[发明专利]面向水下机器人集群的视觉定位与近距离密集编队方法

说明书

本发明公开面向水下机器人集群的视觉定位与近距离密集编队方法。包括矢量和标量标志灯组模块，全向水下高清摄像机模块以及图像处理及编队控制模块。多个水下机器人执行编队任务时，所有水下机器人开启矢量及标量标志灯并通过全向水下高清摄像机组获取临近其他水下机器人的矢量或标量标志灯所形成的光学图像；对获取到的图像进行图像处理并计算多个临近水下机器人目标的空间三维坐标及其姿态，并根据编队队形任务计算控制指令，组成稳定的水下机器人编队。该方法在水下机器人载体上实现高精度视觉定位，并在此基础上实现无通信条件下稳定的水下机器人集群编队。搭载该方法的水下机器人集群可以在自主航行中自由切换队形，无需修改任何硬件设置。

技术领域

本发明涉及水下机器人集群的视觉定位与近距离密集编队，具体地说是一种面向水下机器人集群的视觉定位与近距离密集编队方法。

背景技术

相比于单一的水下机器人，水下机器人集群系统在海底侦查、探索等任务中具有极大优势。此外，在大范围协同探测、对抗、打击和信息组网等领域，水下机器人集群系统可以协作完成，而单个水下机器人由于受到自身的限制难以完成任务。

水下机器人集群系统中水下机器人之间互相的感知定位是关键的一环，但是水下的通信和感知手段有限，声学定位与视觉定位是目前通常使用的两种方法。稳定的水下机器人集群系统依赖于稳定准确的相互定位，但声学定位方法抗干扰性差且定位精度低，不适用于短距离情况下的多水下机器人的高精度协同运动控制。

视觉定位方法通过获得的图像信息经过算法处理得到目标的位姿。其中，深度相机通过发射和接受红外光来实现距离测量，不适用于水下环境；双目相机通过左右相机的成像关系来解算目标距离，但双目相机体积较大，安装精度要求高且获取图像数据量大，不适用于水下机器人。单目相机体积小，安装灵活，采集图像数据量相对较少，满足在微型数据处理平台上进行视觉定位计算的基本需求。针对大视野视觉定位需求，广角或鱼眼相机存在较大相机畸变且受限于相机传感器尺寸，无法实现高精度视觉定位。因此，多相机组合并结合特定相机启用策略，是大视野视觉定位的最佳选择。

目前经典的机器人编队算法可以分为人工势场法、虚拟结构法、基于行为控制法、基于路径跟随法、基于信息一致性法以及跟随领航者法几种。人工势场法是通过最小化个体势场实现编队控制。虚拟结构法是将编队的所有成员视作一个整体进行处理，以实现机器人编队。基于行为控制法是将任务分解成驶向路径点、编队保持等基本行为，通过行为融合实现编队控制。基于路径跟随法是将任务进行时空分解，得到空间上的路径跟随任务和时间上的协调同步任务，进而实现编队。基于信息一致性法是将系统中各智能体量化信息在适当控制律作用下趋于某种一致性。跟随领航者法是跟随者依据相对于领航者的距离及方位信息跟随领航者以实现编队。机器人编队领域虽存在多种控制算法，但对于水下机器人尚未实现准确稳定的编队功能。目前水下机器人编队存在以下问题：

(1)多种水下机器人编队方案中相互位置信息的获取依赖于声学定位，但声学定位方式难以在近距离内获得快速、稳定、准确的定位信息。

(2)现有的单目视觉定位算法虽在硬件设置上十分便捷，但难以获取准确的目标三维坐标以及姿态信息，且极易出现目标被遮挡情况，从而无法实现立体的水下机器人编队。

(3)目前虽已经存在多种水下机器人编队控制方法，但过于复杂或鲁棒性差，实体水下机器人上难以获得稳定的编队效果。

发明内容

针对以上水下机器人编队方面存在的问题，提出面向水下机器人集群的视觉定位与近距离密集编队方法。通过在水下机器人载体上安装激光矢量标志灯组，发射多条激光光线作为标志，同时在水下机器人的艏段和艉段部署标量标志灯，使用水下机器人艏段的高清摄像头获取图像信息，得到其他水下机器人高精度的相对位置和姿态，并根据编队队形发出控制指令，实现水下机器人编队功能。解决了水下环境中通信困难从而难以获取准确位置信息的难题，使用单目相机的方式进行视觉定位可在算力有限的小型嵌入式平台上进行部署，在极小的硬件空间内实现了水下机器人定位与编队控制。