一種基于雙目光視覺引導的智能水下機器人自主對接方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于雙目光視覺引導的智能水下機器人的自主對接方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，智能水下機器人技術在世界各國的廣泛關注和大量資源投入進行研發的 情況下，得到了較快的發展且日趨成熟。與有纜遙控水下機器人、載人潛水器等水下作業 裝備相比，具有作業效率高、智能化水平高、生產成本低、無需專用母船支持等顯著優勢，目 前已經在海洋生態研宄、海洋地質科學、海底沉物搜索、油氣管線檢測等領域得到了越來越 廣泛的應用。然而在目前的技術條件下，智能水下機器人在海洋環境下的適用性受到氣象 條件、能源技術、通信方式等因素的制約，仍然沒有達到理想的應用狀態。針對這些技術瓶 頸發展智能水下機器人的自主對接技術，使智能水下機器人能夠在水下進行任務上傳或下 載、能源補充和數據交換，從而大幅度提高水下連續作業時間和連續航程，具有在較惡劣海 況下進行布放、回收的能力，對推動智能水下機器人技術的迅速發展和廣泛應用具有重要 意義。
[0003] 智能水下機器人的自主對接技術是指智能水下機器人采用一定引導方法獲得對 接裝置的相對位置和姿態，自主調整自身的運動狀態進入對接裝置并進行可靠固定，從而 實現任務上傳或下載、能源補充和數據交換的一種先進技術。智能水下機器人的引導方法 是實現自主對接的關鍵，目前主要包括水聲、電磁場、光視覺等方式。其中水聲引導的有效 作用距離可達2千米，但容易受到各種噪聲干擾，在近距離處的引導精度較差；電磁場引導 的作用距離較近，并且容易受到機器人本身的電磁干擾和海底的地磁場干擾；光視覺引導 的有效作用距離視水質而定，一般可達幾十米，引導精度較高，適用于自主對接過程的末引 導。現有的光視覺引導方法主要有兩種機制：其一是利用攝像機獲取對接裝置的影像并對 其位置和姿態進行辨識，這種機制的有效作用距離較小且可靠性差；其二是在對接裝置上 安裝引導光源，利用攝像機獲取引導光源的影像并估算對接裝置的方位和距離，這種機制 的有效作用距離較大且可靠性高，但現有的距離計算方法較粗略且準確性較差。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種針對現有的光視覺引導方法的準確性低、可靠性差、作 用距離小的不足之處，能夠引導智能水下機器人實現準確、可靠的自主對接的基于雙目光 視覺引導的智能水下機器人的自主對接方法。
[0005] 本發明的目的是這樣實現的：
[0006] (1)對雙目光視覺系統進行立體標定；
[0007] (2)圖像采集模塊采集雙目光視覺圖像，通過總線傳輸至光視覺處理計算機；
[0008] (3)對第二步得到的圖像進行標準化處理和校正；
[0009] (4)對第三步得到的圖像進行高斯降采樣；
[0010] (5)對第四步得到的高斯降采樣圖像進行非線性變換；
[0011] (6)計算第五步得到的非線性變換的結果的直方圖，根據直方圖選擇一定比例的 像素，根據灰度值進行排序形成有序列表；
[0012] (7)依次從第六步得到的有序列表中取出一個像素，以該像素為種子點執行區域 生長算法得到待選區域；
[0013] (8)根據第七步得到的待選區域的面積和圓形度選擇疑似光源區域；
[0014] (9)判斷是否已遍歷第六步得到的有序列表，若為是，轉至第十步，若為否，轉至第 七步；
[0015] (10)對第八步得到的疑似光源區域進行聚類和隨機檢驗得到光源區域；
[0016] (11)對第十步得到的光源區域進行匹配得到平均視差；
[0017] (12)根據第十一步得到的平均視差計算引導光源的三維空間坐標，將其發送至運 動控制計算機；
[0018] (13)運動控制計算機根據第十二步得到的引導光源坐標進行運動路徑的規劃；
[0019] (14)判斷智能水下機器人是否已成功實現對接，若為否，轉至第二步，若為是，則 本流程運行結束。
[0020] 本發明在技術方面的有益效果在于：
[0021] (1)本發明采用的對接裝置具有圓錐導向罩和對接管形式的結構，能夠容許較大 的對接位置偏差且有利于實現可靠的鎖緊固定，保證了自主對接方法的高可靠性。
[0022] (2)本發明中，采用雙目光視覺系統獲取引導光源的圖像，通過計算引導光源在 雙目光視覺系統中的視差得到引導光源的準確的三維空間坐標，保證了引導方法的高精確 性。
[0023] (3)本發明中，對采集的雙目光視覺系統的左視圖和右視圖進行了高斯降采樣和 非線性變換，不但有效抑制了圖像中的噪聲，還降低了計算消耗，保證了自主對接方法的實 時性和魯棒性。
[0024] (4)本發明中，采用了區域生長算法和K均值聚類方法提取引導光源區域，并采用 Rank變換和Census變換實現光源區域的匹配，能夠有效剔除偽光源的干擾，保證了引導方 法的高準確性和強抗干擾能力，同時具有較好的實時性。
【附圖說明】
[0025] 圖1用于雙目光視覺引導的智能水下機器人；
[0026] 圖2用于雙目光視覺引導的對接裝置；
[0027] 圖3左視圖標準校正圖像；
[0028] 圖4右視圖標準校正圖像；
[0029] 圖5左視圖非線性變換結果；
[0030] 圖6右視圖非線性變換結果；
[0031] 圖7左視圖區域生長結果；
[0032] 圖8右視圖區域生長結果；
[0033] 圖9左視圖光源區域匹配結果；
[0034] 圖10右視圖光源區域匹配結果；
[0035] 圖11基于雙目光視覺引導的智能水下機器人自主對接算法流程圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面結合附圖舉例對本發明作進一步的詳細描述。
[0037] 智能水下機器人具有典型的舵翼聯合操控的欠驅動形式，在其艏部安裝雙目光視 覺系統，在其密封的儀器艙中搭載圖像采集模塊、光視覺處理計算機和運動控制計算機，對 接裝置具有圓錐導向罩和對接管形式的結構，并在圓錐導向罩的外側邊緣安裝引導光源。
[0038] 本發明的目的是提供一種基于雙目光視覺引導的智能水下機器人的自主對接方 法，該方法針對現有的光視覺引導方法的準確性低、可靠性差、作用距離小的不足之處，采 用雙目光視覺對智能水下機器人進行引導，得到對接裝置的精確位置，并用于機器人的路 徑規劃和運動控制，從而引導機器人實現準確、可靠的自主對接。
[0039] 結合圖1，適用于雙目光視覺引導的智能水下機器人具有典型的舵翼聯合操控的 欠驅動形式，在其密封的儀器艙中搭載運動控制計算機1、圖像采集模塊2和光視覺處理計 算機3,在其艏部安裝