UUV馱載式回收過程中視覺導(dǎo)引技術(shù)研究.pdf

1、隨著不可再生資源頻頻告急,各國對(duì)海洋資源競爭日益激烈,無人水下潛航器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)作為一種海洋開發(fā)的重要裝備,已成為各國研究機(jī)構(gòu)及大學(xué)重要的研究項(xiàng)目,也是各國軍隊(duì)要大力發(fā)展的軍事力量。UUV準(zhǔn)確、安全回收是保證水下任務(wù)連續(xù)性和隱蔽性等的必要條件和關(guān)鍵技術(shù),而馱載式回收以其優(yōu)越的隱蔽性和機(jī)動(dòng)性受到越來越多的青睞。UUV與母艇的對(duì)接是馱載式回收至關(guān)重要的步驟,對(duì)定位精度有非常高的要求,而視

2、覺傳感器能夠提供直觀豐富的環(huán)境信息,相比于其它傳感器,它的近距離定位精度最高,但由于水下可見度低、生物種類繁多和環(huán)境復(fù)雜多變,使得水下視覺應(yīng)用比較困難,所以水下視覺應(yīng)用技術(shù)是非常具有挑戰(zhàn)性的研究課題。本文以UUV馱載式水下回收為研究背景,旨在研究一種單目視覺導(dǎo)引定位技術(shù),以滿足UUV近距離高精度回收對(duì)接的需求。
　　一、導(dǎo)引光源系統(tǒng)及定位原理
　　本文采用線性導(dǎo)引光源系統(tǒng)作為UUV(腹部正中安裝有攝像機(jī))對(duì)母艇橫向、縱向、垂

3、向和艏向四自由度定位的導(dǎo)引目標(biāo)。該系統(tǒng)包含參考光源和普通導(dǎo)引光源,其中參考光源用來識(shí)別母艇的艏向,普通光源用來對(duì)母艇橫向、縱向和垂向定位。為消除UUV運(yùn)動(dòng)過程中可能出現(xiàn)的橫搖或縱傾對(duì)定位精度的影響,利用攝像機(jī)虛擬旋轉(zhuǎn)法對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)母艇四自由度定位信息的精確計(jì)算。
　　二、導(dǎo)引光源區(qū)域提取
　　正確、精準(zhǔn)地提取光源區(qū)域是精確計(jì)算四自由度定位信息的前提,本文對(duì)傳統(tǒng)的二維Otsu算法進(jìn)行改進(jìn),以更準(zhǔn)確、快速地分割出光源區(qū)域,

4、滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求;針對(duì)改進(jìn)的二維Otsu算法得到的初始分割區(qū)域可能包含偽光源區(qū)域的問題,對(duì)初始分割區(qū)域進(jìn)行Blob分析,根據(jù)貝葉斯決策準(zhǔn)則對(duì)所有區(qū)域進(jìn)行分類,進(jìn)而剔除偽光源;為去除提取的光源區(qū)域輪廓線毛刺和小面積干擾區(qū)域,運(yùn)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算子對(duì)其進(jìn)行修正,得到輪廓線光滑的導(dǎo)引光源區(qū)域,有利于提取中心特征點(diǎn)。對(duì)水池試驗(yàn)圖像進(jìn)行后處理,結(jié)果表明本章所述方法能夠準(zhǔn)確、快速地提取出導(dǎo)引光源區(qū)域。
　　三、基于特征點(diǎn)匹配光流法的運(yùn)動(dòng)檢測

5、
　　在馱載式回收過程中,母艇和UUV均處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),為滿足馱載式回收的定位需求,UUV需計(jì)算母艇的速度信息。在二者均處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的情況下,針對(duì)連續(xù)幀間圖像背景會(huì)發(fā)生較大的變化,而整幅圖像全局光流場的計(jì)算量大的問題,采用基于特征點(diǎn)匹配的光流法以降低全局光流場計(jì)算的時(shí)間和空間復(fù)雜度,可滿足回收系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。對(duì)視頻序列中連續(xù)幀圖像間的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配,計(jì)算其光流場,就可得到母艇與UUV的相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息,通過坐標(biāo)變換即可求得母艇在世界

6、坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)母艇定位。
　　四、馱載式回收視覺導(dǎo)引定位模擬實(shí)驗(yàn)
　　結(jié)合實(shí)際回收任務(wù)方式,設(shè)計(jì)了母艇直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和復(fù)合曲線運(yùn)動(dòng)三種回收方案,利用十一自由度臺(tái)架、單目攝像機(jī)和導(dǎo)引光源系統(tǒng)模擬UUV馱載式回收過程,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所述的導(dǎo)引光源提取和運(yùn)動(dòng)檢測算法能夠滿足馱載式回收對(duì)定位精度的要求,且該視覺導(dǎo)引定位技術(shù)合理可行。
　　綜上所述,論文將對(duì)UUV馱載式回收對(duì)接過程中單目視覺導(dǎo)引定位的關(guān)鍵技術(shù)和