一种海上目标近距离实时位姿监测方法技术

一种海上目标近距离实时位姿监测方法，包括如下步骤：在海上目标结构物上布置若干标识物或标识物组合，所述标识物为二维平面形态或三维立体形态；采集模块获取相应标识物或标识物组合在目标结构物不同位姿下的观测数据；计算模块处理分析所述观测数据，得到监测信息，所得信息通过标识物映射关联目标结构物整体，实现对目标结构物的位姿监测。该方法部署便捷、可用性良好，可以高效、精准地应对近距离海上目标实时相对位姿监测任务。上目标实时相对位姿监测任务。上目标实时相对位姿监测任务。

【技术实现步骤摘要】
一种海上目标近距离实时位姿监测方法


[0001]本专利技术涉及目标位姿监测，特别是涉及一种海上目标近距离实时位姿监测方法。

技术介绍

[0002]作为占据地表最大空间面积的环境形态，海洋在地球生命的发展历程中扮演着至关重要的角色。随着人类科技与生产力的不断进步与扩张，我们探索海洋的意愿与需求也在日益增长。而在海洋探索任务当中，关于海面结构物目标的位姿监测工作十分重要。通过估计目标的实时位姿可以了解目标的运动趋势、评估作业安全性、为控制系统提供反馈输入等，是分析海上作业分析决策、海上结构物控制等系统的实现基础之一。
[0003]在海上结构物的监测任务当中，由于海上环境下风浪流载荷耦合作用产生复杂非线性响应，近距离监测情境下无法捕捉观测目标全貌图像，GPS+IMU传感精度不足、结构间缺少通信等问题，使得常用方式对其实时相对位姿要素实现精准实时追踪存在一定困难；同时，由于海上漂浮式结构物通常具有较大结构尺度，近距离观测过程中难以直接获取观测目标的全貌信息，故而不便于使用常见基于全局特征的位姿估计算法进行监测。基于以上背景因素，如何精确、高效地近距离实时感知海上目标状态成为了一个重要课题。
[0004]需要说明的是，在上述
技术介绍
部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于克服上述
技术介绍
的缺陷，提供一种海上目标近距离实时位姿监测方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种海上目标近距离实时位姿监测方法，包括如下步骤：
[0008]在海上目标结构物上布置若干标识物或标识物组合，所述标识物为二维平面形态或三维立体形态；
[0009]采集模块获取相应标识物或标识物组合在目标结构物不同位姿下的观测数据；
[0010]计算模块处理分析所述观测数据，得到监测信息，所得信息通过标识物映射关联目标结构物整体，实现对目标结构物的位姿监测。其中，所述监测信息可以包括目标标识物的距离、偏角等位姿及运动状况信息。
[0011]进一步地：
[0012]所述标识物组合为多个标识物按照设定的位置规律和/或编码方式排列组合而成。
[0013]所述采集模块包括图像传感器，用于收集标识物在不同位姿状态下的图像数据。
[0014]所述计算模块的处理过程包括：
[0015]初始化传感器内外参数；
[0016]利用设定的自适应阈值提取轮廓分割原始数据，提取标识物原始图像；
[0017]根据标识物的原始图像建立角点二维坐标系，并根据其真实物理尺寸建立标识物的角点三维坐标(X,Y,Z)
T
，以及其标识物角点在原始图像中的二维投影点坐标(U,V)；
[0018]根据相机内参列出内参矩阵M；
[0019]根据角点三维坐标(X,Y,Z)
T
和投影点坐标(U,V)的以下数学关系计算旋转矩阵R和平移矩阵t的初始解R0、t0：
[0020][0021]通过使用迭代方法，对初始解进行优化，以最小化重投影误差，所述重投影误差是通过将求解得到的相机参数将相机参数和检验点三维坐标代入三维角点坐标与投影点坐标之间的所述数学关系进行计算得到二维投影结果，然后计算二维点与投影结果之间的差异；
[0022]经过迭代优化后，得到相机的最终旋转矩阵R和平移矩阵t，表示标识物与传感器在空间中的相对位姿参数。
[0023]所述计算模块的处理过程还包括：
[0024]根据目标物与单一标识物或标识物组合的工程参数，得出目标物三维坐标系P
′
到标识物三维坐标系P之间的旋转矩阵R
′
和平移矩阵t
′
，或者得出每个标识物坐标系P
i
与目标物之间的相应矩阵R
i
′
、t
i
′
；
[0025]在单一标识物的场景下，标识物与目标物坐标系之间的映射关系为：
[0026]P
′
＝R
′
P+t
′ꢀꢀꢀ
(2)
[0027]在标识物组合的场景下为：
[0028]P
′
i
＝R
′
i
P
i
+t
′
i
，P
′
＝ΣP
′
i
ꢀꢀꢀ
(3)
[0029]根据所述标识物与传感器在空间中的相对位姿参数，联立公式(1)、公式(2)及公式(4)，或联立公式(1)、公式(3)及公式(4)，求解得到目标物在空间中的相对位姿参数R
x
、t
x
：
[0030][0031]所述计算模块通过机器学习算法对标识物的图像特征进行识别定位，进而计算对象特征相对位置与姿态参数。
[0032]所述采集模块与所述计算分析模块在联动处理过程中通过传输模块进行数据传输。
[0033]所述采集模块和所述计算模块设置在海上观测平台，组成数据采集分析系统。
[0034]所述海上观测平台还设置有能源模块，向所述采集模块和所述计算模块供能。
[0035]所述标识物为二维平面形态，采用易于表征所附目标位姿信息的几何形状，可携带易于从各向获取的图像数据中解码恢复表征信息的编码图案；或为三维立体形态，采用各类各向观测形状相异的异构立体几何形状，可携带易于从各向感知的图像数据中解码恢复表征信息的编码图案。
[0036]所述标识物或标识物组合的实体使用耐潮湿、耐腐蚀合金材质，或结合光、热源，或使用各种特性涂料绘制。
[0037]本专利技术具有如下有益效果：
[0038]本专利技术提出了一种船载海上目标位姿实时监测方法，特别适于大型漂浮式结构物的近距离计算机视觉位姿监测。本专利技术的海上目标监测方法结合标识物与计算机视觉算法，该方法部署便捷、可用性良好，可以高效、精准地应对近距离海上目标实时相对位姿监测任务。本专利技术是一种鲁棒、便捷的目标标识方法，高效解决了海上场景下对于目标的近距离精准监测需求。
[0039]本专利技术可以灵活应对各类目标、各种海洋天气环境下的海上目标位姿监测任务，并且可以有效克服海面动力环境复杂、近距离拍摄全局成像能力不足、GPS+IMU传感器精度低、海面通信能力差等问题进行近距离实时目标监测。
[0040]本专利技术通过对于局部附着标识物的图像信息采集提取目标全局位姿特征，可为动力定位系统、升沉补偿系统等海洋装备主动控制系统提供反馈输入，辅助海上单元作业决策判断，实现海上平台故障预警等需求，对于许多海上平台运作、海上作业任务的开展有着现实的助力作用。
附图说明
[0041]图1为本专利技术一种实施例的系统方案示意图。
[0042]图2为本专利技术一种实施例的方案流程图。
具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海上目标近距离实时位姿监测方法，其特征在于，包括如下步骤：在海上目标结构物上布置若干标识物或标识物组合，所述标识物为二维平面形态或三维立体形态；采集模块获取相应标识物或标识物组合在目标结构物不同位姿下的观测数据；计算模块处理分析所述观测数据，得到监测信息，所得信息通过标识物映射关联目标结构物整体，实现对目标结构物的位姿监测。2.如权利要求1所述的海上目标近距离实时位姿监测方法，其特征在于，所述标识物组合为多个标识物按照设定的位置规律和/或编码方式排列组合而成。3.如权利要求1所述的海上目标近距离实时位姿监测方法，其特征在于，所述采集模块包括图像传感器，用于收集标识物在不同位姿状态下的图像数据。4.如权利要求3所述的海上目标近距离实时位姿监测方法，其特征在于，所述计算模块的处理过程包括：初始化传感器内外参数；利用设定的自适应阈值提取轮廓分割原始数据，提取标识物原始图像；根据标识物的原始图像建立角点二维坐标系，并根据其真实物理尺寸建立标识物的角点三维坐标(X,Y,Z)
T
，以及标识物角点在原始图像中的二维投影点坐标(U,V)；根据相机内参列出内参矩阵M；根据角点三维坐标(X,Y,Z)
T
和投影点坐标(U,V)的以下数学关系计算旋转矩阵R和平移矩阵t的初始解R0、t0：通过使用迭代方法，对初始解进行优化，以最小化重投影误差，所述重投影误差是通过将求解得到的相机参数将相机参数和检验点三维坐标代入三维角点坐标与投影点坐标之间的所述数学关系进行计算得到二维投影结果，然后计算标识物角点二维坐标与投影结果之间的差异；经过迭代优化后，得到相机的最终旋转矩阵R和平移矩阵t，表示标识物与传感器在空间中的相对位姿参数。5.如权利要求4所述的海上目标近距离实时位姿监测方法，其特征在于，所述计算模块的处理过程还包括：根据目标物与单一标识物或标识物组合的工程参数，得出目标物三维坐标系P
′
到标识物三维坐标系P之间的旋转矩阵R
′
和平移矩阵t
′
，或者得出每个标识物坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿子涵，敏杰，任政儒，丁文伯，张晓平，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：