[发明专利]水下贝塞尔光视觉导引方法

说明书

一种水下贝塞尔光视觉导引方法，包括以下步骤：按照标志灯目标模板选择贝塞尔透镜；贝塞尔标志灯内的高斯光束在经过贝塞尔透镜后呈现为线段光束；多个贝塞尔标志灯点亮后，每个贝塞尔标志灯的光束形成一条线段，多条光束线段形成标志灯模态图；在水下无人航行器自主回收过程中，水下摄像机中的图像处理模块对获得水下贝塞尔标志灯模态图进行图像处理提取线段光束，并获得特征点在摄像机坐标下的坐标；获得摄像机坐标系在坞站坐标系下的坐标和姿态信息；给出水下无人航行器在坞站坐标系下的三维空间坐标和姿态信息。本发明适应性好，灵活性强，可实现标志灯机械结构的小型化，实现标志灯光束特征线段的准确提取，提高定位精度。

技术领域

本发明涉及水下光学技术领域，具体涉及一种水下贝塞尔光视觉导引方法。

背景技术

自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)一种利用各种传感器及其他任务模块执行水下作业任务，通过其自身搭载的能源设备、导航设备和执行机构来进行自主导航、自主决策与自主控制的水下机器人，在海洋科学研究、海洋工程作业、以及国防军事领域得到广泛应用。但AUV在水下作业的时间绝大程度上受限于其自身所携带的能源，当AUV完成某一任务后，通常需要回收到水面支持平台，以便补充能源、回收数据和下载新的使命任务。当在大深度海底工作时，AUV的布放与回收要花费相当长的时间若作业海域海况较差，回收过程会增加一定的风险。为了提高AUV的水下作业时间、工作效率和降低风险，通常采用水下光视觉技术进行AUV自主回收。

图1给出了传统的水下多光源光视觉导引方法，在自主水下无人航行器AUV1的艏部装配有水下摄像机2，坞站回收装置3具有喇叭口形(漏斗形)的回收罩，大发散角的标志灯4安装在回收罩上，当回收罩口径较小时，则标志灯光斑会出现交叠问题，导致水下摄像机2输出的图像中难以准确提取各个传统标志灯6光斑的形心，从而无法有效定位AUV。

光视觉导引主要是利用AUV艏部摄像机抓取坞站标志灯图像并通过图像特征与已知特征的匹配进而计算出相对位置，用于高精度定位。现有的光视觉导引技术中主要有单目视觉导引、双目视觉导引。

在现有的导引技术中，不管是是单目视觉导引还是双目视觉导引，坞站处的光源标志灯都存在相同的问题：

(1)标志灯形心难以提取：在光视觉导引中，高精度的位姿解算需要标志灯的中心位置的精确提取，传统的光导引过程中一般采用的是大发散角的LED灯作为理想的圆形标志灯，通过提取摄像机抓取图像中标志灯光斑形心作为其特征点，但是受水体及环境噪声影响，标志灯难以形成理想的圆形光斑，导致标志灯形心提取不准确，从而影响定位精度；

(2)标志灯数量多受机械尺寸限制制约坞站装置小型化：发散角大的LED标志灯，仅能通过光斑形心提取灯的坐标位置，需要至少4个标志灯，离散布放在1m～3m直径的坞站上，利用灯间的相对位置信息实现光视觉定位，，如果缩小坞站直径，多个标志灯的光斑难以分立，易交叠，无法有效提取标志灯，这严重限制了该技术在AUV自主回收中的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种水下贝塞尔光视觉导引方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种水下贝塞尔光视觉导引方法，包括以下步骤：

按照标志灯目标模板选择贝塞尔透镜；

贝塞尔标志灯内的高斯光束在经过贝塞尔透镜后呈现为线段光束；

多个贝塞尔标志灯点亮后，每个贝塞尔标志灯的光束形成一条线段，多条光束线段形成标志灯模态图；

在水下无人航行器自主回收过程中，水下摄像机中的图像处理模块对获得水下贝塞尔标志灯模态图进行图像处理提取线段光束，并获得特征点在摄像机坐标下的坐标；