一种基于单目视觉的AUV对接坞站光学引导方法技术

本发明专利技术提供一种基于单目视觉的AUV对接坞站光学引导方法，包括：设置引导光源；通过单目相机拍摄水下引导光源图像，其中所述单目相机通过采用改进的张正友标定法进行标定；获取相机水下非线性成像模型，并通过像素校正公式将引导光源图像映射到空气中，生成校正图像；基于改进的自适应OTSU算法对所述校正图像进行光源分割，基于像素加权质心的坐标计算获取光源中心坐标；基于光源中心坐标，采用三对已知坐标点进行P3P计算对相机的位姿进行解算，进而获得相机相对的位置信息。而获得相机相对的位置信息。而获得相机相对的位置信息。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单目视觉的AUV对接坞站光学引导方法


[0001]本专利技术涉及坞站对接引导领域，具体而言，尤其涉及一种基于单目视觉的AUV对接坞站光学引导方法。

技术介绍

[0002]自主式水下潜器(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)。自主式水下机器人是新一代水下机器人，具有活动范围大、机动性好、安全、智能化等优点，成为完成各种水下任务的重要工具。AUV的准确回收是其能够推广使用的基础。
[0003]常用的坞站引导回收方式，光源排布方案多采用四个相同单色灯呈菱形或正方形组合排布方式，利用张正友标定法获取水下相机的内参和畸变参数。同时采用传统OTSU算法分割光源图像以获得全部目标光源。最后采用传统质心检测获取所有分割区域的质心作为目标光源的中心。
[0004]现有系统存在以下弊端：
[0005]现有水下引导光源的排布设计，未考虑光源排列的旋转不变性问题、深度分辨率问题以及相机定位盲区的问题。另外因水下相机外部有一个防水壳，引入了光线的折射，导致水下成像模型不再是线性模型，导致张正友标定法不能直接使用在水下相机的标定和校正中。同时，常用的水下光源检测方法为Hough圆形检测法，通过对光源圆心的查找以确定光源中心坐标，以此为特征坐标点解算AUV最终的位置信息，并且该检测法通常需要配合前期大量复杂的操作：自动曝光研究、图像改进滤波等，并且其算法本身需考虑边缘检测阈值、圆形半径范围、相对圆心距离，所以该算法计算量大、占用CPU处理周期长。最后在实际的水下环境中，导引光源直射状态下，光源图像存在光晕等影响，而非直射状态下，光晕影响尤其严重，使得传统质心算法误判光源中心，进而影响定位精度。

技术实现思路

[0006]鉴于现有技术的不足，本申请提供一种基于单目视觉的AUV对接坞站光学引导方法。对于AUV返回坞站开启视觉引导的对接过程中，提供一种基于可见光的对接引导方法，使对接流程更安全和准确。
[0007]本专利技术采用的技术手段如下：
[0008]一种基于单目视觉的AUV对接坞站光学引导方法，包括：
[0009]设置引导光源，所述引导光源包括顺时针设置在正方形顶点处的一号光源、二号光源、三号光源以及四号光源，其中一号光源为蓝色光源，二号光源、三号光源以及四号光源均为绿色光源；
[0010]通过单目相机拍摄水下引导光源图像，其中所述单目相机通过采用改进的张正友标定法进行标定；
[0011]获取相机水下非线性成像模型，并通过像素校正公式将引导光源图像映射到空气中，生成校正图像；
[0012]基于改进的自适应OTSU算法对所述校正图像进行光源分割，基于像素加权质心的坐标计算获取光源中心坐标；
[0013]基于光源中心坐标，采用三对已知坐标点进行P3P计算对相机的位姿进行解算，进而获得相机相对的位置信息，将所述相机的相对位置信息发送给AUV控制系统实现引导。
[0014]进一步地，获取相机水下非线性成像模型，采用改进的张正友标定法对模型进行标定，包括：
[0015]在实验水槽一侧布置相机，另一侧布置平面标定板，拍摄在空气中的平面标定板图片，拍摄过程中移动平面标定板，当最后一张平面标定板照片拍摄完后固定标定板位置不变；
[0016]使用张氏标定法对相机进行标定得到相机内参以及最后一张标定板姿态所对应的外参；
[0017]保持相机和标定板位置固定，向实验水槽中注水，注满水后拍摄一张水下标定板的照片；
[0018]将内外参数回带到水下非线性成像模型中，根据图像像素点与空间三维坐标点之间的对应关系求取相机中心距离折射平面的距离d。
[0019]进一步地，基于改进的自适应OTSU算法对所述校正图像进行光源分割，还包括对分割图像连通域数量进行判断，若连通域数量与引导光源数量不匹配则对灯光粘连区域进行分水岭分割。
[0020]进一步地，基于像素加权质心的坐标计算获取光源中心坐标，包括根据以下公式计算获取光源中心坐标：
[0021][0022]其中，(x
i
,y
i
)是当前被测像素的坐标，是像素R通道上的均值，I
ij
是当前R通道像素值，W
ij
是当前加权值，(x
c
,y
c
)是加权后计算出来的光源中心坐标。
[0023]进一步地，采用三对已知坐标点进行P3P计算对相机的位姿进行解算，包括：
[0024]通过余弦三角形法则构建相机光心与光源中心投影点连线形成的三个夹角的等式关系；
[0025]通过同除和替元操作将上述等式关系转换为一个二元二次方程组，通过吴消元法求解，获得立体几何之间的比值关系，进而用向量公式获得三个匹配的空间点在相机坐标系下的坐标；
[0026]通过上述求解的在相机坐标系下的空间坐标和已知的在世界坐标系下的坐标信息，采用SVD法获得两个坐标系的转换关系(R，T)，进而获得相机相对的位置信息，其中，R是旋转矩阵，T是平移矩阵。
[0027]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0028]1、本专利技术从经济和安全的角度入手水下引导光源的排布方案，给出了一种新颖实用的设计方案，使引导光源系统兼具长距离和短距离引导有效的特点。
[0029]2、本专利技术采用了改进的张正友标定来获取更准确的水下相机参数。
[0030]3、本专利技术提出了一种改进的自适应OTSU分割算法，计算速度快，实时响应高，光源
分割更准确。
[0031]4、本专利技术改用满足条件的像素点的像素值与均值像素值在R通道的比值作为加权函数，减少光晕部分的噪声对质心检测的干扰,提高质心检测的精度。
[0032]本专利技术实时性好、复杂度低、可以实用，能够在AUV回收领域广泛推广。
附图说明
[0033]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]图1为本专利技术基于单目视觉的AUV对接坞站光学引导方法流程图。
[0035]图2为本专利技术水下折射成像示意图。
[0036]图3为本专利技术改进的自适应加权OTSU算法流程图。
[0037]图4为本专利技术P3P问题原理图。
[0038]图5为本专利技术光源排布示意图。
[0039]图6a为本专利技术实施例中光源图像经校正后灰度化图像。
[0040]图6b为本专利技术实施例中光源分割的结果示意图。
[0041]图6c为本专利技术实施例中光源分割的结果放大示意图。
具体实施方式
[0042]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单目视觉的AUV对接坞站光学引导方法，其特征在于，包括：设置引导光源，所述引导光源包括顺时针设置在正方形顶点处的一号光源、二号光源、三号光源以及四号光源，其中一号光源为蓝色光源，二号光源、三号光源以及四号光源均为绿色光源；通过单目相机拍摄水下引导光源图像，其中所述单目相机通过采用改进的张正友标定法进行标定；获取相机水下非线性成像模型，并通过像素校正公式将引导光源图像映射到空气中，生成校正图像；基于改进的自适应OTSU算法对所述校正图像进行光源分割，基于像素加权质心的坐标计算获取光源中心坐标；基于光源中心坐标，采用三对已知坐标点进行P3P计算对相机的位姿进行解算，进而获得相机相对的位置信息，将所述相机的相对位置信息发送给AUV控制系统实现引导。2.根据权利要求1所述的基于单目视觉的AUV对接坞站光学引导方法，其特征在于，获取相机水下非线性成像模型，采用改进的张正友标定法对模型进行标定，包括：在实验水槽一侧布置相机，另一侧布置平面标定板，拍摄在空气中的平面标定板图片，拍摄过程中移动平面标定板，当最后一张平面标定板照片拍摄完后固定标定板位置不变；使用张氏标定法对相机进行标定得到相机内参以及最后一张标定板姿态所对应的外参；保持相机和标定板位置固定，向实验水槽中注水，注满水后拍摄一张水下标定板的照片；将内外参数回带到水下非线性成像模型中，根据图像像素点与空间三维坐标点之间的对应关系求取相机中心距离折射平面的距离d。3.根据权利要求1所述的基于单目...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕胜，刘旖恒，付先平，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：