[發明專利]基于視覺和激光雷達信息融合的水面無人艇自主補給方法

在審

• 申請號: 202310258108.X
• 申請日: 2023-03-16
• 公開（公告）號: CN116382272A
• 公開（公告）日: 2023-07-04
• 發明（設計）人: 張佩;陳成;封佳祥;錢曉立;黃文斌;王建;徐昊;王力鋒;馬陳飛;鄭宏偉;苗川
• 申請（專利權）人: 中國船舶集團有限公司第七○八研究所
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 翁若瑩;張業民

1.一種基于視覺和激光雷達信息融合的水面無人艇自主補給方法，其特征在于，利用視覺圖像信息特征豐富的特點，以視覺檢測結果為先驗信息，將視覺定位信息與激光雷達點云空間信息進行融合，獲取精確的對接定位信息，同時結合目標跟蹤預測的搜索框進行目標融合檢測，縮短了檢測耗時。

2.根據權利要求1所述的一種基于視覺和激光雷達信息融合的水面無人艇自主補給方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：水面無人艇發出補給請求，大型補給船通過一定通訊手段接收到補給請求后，以一定航速和航向在指定區域巡航待機；

步驟2：水面無人艇通過艇載GPS和導航雷達得到大型補給船絕對位置信息，依靠艇載自主航行控制系統，以一定規劃和控制策略到達指定區域，即水面無人艇與大型補給船匯合區域，同時在持續靠近大型補給船的過程中，通過大型補給船航向和水面無人艇運動最新點到大型補給船運動最新點航線間的夾角，判斷目前水面無人艇位于大型補給船左舷或右舷，并控制水面無人艇從大型補給船右舷側靠近；

步驟3：水面無人艇到達匯合區域后，進入補給對接階段，大型補給船在右舷側放下補給錐管，同時水面無人艇攝像頭和激光雷達系統開啟，水面無人艇導航模式由GPS和導航雷達模式轉變為視覺和激光雷達模式；

步驟4：補給對接階段，水面無人艇的攝像頭和激光雷達持續拍攝和掃描補給錐管末端的補給錐套，進行目標融合檢測和跟蹤，通過攝像頭拍攝的圖像判斷攝像頭視角內出現的目標物體類型及其位置姿態信息，同時將激光雷達掃描的三維點云信息映射到攝像頭二維平面，根據目標類型及其位置信息篩選點云圖像，然后進行圖像匹配，得到雷達掃描后的目標物體的位置和姿態信息，將攝像頭和激光雷達傳感器得到的目標物體位置和姿態信息，以及目標物體種類信息進行融合輸出；

步驟5：水面無人艇根據攝像頭和激光雷達融合輸出結果，引導水面無人艇以一定軌跡跟蹤策略靠近補給錐套口，并在規定時間內到達補給距離，穩定后以一定航速和航向保持伴隨跟蹤姿態，水面無人艇伸出補給插頭，通過融合輸出結果，引導補給插頭插入補給錐套，完成對接；

步驟6：水面無人艇進入補給階段后，與大型補給船間仍保持伴隨航行姿態，然后打開補給閥門，將補給物資輸送給水面無人艇，補給結束后，關閉補給閥門；

步驟7：補給結束后，水面無人艇導航模式由視覺和激光雷達模式切換回GPS和導航雷達模式，并在水面無人艇自主航行控制系統控制下緩慢減速，實現補給插頭與補給錐套分離，在連接斷開后通過GPS和導航雷達駛離匯合區域，繼續執行指定任務。

3.根據權利要求2所述的一種基于視覺和激光雷達信息融合的水面無人艇自主補給方法，其特征在于，所述步驟3中的補給錐管呈L型，由大型補給船右舷側伸出，補給錐管艉部帶有圓錐形的補給錐套。

4.根據權利要求2所述的一種基于視覺和激光雷達信息融合的水面無人艇自主補給方法，其特征在于，所述步驟4中的補給對接階段包含目標融合檢測和目標跟蹤，即在攝像頭和激光雷達成功檢測到補給錐套后，利用圖像跟蹤算法對補給錐套進行跟蹤，在預測的搜索框中進行補給錐套目標融合檢測，縮短檢測耗時。

5.根據權利要求2所述的一種基于視覺和激光雷達信息融合的水面無人艇自主補給方法，其特征在于，所述步驟4中的目標融合檢測包含時序控制模塊、空間修正模塊、目標匹配模塊和目標融合檢測模塊；其中時序控制模塊主要完成不同時間步視覺和雷達圖像的匹配時機控制，通過中央處理單元進行不同傳感器時間戳同步；空間修正模塊將攝像頭和激光雷達坐標系下目標的空間特征信息轉換到統一坐標系下進行時空配準，空間修正模塊設計真實世界三維坐標系、攝像頭坐標系、圖像坐標系和像素坐標系間的轉換，將真實世界坐標系定為激光雷達坐標系；目標匹配模塊在統一的時域和空域下，計算激光雷達聚類后的點族中心圓和視覺圖像檢測出的矩形框的交并比IOU，根據交并比大小判斷是否為同一目標；目標融合檢測模塊基于攝像頭和激光雷達獲取的目標類型、目標位置和姿態信息，通過證據理論方法進行多源異構目標決策級融合，得到目標一致性解釋和描述。