[发明专利]一种基于单目视觉的水下航行器精确导引入环的方法

说明书

本发明提出一种基于视觉的AUV精确对接入环的方法，用于在多水下航行器协同系统，跟随航行器利用单目相机采集母体航行器对接机构上信标如Aruco Marker的视觉信息，进而通过检测算法解析获得AUV的相对位姿信息。针对水体对光的吸收等因素，优选采用图像增强算法提高对接机构上信标Aruco Marker的对比度，提高其鲁棒性。同样为提高图像处理速度采用KCF加速策略来减小图像遍历像素的数量。并考虑在水下识别信标Aruco Marker有抖振和被遮挡等的情况，采用卡尔曼滤波器递归算法来消除噪音。本发明在合理的控制流程和视觉算法加持下，规避了远距离单目识别精度较低容易误判的情况，便于多水下航行器的回收，且能有效兼顾有效导引范围广、近距离导引精度高等优势。

技术领域

本发明涉及水下航行器视觉技术领域，具体为一种基于单目视觉的水下航行器精确导引入环的方法。

背景技术

近年来，随着技术的提升以及战略发展的需要，世界各国对资源的开发利用逐渐向广阔的海洋拓展。所谓“工欲善其事必先利其器”，水下航行器(AUV)作为辅助深海探测的工具得到了广泛的应用，拓宽了人们对未知水下环境的认识，在海洋研究、生态监测、军事侦察等领域有着重要而广泛的应用。

水下交会对接是解决AUV通信和运载能力受限一种快速有效的方法。在整个交会对接过程中，AUV的识别和自主跟踪是最基本的一步。一般来说，电磁传感器、声传感器和视觉传感器普遍被用于对水下目标的探测。其中，声学传感器因为测量范围广而被广泛应用，但精度较差。电磁传感器虽然精度较高，但是由于在水中衰减速率快导致测量范围较小。视觉传感器在短程探测方面具有明显的优势，识别精度可达到厘米级，而且体积小，便于携带和安装，更适用于近距离的精确导引及对接等。

现阶段基于特征点的视觉导引算法研究目前已较成熟。视觉导引算法根据导引实现需求存在不少于4个共面特征点即可实现相对位姿的估计，通过PnP(Perspective-n-Piont)算法求解AUV相对于目标的位置和姿态。但算法在求解过程中存在着多解和鲁棒性差等问题,且特征点的布置必须满足特定条件,在复杂的水下环境中受限因素较多，导致该方法在实际使用中不能够广泛得用于AUV的控制。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足,提出一种基于视觉的AUV精确对接入环的方法。该方法的特点是在多水下航行器协同系统中，跟随航行器利用单目相机采集母体航行器对接机构上信标如Aruco Marker的视觉信息，进而通过检测算法解析获得AUV的相对位姿信息。并进一步针对水体对光的吸收等因素，优选采用图像增强算法提高对接机构上信标Aruco Marker的对比度，提高其鲁棒性。同样进一步的，为提高图像处理速度采用KCF(Kernelized Correlation Filters)加速策略来减小图像遍历像素的数量。并进一步考虑在水下识别信标Aruco Marker有抖振和被遮挡等的情况，采用卡尔曼滤波器(Kalman Filter,KF)递归算法来消除噪音。本发明在合理的控制流程和视觉算法加持下，规避了远距离单目识别精度较低容易误判的情况，便于多水下航行器的回收，且能有效兼顾有效导引范围广、近距离导引精度高等优势。

本发明的技术方案是：

所述一种基于单目视觉的水下航行器精确导引入环的方法，用于多水下航行器协同系统中，多水下航行器协同系统至少包括一台母体AUV和一台跟随AUV，母体AUV和跟随AUV上安装方位姿态测量系统和多普勒测速仪，能够得到AUV实时的角速度和角度信息以及速度信息；跟随AUV前段安装单目相机；母体AUV上固定有对接机构，所述对接机构包括沿母体AUV轴向依次布置的若干对接环以及内侧限位板，对接环内劲大于对接AUV直径，当对接AUV到达预设定位置并对准后进入对接环后，内侧限位板能够对对接AUV进行轴向限位；在对接环上和内侧限位板上分别安装了信标Aruco Marker；