[發明專利]一種用于水下機器人的單目視覺定位方法

有效

• 申請號: 201710499542.1
• 申請日: 2017-06-27
• 公開（公告）號: CN107300382B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 高劍;趙新元;嚴衛生;崔榮鑫;張福斌
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C21/20;G01C11/00;G01S13/88
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 陳星

本發明提出一種用于水下機器人的單目視覺定位方法，首先布置標志物，而后根據采集的圖像，優化計算放大倍數mag，通過多次采集獲得多個樣本數據，建立放大倍數mag與航向角ψ以及比例值dd的函數關系；而后在實際應用中，根據航向角以及由實際采集圖像計算的比例值dd計算放大倍數，通過幾何方法計算機器人坐標。該方法在確保較高定位精度的情況下，極大降低了單目視覺定位方法的復雜度，提高了時效性，使得其可以應用到沒有精確數學模型的系統中，或者對實時性要求較高的系統中，或者價格低廉、處理性能有限的硬件平臺上。

技術領域

本發明涉及視覺定位技術領域，具體為一種用于水下機器人的單目視覺定位方法，是一種在二維平面內進行單目視覺定位的簡易方法，特別適用于無人水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)等水下機器人的對接回收工作。

背景技術

能夠確定自身相對于特定目標的位置，是水下機器人成功執行作業任務的必要條件。但是，復雜的水下環境給機器人的精確定位帶來很多難題。由于不能使用GPS信號進行定位，高精度慣性導航系統融合水聲定位系統是目前通常采用的水下作業定位方法。此類系統的成本很高，而且水聲定位周期較長、近距離相對誤差較大，不滿足水下精確作業的要求。隨著圖像處理技術的日漸成熟，視覺定位方法越來越多地應用到水下機器人的作業任務中。與水聲定位系統相比，視覺系統具有更新率高、測量精度高、成本低、系統可靠等優點，并且可以應用于非結構自然環境中。

從相機的數目來區分，視覺定位可分為單目定位與雙目定位。雙目定位可以直接獲取目標物的深度信息，但是該定位算法比較復雜，運算周期長，而且水下環境的復雜性影響了圖像特征提取與匹配的精度。因此，雙目視覺定位并沒有廣泛地應用到水下視覺定位任務中。

很多研究者嘗試改進單目視覺定位方法以獲得深度信息。一般說來，常見的方法有兩種：一種是幾何方法，一種是擴展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter,EKF)算法。許多學者在理論上對EKF定位算法做了研究并改進。但是，該方法要求機器人的模型精確已知——在大多數情況下，這是很難實現的。并且，該方法的計算繁雜，不適用于對實時性要求較高的系統。

發明內容

為解決現有技術存在的問題，本發明提出一種用于水下機器人的單目視覺定位方法，采用幾何算法，既能夠擺脫對系統模型的依賴，又能夠極大地簡化計算過程，而且該方法便于實施，能夠用到水下機器人的實際定位任務中。

本發明實現過程中，需要兩個標志物，標志物是機器人通過視覺將要識別的特征，在實驗開始前應精確已知兩標志物之間的距離，通過對兩個標志物的識別和一定的幾何運算，機器人能夠獲得本體相對于兩個標志物連線中點的坐標。為了便于識別、減小定位誤差，標志物應當與背景有足夠的區分度，并且標志物的幾何尺寸與兩標志物的間距之比應當較小(例如小于1/20)。發明人所做實驗中使用的標志物為桿狀標記物，其中桿的外徑為5cm，兩桿間距為2.0m。兩根桿分別為紅色和綠色，與水體背景有足夠的區分度。

水下機器人將通過搭載的相機采集圖像，通過搭載的計算機進行圖像特征提取及定位計算，并利用定位信息執行一定的操作。本發明采用基于幾何方法的定位算法，為了取得較好的定位效果，相機應安裝在機器人的中軸線上。發明人所做實驗中使用的水下機器人為全驅動結構，最大航行速度1m/s。相機的分辨率為780×580，焦距5mm，最大幀率67fps(實驗使用幀率5fps)。

方法實現中需要定義如圖1所示的兩個坐標系：全局坐標系E和載體坐標系B。本發明使用幾何方法解決單目視覺定位問題。圖1中點4代表所需識別的兩個標志物。全局坐標系的原點O_e選在兩個標志物連線的中點處，載體坐標系的原點O_b選在機器人的重心處。各坐標軸的正方向參見圖1。ψ表示機器人在全局坐標系下的航向角，定義為X_e軸與X_b軸的夾角，正方向如圖1所示。