[發明專利]一種基于單目視覺的AUV對接塢站光學引導方法

在審

• 申請號: 202110931538.4
• 申請日: 2021-08-13
• 公開（公告）號: CN113592958A
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 畢勝;劉旖恒;付先平
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G06T7/80
• 分類號: G06T7/80;G06T7/70;G06T7/136;G06T7/11;G06F17/12
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李馨

本發明提供一種基于單目視覺的AUV對接塢站光學引導方法，包括：設置引導光源；通過單目相機拍攝水下引導光源圖像，其中所述單目相機通過采用改進的張正友標定法進行標定；獲取相機水下非線性成像模型，并通過像素校正公式將引導光源圖像映射到空氣中，生成校正圖像；基于改進的自適應OTSU算法對所述校正圖像進行光源分割，基于像素加權質心的坐標計算獲取光源中心坐標；基于光源中心坐標，采用三對已知坐標點進行P3P計算對相機的位姿進行解算，進而獲得相機相對的位置信息。

技術領域

本發明涉及塢站對接引導領域，具體而言，尤其涉及一種基于單目視覺的AUV對接塢站光學引導方法。

背景技術

自主式水下潛器(Autonomous Underwater Vehicle，簡稱AUV)。自主式水下機器人是新一代水下機器人，具有活動范圍大、機動性好、安全、智能化等優點，成為完成各種水下任務的重要工具。AUV的準確回收是其能夠推廣使用的基礎。

常用的塢站引導回收方式，光源排布方案多采用四個相同單色燈呈菱形或正方形組合排布方式，利用張正友標定法獲取水下相機的內參和畸變參數。同時采用傳統OTSU算法分割光源圖像以獲得全部目標光源。最后采用傳統質心檢測獲取所有分割區域的質心作為目標光源的中心。

現有系統存在以下弊端：

現有水下引導光源的排布設計，未考慮光源排列的旋轉不變性問題、深度分辨率問題以及相機定位盲區的問題。另外因水下相機外部有一個防水殼，引入了光線的折射，導致水下成像模型不再是線性模型，導致張正友標定法不能直接使用在水下相機的標定和校正中。同時，常用的水下光源檢測方法為Hough圓形檢測法，通過對光源圓心的查找以確定光源中心坐標，以此為特征坐標點解算AUV最終的位置信息，并且該檢測法通常需要配合前期大量復雜的操作：自動曝光研究、圖像改進濾波等，并且其算法本身需考慮邊緣檢測閾值、圓形半徑范圍、相對圓心距離，所以該算法計算量大、占用CPU處理周期長。最后在實際的水下環境中，導引光源直射狀態下，光源圖像存在光暈等影響，而非直射狀態下，光暈影響尤其嚴重，使得傳統質心算法誤判光源中心，進而影響定位精度。

發明內容

鑒于現有技術的不足，本申請提供一種基于單目視覺的AUV對接塢站光學引導方法。對于AUV返回塢站開啟視覺引導的對接過程中，提供一種基于可見光的對接引導方法，使對接流程更安全和準確。

本發明采用的技術手段如下：

一種基于單目視覺的AUV對接塢站光學引導方法，包括：

設置引導光源，所述引導光源包括順時針設置在正方形頂點處的一號光源、二號光源、三號光源以及四號光源，其中一號光源為藍色光源，二號光源、三號光源以及四號光源均為綠色光源；

通過單目相機拍攝水下引導光源圖像，其中所述單目相機通過采用改進的張正友標定法進行標定；

獲取相機水下非線性成像模型，并通過像素校正公式將引導光源圖像映射到空氣中，生成校正圖像；

基于改進的自適應OTSU算法對所述校正圖像進行光源分割，基于像素加權質心的坐標計算獲取光源中心坐標；

基于光源中心坐標，采用三對已知坐標點進行P3P計算對相機的位姿進行解算，進而獲得相機相對的位置信息，將所述相機的相對位置信息發送給AUV控制系統實現引導。

進一步地，獲取相機水下非線性成像模型，采用改進的張正友標定法對模型進行標定，包括：

在實驗水槽一側布置相機，另一側布置平面標定板，拍攝在空氣中的平面標定板圖片，拍攝過程中移動平面標定板，當最后一張平面標定板照片拍攝完后固定標定板位置不變；

使用張氏標定法對相機進行標定得到相機內參以及最后一張標定板姿態所對應的外參；