一种基于光学测向测距的AUV自主回坞定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光学测向测距的AUV自主回坞定位方法。方法包括：通过坞站朝自主水下航行器AUV发射引导光源；使用光斑成像方法获得自主水下航行器AUV和引导光源之间的相对方位角；根据光学探测组件获得的相对方位角，使用光学测向测距方法获得自主水下航行器AUV和引导光源之间的相对位置；根据相对位置，使用卡尔曼滤波算法进行数据融合，获得自主水下航行器AUV和引导光源之间的最终相对位置，进行定位并向实现自主回坞。本发明专利技术方法的水下光学引导定位技术以保证测量精度和实时性为目标，为水下机器人实时提供位置信息以便自主水下航行器AUV的回收利用，可以实现短距离内的AUV定位和自主回坞，具有重要的使用价值。具有重要的使用价值。具有重要的使用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学测向测距的AUV自主回坞定位方法


[0001]本专利技术涉及了一种AUV自主回坞定位方法，具体涉及一种基于光学测向测距的AUV自主回坞定位方法。

技术介绍

[0002]自主水下航行器(AUV，Autonomous Underwater Vehicle)自主工作在海洋环境中，对于AUV的回收再利用工作是AUV研究及其便捷化的重要研究内容之一。近年来，水下视觉取得了丰富的研究成果，但由于水下相机的标定麻烦、对图像进行处理的计算量大，使得图像处理的精度并不很高，数据更新频率低，这些都对水下光源的描述和目标的实时定位产生很大的影响，从而影响自主水下航行器作业任务和自主水下航行器的回收工作。

技术实现思路

[0003]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术所提供一种基于光学测向测距的AUV自主回坞定位方法。
[0004]本专利技术采用的技术方案是：
[0005]本专利技术AUV自主回坞定位方法包括如下步骤：
[0006]步骤一：通过海面上的船上安装的坞站的接驳口中心朝海水中的自主水下航行器AUV发射引导光源，引导光源发射至自主水下航行器AUV头部安装的两个光学探测组件上。
[0007]步骤二：针对每个光学探测组件，使用光斑成像方法计算获得自主水下航行器AUV和引导光源之间的相对方位角。
[0008]步骤三：针对每个光学探测组件，根据光学探测组件在步骤二中获得的相对方位角，使用光学测向测距方法计算获得自主水下航行器AUV和引导光源之间的相对位置。
[0009]步骤四：根据步骤三中分别通过两个光学探测组件获得的相对位置，使用卡尔曼滤波算法进行数据融合，获得自主水下航行器AUV和引导光源之间的最终相对位置，自主水下航行器AUV根据最终相对位置进行定位并向安装坞站的船航行最终实现自主回坞。
[0010]所述的步骤一中，两个光学探测组件通过防水耐压玻璃密封安装在自主水下航行器AUV头部内，两个光学探测组件之间留有间隔，每个光学探测组件包括半圆凸透镜和四象限光电探测器；两个四象限光电探测器的感光面位于同一平面上并均朝向自主水下航行器AUV的航行方向，每个光学探测组件的半圆凸透镜均安装在各自的四象限光电探测器和防水耐压玻璃之间，半圆凸透镜、防水耐压玻璃和四象限光电探测器之间不相接触；半圆凸透镜的球面朝向防水耐压玻璃，半圆凸透镜的平面平行于四象限光电探测器的感光面，每个四象限光电探测器的感光面中心和各自的一个半圆凸透镜的中心之间的连线垂直于四象限光电探测器的感光面。
[0011]所述的每个光学探测组件的半圆凸透镜和四象限光电探测器之间的距离为半圆凸透镜的焦距；引导光源的光线穿过防水耐压玻璃，经过两个半圆凸透镜分别汇聚于两个四象限光电探测器的感光面S1上形成圆形光斑。由于光线的入射角度不同，不同角度射入
的光线所形成的光斑在感光面上的位置也会不同，根据光斑中心在感光面上的位置就可以计算出引导光线的入射角度。
[0012]所述的步骤二中，针对每个光学探测组件，使用光斑成像方法计算自主水下航行器AUV和引导光源之间的相对方位角，相对方位角包括相对艏向角和相对俯仰角，具体如下：
[0013][0014][0015]其中，ψ表示自主水下航行器AUV和引导光源之间的相对艏向角；n
a
和n
w
分别表示空气和水的折射率；ψ
′
表示引导光源发射至防水耐压玻璃的水平出射角；θ表示自主水下航行器AUV和引导光源之间的相对俯仰角；θ
′
表示引导光源发射至防水耐压玻璃的垂直出射角。
[0016]所述的引导光源发射至防水耐压玻璃的水平出射角ψ
′
具体如下：
[0017][0018][0019][0020]其中，α1和α2分别表示引导光源发射至半圆凸透镜的水平入射角和水平出射角；n
g
表示防水耐压玻璃的折射率；l1表示半圆凸透镜的曲率中心到半圆凸透镜的平面之间的距离；l2表示半圆凸透镜的曲率半径；Δm表示四象限光电探测器上的圆形光斑中心在四象限光电探测器的感光面所在的平面上的偏移距离；f表示半圆凸透镜的焦距。
[0021]所述的引导光源发射至防水耐压玻璃的垂直出射角θ
′
具体如下：
[0022][0023][0024][0025]其中，β1和β2分别表示引导光源发射至半圆凸透镜的垂直入射角和垂直出射角；n
g
表示防水耐压玻璃的折射率；l1表示半圆凸透镜的曲率中心到半圆凸透镜的平面之间的距离；l2表示半圆凸透镜的曲率半径；Δm表示四象限光电探测器上的圆形光斑中心在四象限光电探测器的感光面所在的平面上的偏移距离；Δn表示四象限光电探测器上的圆形光斑中心在垂直于四象限光电探测器的感光面所在的平面上的偏移距离；f表示半圆凸透镜的焦距。在感光面S1上创建平面坐标系，以四象限光电探测器的感光面的中心点为圆心，两个四象限光电探测器的感光面的中心点的连线方向为m轴，垂直方向为n轴进行偏移距离的确
定；规定圆形光斑中心到坐标轴m的距离为Δn，到坐标轴n的距离为Δm，当引导光源向光学探测组件发出光线时，由于光源离探测组件中凸透镜的距离一般很远(大于300cm)，将到达凸透镜处的光线看作平行光线，在光线通过凸透镜进行汇聚时还需要考虑光线的折射。
[0026]所述的步骤三中，针对每个光学探测组件，根据光学探测组件在步骤二中获得的相对方位角，使用光学测向测距方法计算获得自主水下航行器AUV和引导光源之间的相对位置，具体为首先取两个四象限光电探测器的感光面的中心点的连线中点作为参考点，自主水下航行器AUV的头部顶端面垂直于自身的前进方向且平行于四象限光电探测器的感光面，参考点所在的垂直于四象限光电探测器的感光面的直线与自主水下航行器AUV的头部端面之间的交点作为原点，参考点朝向原点的连线方向作为x轴的正方向，第一个四象限光电探测器的感光面的中心点所在的垂直于四象限光电探测器的感光面的直线与自主水下航行器AUV的头部端面之间的交点作为第一交点，原点朝向第一交点的连线方向作为y轴的正方向，垂直于x轴和y轴的直线作为z轴从而建立AUV载体坐标系。
[0027]根据第一个四象限光电探测器计算获得自主水下航行器AUV和引导光源之间的第一相对位置Z1(x1，y1，z1)，具体如下：
[0028]x1＝d
[0029][0030]z1＝d tan(θ1)
[0031]其中，x1、y1和z1分别表示第一相对位置的x轴、y轴和z轴坐标；d表示四象限光电探测器的感光面到引导光源之间的距离；ψ1表示第一个四象限光电探测器计算获得的自主水下航行器AUV和引导光源之间的相对艏向角；L表示两个四象限光电探测器的感光面的中心点之间的距离；θ1表示第一个四象限光电探测器计算获得的自主水下航行器AUV和引导光源之间的相对俯仰角。
[0032]根据第二个四象限光电探测器计算获得自主水下航行器AUV和引导光源之间的第二相对位置Z2(x2，y本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光学测向测距的AUV自主回坞定位方法，其特征在于：方法包括如下步骤：步骤一：通过海面上的船上安装的坞站的接驳口中心朝海水中的自主水下航行器AUV发射引导光源，引导光源发射至自主水下航行器AUV头部安装的两个光学探测组件上；步骤二：针对每个光学探测组件，使用光斑成像方法计算获得自主水下航行器AUV和引导光源之间的相对方位角；步骤三：针对每个光学探测组件，根据光学探测组件在步骤二中获得的相对方位角，使用光学测向测距方法计算获得自主水下航行器AUV和引导光源之间的相对位置；步骤四：根据步骤三中分别通过两个光学探测组件获得的相对位置，使用卡尔曼滤波算法进行数据融合，获得自主水下航行器AUV和引导光源之间的最终相对位置，自主水下航行器AUV根据最终相对位置进行定位并向安装坞站的船航行最终实现自主回坞。2.根据权利要求1所述的一种基于光学测向测距的AUV自主回坞定位方法，其特征在于：所述的步骤一中，两个光学探测组件通过防水耐压玻璃密封安装在自主水下航行器AUV头部内，两个光学探测组件之间留有间隔，每个光学探测组件包括半圆凸透镜和四象限光电探测器；两个四象限光电探测器的感光面位于同一平面上并均朝向自主水下航行器AUV的航行方向，每个光学探测组件的半圆凸透镜均安装在各自的四象限光电探测器和防水耐压玻璃之间，半圆凸透镜、防水耐压玻璃和四象限光电探测器之间不相接触；半圆凸透镜的球面朝向防水耐压玻璃，半圆凸透镜的平面平行于四象限光电探测器的感光面，每个四象限光电探测器的感光面中心和各自的一个半圆凸透镜的中心之间的连线垂直于四象限光电探测器的感光面。3.根据权利要求2所述的一种基于光学测向测距的AUV自主回坞定位方法，其特征在于：所述的每个光学探测组件的半圆凸透镜和四象限光电探测器之间的距离为半圆凸透镜的焦距；引导光源的光线穿过防水耐压玻璃，经过两个半圆凸透镜分别汇聚于两个四象限光电探测器的感光面上形成圆形光斑。4.根据权利要求2所述的一种基于光学测向测距的AUV自主回坞定位方法，其特征在于：所述的步骤二中，针对每个光学探测组件，使用光斑成像方法计算自主水下航行器AUV和引导光源之间的相对方位角，相对方位角包括相对艏向角和相对俯仰角，具体如下：和引导光源之间的相对方位角，相对方位角包括相对艏向角和相对俯仰角，具体如下：其中，ψ表示自主水下航行器AUV和引导光源之间的相对艏向角；n
a
和n
w
分别表示空气和水的折射率；ψ
′
表示引导光源发射至防水耐压玻璃的水平出射角；θ表示自主水下航行器AUV和引导光源之间的相对俯仰角；θ
′
表示引导光源发射至防水耐压玻璃的垂直出射角。5.根据权利要求4所述的一种基于光学测向测距的AUV自主回坞定位方法，其特征在于：所述的引导光源发射至防水耐压玻璃的水平出射角ψ
′
具体如下：
其中，α1和α2分别表示引导光源发射至半圆凸透镜的水平入射角和水平出射角；n
g
表示防水耐压玻璃的折射率；l1表示半圆凸透镜的曲率中心到半圆凸透镜的平面之间的距离；l2表示半圆凸透镜的曲率半径；Δm表示四象限光电探测器上的圆形光斑中心在四象限光电探测器的感光面所在的平面上的偏移距离；f表示半圆凸透镜的焦距。6.根据权利要求4所述的一种基于光学测向测距的AUV自主回坞定位方法，其特征在于：所述的引导光源发射至防水耐压玻璃的垂直出射角θ
′
具体如下：具体如下：具体如下：其中，β1和β2分别表示引导光源发射至半圆凸透镜的垂直入射角和垂直出射角；n
g...

【专利技术属性】
技术研发人员：和向元，唐建中，闫云凤，陈翔，李禹宏，陈正，聂勇，李贞辉，
申请(专利权)人：海南浙江大学研究院，
类型：发明
国别省市：