基于視覺的AUV水下回收導(dǎo)引定位技術(shù)研究.pdf

1、計算機視覺以其所提供信息的豐富性在陸上得到廣泛應(yīng)用,但在水下應(yīng)用是目前具有挑戰(zhàn)性的研究課題。本論文針對未來海洋空間站對出站執(zhí)行任務(wù)的無人水下潛航器(Autonomous underwater vehicle,簡稱AUV)必須進行回收的需要,旨在研究開發(fā)一種水下視覺導(dǎo)引定位系統(tǒng),它能夠在近距離導(dǎo)引AUV以坐落塢艙的方式被海洋空間站回收。論文對該視覺系統(tǒng)展開如下所述的研究:
　　 面向?qū)€控位的視覺導(dǎo)引定位系統(tǒng)設(shè)計。坐落塢艙式回收要

2、求準(zhǔn)確的方向定位,因此采用對線控位的回收策略。采用光源作為導(dǎo)引目標(biāo),提出六種視覺導(dǎo)引定位系統(tǒng)方案。通過分析理論定位精度排除了精度偏低的單目單燈測距方案;通過分析有效導(dǎo)引范圍將選擇范圍縮小到結(jié)構(gòu)簡潔且性價比高的單目和雙目兩種方案;單目雙目測距對比實驗表明雙目測距精度雖好,但穩(wěn)定性較差,且易受導(dǎo)引光源性能和標(biāo)定誤差的影響。最終選擇了單目視覺方案,描述了它的硬件組成,設(shè)計了作為導(dǎo)引目標(biāo)的線形光源陣列。
　　 基于散射模型的水下圖像復(fù)原

3、與攝像機水下標(biāo)定。攝像機水下標(biāo)定時,由于海水的吸收、散射等作用,標(biāo)定板圖像退化嚴(yán)重,標(biāo)定特征難以被正確提取。提出基于散射模型的分段線性映射圖像復(fù)原方法。首先描述了所使用的水下光線散射模型,設(shè)計了一種在水池中標(biāo)定模型參數(shù)的實驗方法;將圖像復(fù)原過程視為從實測像素到退化前像素的分段線性映射,由退化前后直方圖之間的聯(lián)系給定該映射的約束條件,反推法得到一系列離散距離值,從而在散射模型基礎(chǔ)上構(gòu)建出完整的分段映射函數(shù);多次復(fù)原的結(jié)果說明方法具有適應(yīng)性

4、。在攝像機水下標(biāo)定中,將方法應(yīng)用于標(biāo)定板圖像復(fù)原,提高了板區(qū)域?qū)Ρ榷?使完整的板區(qū)域和所有標(biāo)定圓被正確檢出,得到有效可信的標(biāo)定結(jié)果。
　　 基于形態(tài)學(xué)分析的圖像導(dǎo)引特征提取。圖像導(dǎo)引特征包括三類:圖像上的所有光源區(qū)域、參考光源區(qū)域和相距最遠的兩光源區(qū)域。導(dǎo)引圖像經(jīng)過閾值分割后初步得到所有光源區(qū)域,但其中常混有偽光源干擾。選取七種水滴(BLOB)形態(tài)算子描述目標(biāo)區(qū)域,用多元高斯概率密度函數(shù)表示在真?zhèn)喂庠磧蓚€類別下該七維描述向量的條

5、件概率,基于樣本估計兩個類別的高斯概率分布參數(shù),采用貝葉斯最小錯誤率規(guī)則判別目標(biāo)區(qū)域的類別。在提取形狀區(qū)別于一般光源的參考光源區(qū)域時,以Canny邊緣檢測結(jié)果初始化Snake曲線(主動輪廓線),采用改進的Snake模型算法檢測出完整的心形參考光源輪廓線,在圖像金字塔上計算目標(biāo)輪廓線與模板庫中輪廓線的匹配度,得出最佳匹配結(jié)果。實驗證明上述方法可以有效剔除偽光源區(qū)域,正確提取出參考光源位置,為下一步定位解算打下基礎(chǔ)。
　　 基于線形

6、光源陣列的單目四自由度定位方法。當(dāng)AUV(攝像機)與塢艙平面平行時,給出AUV垂向、縱向、橫向和艏向的定位解算方法;進一步,當(dāng)AUV與塢艙平面不平行,即AUV發(fā)生縱(橫)傾時,提出攝像機虛擬旋轉(zhuǎn)法,在縱(橫)傾前后狀態(tài)之間建立一個過渡的虛擬狀態(tài),解算出虛擬狀態(tài)的定位信息再過渡到無縱(橫)傾狀態(tài),得出四自由度的精確定位方法。在水池中進行動態(tài)定位試驗考察了系統(tǒng)的有效導(dǎo)引范圍和抗擾動等性能,以短基線聲吶(Short Base-Line Son

7、ar,簡稱SBL)和高度計的測量值為準(zhǔn)衡量了系統(tǒng)的定位精度并對定位結(jié)果進行補償。
　　 視覺伺服與AUV水下回收試驗。針對不同對接階段研究了不同的導(dǎo)引策略,垂直面高度調(diào)整采用基于位置的視覺伺服,水平面三自由度調(diào)整采用基于圖像的視覺伺服。討論了水平面三自由度調(diào)整中圖像雅可比矩陣的確定方法,證明了該伺服系統(tǒng)無控制奇點,并在Matlab下進行了仿真試驗。最后描述AUV回收系統(tǒng),進行了AUV水下回收試驗。介紹了AUV、塢艙裝置及協(xié)調(diào)控制