AUV后部标志物包括二维码标志物和矩阵光信标标志物；所述二维码标志物由黑白二维码和辅助照明设备构成；所述矩阵光信标标志物由四个发光灯球构成，四个发光灯球组成矩形，且三个灯球颜色相同，另一个灯球颜色与所述三个灯球颜色不同。6.根据权利要求5所述一种基于视觉融合的AUV动态对接定位方法，其特征在于：步骤3中，按照动态对接阶段确定两组定位结果的权重：步骤3.1：根据两组定位结果中的距离矩阵确定所属动态对接阶段，其中第一阶段为距离小于S1的对接阶段，第二阶段为距离处于S1～S2范围内的对接阶段，第三阶段为距离大于S2的对接阶段；步骤3.2：若所属动态对接阶段为第一阶段，则利用二维码标志物，采用四点平均法分别解算左右两组定位结果的权重：对左侧图像中的二维码标志物解算得到二维码四个角点在图像坐标系下的横坐标为x
l1
,x
l2
,x
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,x
l4
，纵坐标为y
l1
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,y
l3
,y
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，图像中心坐标为(x
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,y
l0
)，则左侧图像二维码标志物的权重标量值ρ1＝(x
m
‑
x
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)2+(y
m
‑
y
l0
)2，其中
对右侧图像中的二维码标志物解算得到二维码四个角点在图像坐标系下的横坐标为x
r1
,x
r2
,x
r3
,x
r4
，纵坐标为y
r1
,y
r2
,y
r3
,y
r4
，图像中心坐标为(x
r0
,y
r0
)，则右侧图像二维码标志物的权重标量值ρ2＝(x
n
‑
x
r0
)2+(y
n
‑
y
r0
)2，其中若所属动态对接阶段为第二阶段，则利用二维码标志物，采用起点距离加权法分别解算左右两组定位...

【专利技术属性】
技术研发人员：张立川，邢润发，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：