一种面向无人艇动态回收的视觉导引方法技术

本发明专利技术提出了一种面向无人艇动态回收的视觉导引方法，通过检测部署于母船上的视觉导引信标，并结合母船以及无人艇的航姿数据，解算出无人艇与母船的横向及纵向距离，从而自动调节无人艇的目标航迹，无人艇利用航迹跟踪算法完成航迹调整，最终保持在预定的回收位置。本发明专利技术通过利用视觉导引的方式，使无人艇自主保持与母船的相对位置关系。本发明专利技术以自主的方式控制无人艇进入母船的回收位置，无需人工参与，无需中断母船的航行任务。采用视觉引导，实施成本低，且不受外界的电磁干扰，能够在电磁静默或电磁干扰等对抗环境下正常工作。静默或电磁干扰等对抗环境下正常工作。静默或电磁干扰等对抗环境下正常工作。

【技术实现步骤摘要】
一种面向无人艇动态回收的视觉导引方法


[0001]本专利技术涉及无人艇在动态回收时的视觉导引，适合用于在不影响母船正常航行的情况下完成对无人艇的回收。

技术介绍

[0002]无人艇的回收根据母船的状态可分为两种方式：静态回收和动态回收。静态回收时需要母船停止航行并以几乎静止的状态配合完成无人艇的回收；而动态回收时母船无需停泊，可继续进行航行作业。因此，动态回收方式对于提高母船作业效率有重要意义。此外，相比于静态回收，动态回收时无人艇对水速度的可调范围大，无人艇的操控性更有保障。
[0003]动态回收时无人艇需与母船保持稳定的相对位置关系，即进入预定的回收位置从而便于母船与无人艇建立柔性或刚性连接，从而最终完成对无人艇的回收。动态回收时，无人艇的实际位置与回收位置的偏差需控制在较小的范围内(一般要求误差小于1m)。如果超出容许范围，要么无人艇与母船发生碰撞，要么回收失败。由于卫星定位系统(如北斗、GPS等)的定位精度为米级，因此，直接利用卫星定位无法实现无人艇与母船相对位置的精确控制。虽然高精度卫星差分定位方式的定位精度满足要求，但卫星差分定位依赖于参考站，无法随时随地使用，因此不适于应用在母船回收无人艇的场景中。
[0004]目前，一般采用人工遥控的方式控制无人艇进入回收位置。遥控时，操作人员一般需在母船舱外的合适位置目视观察无人艇，根据无人艇的状态以及无人艇与母船的相对位置关系实时对无人艇进行操控。人工遥控的作业难度大，而且成功率不高。同时，在高海况下，操作人员的人身安全存在较大的风险。因此，亟需研发一种可以随时随地使用的无人艇自动引导方法。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提出了一种面向无人艇动态回收的视觉导引方法，通过检测部署于母船上的视觉导引信标，并结合母船以及无人艇的航姿数据，解算出无人艇与母船的横向及纵向距离，从而自动调节无人艇的目标航迹，无人艇利用航迹跟踪算法完成航迹调整，最终保持在预定的回收位置。本专利技术通过利用视觉导引的方式，使无人艇自主保持与母船的相对位置关系。
[0006]本专利技术的实现方式如下：
[0007]一种面向无人艇动态回收的视觉导引方法，无人艇上设置导引成像传感器，用于对视觉导引信标进行实时成像，通过成像传感器对视觉导引信标进行成像标定，构建纵向距离与像素宽度的关系矩阵D，其中，纵向距离指无人艇与视觉导引信标之间的纵向距离y
i
，像素宽度w
i
指无人艇与视觉导引信标之间的纵向距离为y
i
时，成像传感器所成图像中视觉导引信标所占的像素宽度，矩阵D的每一行表示为(y
i
,w
i
)；利用关系矩阵D，实时解算当前时刻无人艇与母船的纵向距离；利用小孔成像模型，结合母船以及无人艇的航姿数据，实时解算当前时刻无人艇与母船的横向距离；在当前时刻的航向上叠加当前时刻横向距离与
预定回收横向距离d0的偏差，作为无人艇下一时刻的目标航向角，在当前时刻的航速上叠加当前时刻纵向距离与预定回收纵向距离的偏差，作为无人艇下一时刻的目标航速，不断更新，完成航迹调整，最终保持在预定的回收位置。
[0008]进一步的，视觉导引信标部署在母船的舷侧或者尾部。
[0009]进一步的，当前时刻无人艇与母船的纵向距离的计算过程如下，
[0010]获取当前时刻无人艇导引成像传感器所成图像中视觉导引信标所占的像素宽度w，以及视觉导引信标中心在图像中的横坐标x；
[0011]在关系矩阵D中寻找出数值上最接近w的两个元素W1和W2，以及对应的纵向距离Y1和Y2；
[0012]利用(Y1，W1)，(Y2，W2)得到纵向距离和图像中视觉导引信标所占的像素宽度之间的线性关系，进而通过这个线性关系得到当前时刻像素宽度w对应的纵向距离
[0013]进一步的，当前时刻无人艇与母船的横向距离的计算过程如下，
[0014]以当前时刻无人艇与母船的纵向距离为直角边一，以当前时刻无人艇与母船的横向距离为直角边二，构建直角三角形；根据小孔成像模型，估计直角边二所对应的角度，利用三角函数关系得到当前时刻无人艇与母船的横向距离
[0015]进一步的，直角边二所对应的角度其中，w为当前时刻无人艇导引成像传感器所成图像中视觉导引信标所占的像素宽度，x为当前时刻所成图像中视觉导引信标中心的横坐标，a1为当前时刻无人艇的航向角，a2为当前时刻母船的航向角。
[0016]进一步的，下一时刻目标航向角的计算方式为：
[0017][0018]其中，k
a
为目标航向控制参数，atan为反正切函数，用于抑制在横向距离偏差较大时目标航向角的变化率。
[0019]进一步的，下一时刻无人艇目标航速的计算方式为：
[0020][0021]其中，k
v
为控制参数。v为当前时刻无人艇的航速。
[0022]进一步的，利用圆环形图形制作视觉导引信标，其中圆环图形采用黑白图形，圆环宽度比为1:1:3:1:1。
[0023]有益效果
[0024](1)自主性高：本专利技术以自主的方式控制无人艇进入母船的回收位置，无需人工参与。
[0025](2)效率高：本专利技术可使得母船在航行状态下完成对无人艇的回收，无需中断母船的航行任务。
[0026](3)适用性强：本专利技术可适用于舷侧回收和坞舱回收两种回收方式。
[0027](4)本专利技术采用视觉引导，实施成本低，且不受外界的电磁干扰，能够在电磁静默或电磁干扰等对抗环境下正常工作。
附图说明
[0028]图1是光学信标示意图；
[0029]图2是实施例中舷侧回收时视觉导引信标部署示意图；
[0030]图3是坞舱回收时视觉导引信标部署示意图；
[0031]图4是横向距离估计原理示意图；
[0032]图5是实施例中视觉导引信标示意图；
[0033]图6是实施例中目标航向示意图；
具体实施方式
[0034](1)制作视觉导引信标：
[0035]利用圆环形图形制作视觉导引信标，其中圆环图形采用黑白图形，圆环宽度比为1:1:3:1:1，如图1所示。圆环图形印刷在平面，印刷后的圆环图像整体边长为L，一般为1至2m。视觉导引信标也可利用LED等光源构造，只需保证图像比例和大小满足以上约束即可。
[0036]本实施例中，在边长为2m的正方形白板制作1.5m的视觉导引信标，如图5所示。
[0037](2)成像标定：
[0038]为降低成像畸变对导引的影响，同时降低实时处理时的计算量。本专利技术进行成像标定，建立无人艇导引成像传感器和视觉导引信标之间的纵向距离y，与无人艇导引成像传感器所成图像中视觉导引信标所占的像素宽度w的对应关系。
[0039]设无人艇导引成像传感器和视觉导引信标之间的预定起始纵向距离为y0，无人艇导引成像传感器和视觉导引信标之间的预定回收纵向距离为将无人艇的导引成像传感本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向无人艇动态回收的视觉导引方法，无人艇上设置导引成像传感器，用于对视觉导引信标进行实时成像，其特征在于：通过成像传感器对视觉导引信标进行成像标定，构建纵向距离与像素宽度的关系矩阵D，其中，纵向距离指无人艇与视觉导引信标之间的纵向距离y
i
，像素宽度w
i
指无人艇与视觉导引信标之间的纵向距离为y
i
时，成像传感器所成图像中视觉导引信标所占的像素宽度，矩阵D的每一行表示为(y
i
，w
i
)；利用关系矩阵D，实时解算当前时刻无人艇与母船的纵向距离；利用小孔成像模型，结合母船以及无人艇的航姿数据，实时解算当前时刻无人艇与母船的横向距离；在当前时刻的航向上叠加当前时刻横向距离与预定回收横向距离d0的偏差，作为无人艇下一时刻的目标航向角，在当前时刻的航速上叠加当前时刻纵向距离与预定回收纵向距离均偏差，作为无人艇下一时刻的目标航速，不断更新，完成航迹调整，最终保持在预定的回收位置。2.根据权利要求1所述的一种面向无人艇动态回收的视觉导引方法，其特征在于：视觉导引信标部署在母船的舷侧或者尾部。3.根据权利要求1或2所述的一种面向无人艇动态回收的视觉导引方法，其特征在于：当前时刻无人艇与母船的纵向距离的计算过程如下，获取当前时刻无人艇导引成像传感器所成图像中视觉导引信标所占的像素宽度w，以及视觉导引信标中心在图像中的横坐标x；在关系矩阵D中寻找出数值上最接近w的两个元素W1和W2，以及对应的纵向距离Y1和Y2；利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：覃月明，邵兴，徐杨，乔鹏飞，高琪琪，
申请(专利权)人：宜昌测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：