[发明专利]一种基于单目视觉的AUV对接坞站光学引导方法

说明书

本发明提供一种基于单目视觉的AUV对接坞站光学引导方法，包括：设置引导光源；通过单目相机拍摄水下引导光源图像，其中所述单目相机通过采用改进的张正友标定法进行标定；获取相机水下非线性成像模型，并通过像素校正公式将引导光源图像映射到空气中，生成校正图像；基于改进的自适应OTSU算法对所述校正图像进行光源分割，基于像素加权质心的坐标计算获取光源中心坐标；基于光源中心坐标，采用三对已知坐标点进行P3P计算对相机的位姿进行解算，进而获得相机相对的位置信息。

技术领域

本发明涉及坞站对接引导领域，具体而言，尤其涉及一种基于单目视觉的AUV对接坞站光学引导方法。

背景技术

自主式水下潜器(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)。自主式水下机器人是新一代水下机器人，具有活动范围大、机动性好、安全、智能化等优点，成为完成各种水下任务的重要工具。AUV的准确回收是其能够推广使用的基础。

常用的坞站引导回收方式，光源排布方案多采用四个相同单色灯呈菱形或正方形组合排布方式，利用张正友标定法获取水下相机的内参和畸变参数。同时采用传统OTSU算法分割光源图像以获得全部目标光源。最后采用传统质心检测获取所有分割区域的质心作为目标光源的中心。

现有系统存在以下弊端：

现有水下引导光源的排布设计，未考虑光源排列的旋转不变性问题、深度分辨率问题以及相机定位盲区的问题。另外因水下相机外部有一个防水壳，引入了光线的折射，导致水下成像模型不再是线性模型，导致张正友标定法不能直接使用在水下相机的标定和校正中。同时，常用的水下光源检测方法为Hough圆形检测法，通过对光源圆心的查找以确定光源中心坐标，以此为特征坐标点解算AUV最终的位置信息，并且该检测法通常需要配合前期大量复杂的操作：自动曝光研究、图像改进滤波等，并且其算法本身需考虑边缘检测阈值、圆形半径范围、相对圆心距离，所以该算法计算量大、占用CPU处理周期长。最后在实际的水下环境中，导引光源直射状态下，光源图像存在光晕等影响，而非直射状态下，光晕影响尤其严重，使得传统质心算法误判光源中心，进而影响定位精度。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本申请提供一种基于单目视觉的AUV对接坞站光学引导方法。对于AUV返回坞站开启视觉引导的对接过程中，提供一种基于可见光的对接引导方法，使对接流程更安全和准确。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于单目视觉的AUV对接坞站光学引导方法，包括：

设置引导光源，所述引导光源包括顺时针设置在正方形顶点处的一号光源、二号光源、三号光源以及四号光源，其中一号光源为蓝色光源，二号光源、三号光源以及四号光源均为绿色光源；

通过单目相机拍摄水下引导光源图像，其中所述单目相机通过采用改进的张正友标定法进行标定；

获取相机水下非线性成像模型，并通过像素校正公式将引导光源图像映射到空气中，生成校正图像；

基于改进的自适应OTSU算法对所述校正图像进行光源分割，基于像素加权质心的坐标计算获取光源中心坐标；

基于光源中心坐标，采用三对已知坐标点进行P3P计算对相机的位姿进行解算，进而获得相机相对的位置信息，将所述相机的相对位置信息发送给AUV控制系统实现引导。

进一步地，获取相机水下非线性成像模型，采用改进的张正友标定法对模型进行标定，包括：

在实验水槽一侧布置相机，另一侧布置平面标定板，拍摄在空气中的平面标定板图片，拍摄过程中移动平面标定板，当最后一张平面标定板照片拍摄完后固定标定板位置不变；

使用张氏标定法对相机进行标定得到相机内参以及最后一张标定板姿态所对应的外参；