[發(fā)明專利]水下貝塞爾光視覺導(dǎo)引方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010465169.X
• 申請日: 2020-05-27
• 公開（公告）號: CN111596676B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王少蒙;王新偉;雷平順;周燕
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號: G05D1/06
• 分類號: G05D1/06
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 孫蕾

一種水下貝塞爾光視覺導(dǎo)引方法，包括以下步驟：按照標(biāo)志燈目標(biāo)模板選擇貝塞爾透鏡；貝塞爾標(biāo)志燈內(nèi)的高斯光束在經(jīng)過貝塞爾透鏡后呈現(xiàn)為線段光束；多個貝塞爾標(biāo)志燈點亮后，每個貝塞爾標(biāo)志燈的光束形成一條線段，多條光束線段形成標(biāo)志燈模態(tài)圖；在水下無人航行器自主回收過程中，水下攝像機(jī)中的圖像處理模塊對獲得水下貝塞爾標(biāo)志燈模態(tài)圖進(jìn)行圖像處理提取線段光束，并獲得特征點在攝像機(jī)坐標(biāo)下的坐標(biāo)；獲得攝像機(jī)坐標(biāo)系在塢站坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和姿態(tài)信息；給出水下無人航行器在塢站坐標(biāo)系下的三維空間坐標(biāo)和姿態(tài)信息。本發(fā)明適應(yīng)性好，靈活性強(qiáng)，可實現(xiàn)標(biāo)志燈機(jī)械結(jié)構(gòu)的小型化，實現(xiàn)標(biāo)志燈光束特征線段的準(zhǔn)確提取，提高定位精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水下光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種水下貝塞爾光視覺導(dǎo)引方法。

背景技術(shù)

自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)一種利用各種傳感器及其他任務(wù)模塊執(zhí)行水下作業(yè)任務(wù)，通過其自身搭載的能源設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)來進(jìn)行自主導(dǎo)航、自主決策與自主控制的水下機(jī)器人，在海洋科學(xué)研究、海洋工程作業(yè)、以及國防軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但AUV在水下作業(yè)的時間絕大程度上受限于其自身所攜帶的能源，當(dāng)AUV完成某一任務(wù)后，通常需要回收到水面支持平臺，以便補(bǔ)充能源、回收數(shù)據(jù)和下載新的使命任務(wù)。當(dāng)在大深度海底工作時，AUV的布放與回收要花費相當(dāng)長的時間若作業(yè)海域海況較差，回收過程會增加一定的風(fēng)險。為了提高AUV的水下作業(yè)時間、工作效率和降低風(fēng)險，通常采用水下光視覺技術(shù)進(jìn)行AUV自主回收。

圖1給出了傳統(tǒng)的水下多光源光視覺導(dǎo)引方法，在自主水下無人航行器AUV1的艏部裝配有水下攝像機(jī)2，塢站回收裝置3具有喇叭口形(漏斗形)的回收罩，大發(fā)散角的標(biāo)志燈4安裝在回收罩上，當(dāng)回收罩口徑較小時，則標(biāo)志燈光斑會出現(xiàn)交疊問題，導(dǎo)致水下攝像機(jī)2輸出的圖像中難以準(zhǔn)確提取各個傳統(tǒng)標(biāo)志燈6光斑的形心，從而無法有效定位AUV。

光視覺導(dǎo)引主要是利用AUV艏部攝像機(jī)抓取塢站標(biāo)志燈圖像并通過圖像特征與已知特征的匹配進(jìn)而計算出相對位置，用于高精度定位。現(xiàn)有的光視覺導(dǎo)引技術(shù)中主要有單目視覺導(dǎo)引、雙目視覺導(dǎo)引。

在現(xiàn)有的導(dǎo)引技術(shù)中，不管是是單目視覺導(dǎo)引還是雙目視覺導(dǎo)引，塢站處的光源標(biāo)志燈都存在相同的問題：

(1)標(biāo)志燈形心難以提取：在光視覺導(dǎo)引中，高精度的位姿解算需要標(biāo)志燈的中心位置的精確提取，傳統(tǒng)的光導(dǎo)引過程中一般采用的是大發(fā)散角的LED燈作為理想的圓形標(biāo)志燈，通過提取攝像機(jī)抓取圖像中標(biāo)志燈光斑形心作為其特征點，但是受水體及環(huán)境噪聲影響，標(biāo)志燈難以形成理想的圓形光斑，導(dǎo)致標(biāo)志燈形心提取不準(zhǔn)確，從而影響定位精度；

(2)標(biāo)志燈數(shù)量多受機(jī)械尺寸限制制約塢站裝置小型化：發(fā)散角大的LED標(biāo)志燈，僅能通過光斑形心提取燈的坐標(biāo)位置，需要至少4個標(biāo)志燈，離散布放在1m～3m直徑的塢站上，利用燈間的相對位置信息實現(xiàn)光視覺定位，，如果縮小塢站直徑，多個標(biāo)志燈的光斑難以分立，易交疊，無法有效提取標(biāo)志燈，這嚴(yán)重限制了該技術(shù)在AUV自主回收中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種水下貝塞爾光視覺導(dǎo)引方法，以期部分地解決上述技術(shù)問題中的至少之一。

為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一方面，提供了一種水下貝塞爾光視覺導(dǎo)引方法，包括以下步驟：

按照標(biāo)志燈目標(biāo)模板選擇貝塞爾透鏡；

貝塞爾標(biāo)志燈內(nèi)的高斯光束在經(jīng)過貝塞爾透鏡后呈現(xiàn)為線段光束；

多個貝塞爾標(biāo)志燈點亮后，每個貝塞爾標(biāo)志燈的光束形成一條線段，多條光束線段形成標(biāo)志燈模態(tài)圖；

在水下無人航行器自主回收過程中，水下攝像機(jī)中的圖像處理模塊對獲得水下貝塞爾標(biāo)志燈模態(tài)圖進(jìn)行圖像處理提取線段光束，并獲得特征點在攝像機(jī)坐標(biāo)下的坐標(biāo)；