CN105809684B - 一种自主式水下机器人的光学引导回收系统及其回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主式水下机器人的光学引导回收系统及其回收方法。自主式水下机器人对线型引导光源阵列进行梳状搜索，在发现引导光源后计算其三维空间坐标，根据引导光源的数量自适应地采用视线法或横向轨迹偏差法规划目标艏向角，并基于模糊PID控制器和S面控制器设计了两层跟踪控制体系。本发明使自主式水下机器人能够实现高可靠性、高鲁棒性、高成功率的水下自主对接，可通过增加光源阵列的长度得到满足实际应用需求的有效引导距离。

Description

一种自主式水下机器人的光学引导回收系统及其回收方法

技术领域

本发明属于水下机器人回收领域，尤其涉及利用线型光源阵列引导的，一种自主式水下机器人的光学引导回收系统及其回收方法。

背景技术

近年来海洋经济开发在世界各国得到了重视，自主式水下机器人(AutonomousUnderwater Vehicle,AUV)具有作业效率高、连续航程远、智能化水平高、生产成本低的显著优势，在海洋生态研究、海洋地质科学、水文地理勘察、海底沉物搜索、油气管线检测等领域得到了越来越广泛的应用。然而在目前的科学技术水平条件下，自主式水下机器人的大规模应用仍然受到了能源技术、通信方式、海况条件等因素的制约，在作业过程中需要定期回收到支持母船上进行能源补充、数据传输、任务下载等操作，并且在较恶劣的海况下无法进行布放和回收作业。因此，发展自主式水下机器人的回收技术，使自主式水下机器人能够在水下进行能源补充、数据传输、任务下载等操作，从而显著提高在高海况下全天候的的作业能力、续航能力和作业效率，为自主式水下机器人技术的产业化和大规模应用奠定重要的技术基础，对推动海洋资源的开发利用和海洋经济的发展具有重要意义。

美国Hydroid公司利用REMUS 100AUV研制了圆锥导向罩式的对接回收系统，该系统采用高精度数字超短基线(Ultra-short BaseLine,USBL)作为引导定位传感器，有效引导距离可达3000米，分辨能力小于0.5°，目前已经完成了海上对接试验，成功率达到77％以上，但USBL引导方式存在信号多径效应引起的相位模糊，在近距离(10米以内)的引导定位精度较差造成对接成功率下降。美国伍兹霍尔海洋研究所和麻省理工学院联合研制了Odyssey II B AUV水下对接回收系统，采用了以杆为捕捉目标的对接方式和电磁传感器引导定位方式，但系统结构比较复杂，需要对AUV进行改造，电磁传感器较易受到地磁场和海底局部磁场的干扰。韩国的KORDI研究所在ISiMI AUV基础上研制了圆锥导向罩式的对接回收系统，该系统在对接装置的环形外缘安装5只引导光源，AUV通过CCD摄像机和内部的图像处理单元实现对引导光源位置的估算，采用视觉伺服控制方法引导AUV进入对接机构，该系统的特点是在近距离(30米以内)的引导定位精度较高，但有效作用距离相对较近。新加坡国立大学的Ken Teo等人研制了DSO AUV水下对接回收系统，采用了圆锥导向罩式的对接结构，考虑到波浪和海流的扰动作用，采用USBL和多普勒速度计(DVL)进行导航数据融合，在实际海上试验中成功进行了数次对接。对相关文献资料的综合分析表明，现有的水下回收方法均存在一定的局限性，无法满足在海洋环境下实际应用的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种可靠性高的，一种自主式水下机器人的光学引导回收系统。本发明的目的好包括提供一种鲁棒性高、成功率高的一种自主式水下机器人的光学引导回收方法。

一种自主式水下机器人的光学引导回收系统，包括自主式水下机器人和引导回收平台；

自主式水下机器人具有典型的舵翼联合操控的欠驱动形式，自主式水下机器人艏部安装有光学摄像机，自主式水下机器人后部安装有高度计，自主式水下机器人的密封舱中搭载光学图像处理单元和运动控制单元，光学图像处理单元采集光学摄像机的图像数据并进行处理，运动控制单元采集高度计的数据并转发给图像处理单元，光学图像处理单元和运动控制单元进行信息交互；

引导回收平台上安装有标记对接回收位置的引导光源，引导回收平台上安装有刚性杆状构件，刚性杆状构件一端位于导引回收平台上，另一端延伸出导引回收平台外，刚性杆状构件上安装有线型光源阵列和动力定位装置。

本发明一种自主式水下机器人的光学引导回收系统，还可以包括：

引导光源为四只呈菱形排列的发光二极管。

一种自主式水下机器人的光学引导回收方法，包括以下步骤，

步骤一：自主式水下机器人在引导回收平台附近进行梳状搜索，图像处理单元通过光学摄像机采集图像并进行处理，判断是否发现引导光源，若为否，继续进行梳状搜索，若为是，转至步骤二；

步骤二：图像处理单元采集一帧图像并计算出引导光源的三维空间坐标，若引导光源数量为1，转至第三步，若引导光源数量不小于2，转至第四步；

步骤三：根据引导光源的三维空间坐标，运动控制单元采用视线法调整自主式水下机器人的艏向角，调整完成后转至步骤二；

步骤四：判断引导光源的排列形式，若呈直线型排列，转至步骤五，若呈菱形排列，转至步骤六；

步骤五：运动控制单元采用横向轨迹偏差法调整自主式水下机器人的艏向角，调整完成后转至步骤二；

步骤六：自主式水下机器人到达引导回收平台上方预定对接回收位置，实现回收。

一种自主式水下机器人的光学引导回收方法，还可以包括：

1、判断是否发现引导光源的方法为：

(1)图像处理单元通过光学摄像机采集一帧图像，并将其由彩色图像转换为灰度图像I，像素在转换后的灰度图像中具有的灰度值f，

f＝0.2·r+0.5·g+0.3·b

其中r、g、b分别是彩色图像中每个像素的红、绿、蓝色彩分量；

(2)对图像I采用大津阈值分割法进行初步分割得到二值图像B；

(3)修正阈值T，得到最终分割图像

其中T₀是大津阈值分割法得到的初始阈值，T是修正后的对图像I进行分割的阈值，p为B中值为1的像素所占的百分比；

(4)对采用区域生长算法得到待选光源区域C_i，其中i是区域编号且i＝1,2,3,…，C_i的圆形度R(C_i)为：

其中π代表圆周率，S(C_i)是区域C_i的面积，L(C_i)是区域C_i的周长；

将区域C_i的面积S(C_i)大于10且区域C_i的圆形度R(C_i)属于实数区间[0.9,1.1]的待选光源区域作为有效光源区域保留，移除不符合上述条件的其他区域；若的数量不为0，则可判断图像中出现了有效的引导光源。

2、计算出引导光源的三维空间坐标的方法为：

计算图像中的有效光源区域中心坐标

其中j是属于有效光源区域的像素，像素坐标为(x_j,y_j)且灰度值为f_j，则对应的引导光源与机器人坐标系的x-z平面的方位夹角为：

引导光源与机器人坐标系x-y平面的方位夹角θ_i为：

其中(x₀,y₀)是图像I的中心坐标，W是摄像机的视场角，θ₀是光学摄像机与水平面的安装角度；

计算引导光源的三维空间坐标[x_i,y_i,z_i]^T：

其中，h是自主式水下机器人距引导回收平台的高度。

3、运动控制单元采用视线法调整自主式水下机器人的艏向角为：

其中η₀是自主式水下机器人的当前艏向角。

4、横向轨迹偏差法调整自主式水下机器人的艏向角的方法为：

采用最小二乘法计算引导光源所在的直线方程：

y＝k·x+a

其中x和y是坐标变量，k和a分别代表直线的斜率和截距，n是引导光源的数量，运动控制单元采用横向轨迹偏差法调整自主式水下机器人的艏向角，其距离引导光源所在直线的横向轨迹偏差ε的为：

对横向轨迹偏差的控制采用包含顶层航向控制和底层执行控制的两层跟踪控制体系，对于航向控制采用模糊PID控制器输出目标艏向角，对于执行控制采用S面控制器操作舵翼和推进器，使自主式水下机器人达到期望的位置。

有益效果：

(1)本发明采用线型引导光源阵列的形式，可根据实际应用需求延长阵列的长度以达到合适的有效引导距离，并且有利于欠驱动形式的自主式水下机器人调整艏向角沿光源阵列航行到达引导回收平台，保证了回收过程的高精确性和高可靠性；

(2)本发明中，采用光学摄像机采集引导光源的图像，通过对图像进行处理提取光源区域的中心位置，并结合摄像机的参数计算出引导光源的三维空间坐标，保证了回收过程的高精确性；

(3)本发明中，根据图像中引导光源的数量，运动控制单元自适应地采用视线法或横向轨迹偏差法进行艏向角的控制，保证了回收过程的高鲁棒性和高可靠性。

附图说明

图1用于光学引导回收的自主式水下机器人；

图2自主式水下机器人的光学引导回收示意图；

图3自主式水下机器人对引导光源的梳状搜索；

图4梳状搜索过程中采集的图像；

图5梳状搜索过程中的光源提取结果；

图6引导回收过程中采集的图像；

图7引导回收过程中的光源提取结果；

图8引导光源的三维空间坐标计算；

图9自主式水下机器人的光学引导回收方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的目的是提供一种线型光源阵列引导的自主式水下机器人的回收方法，针对现有的水下对接回收系统的引导距离受限、成功率低、可靠性差、易受环境因素干扰的不足，该方法使自主式水下机器人能够实现高可靠性、高鲁棒性、高成功率的水下自主回收，并且理论上可通过增加光源阵列的长度得到满足应用需求的有效引导距离。

自主式水下机器人的光学引导回收系统的主要组成结构包括：

(1)具有典型舵翼联合操控的欠驱动形式的自主式水下机器人，在其艏部安装光学摄像机，在其后部安装高度计，在其密封的仪器舱中搭载光学图像处理单元和运动控制单元，光学图像处理单元通过同轴视频信号线缆采集光学摄像机的图像数据并进行处理，运动控制单元通过RS232串口连接采集高度计的数据并转发给图像处理单元，光学图像处理单元与运动控制单元之间通过以太网TCP协议进行数据交换和通信；

(2)搭载线型光源阵列的引导回收平台，在平台上安装四只呈菱形排列的光源以标记精确的对接回收位置，安装线型光源阵列的刚性杆状构件由平台上延伸出一定距离，并依靠配置的动力定位装置进行位置和姿态的稳定。

本发明的目的由以下步骤实现，如图9所示：

第一步，自主式水下机器人在引导回收平台附近进行梳状搜索，图像处理单元通过光学摄像机采集图像并进行处理，判断图像中是否出现有效光源区域，若为否，继续进行梳状搜索，若为是，转至第二步；

第二步，图像处理单元通过光学摄像机采集一帧图像并提取光源区域的中心位置，根据摄像机的参数计算出引导光源的三维空间坐标，若图像中的光源数量为1，转至第三步，若图像中的光源数量不小于2，转至第四步；

第三步，根据引导光源的三维空间坐标，运动控制单元采用视线法调整自主式水下机器人的艏向角，调整完成后转至第二步；

第四步，判断引导光源的排列形式，若呈直线型排列，转至第五步，若呈菱形排列，转至第六步；

第五步，计算引导光源所在的直线方程，运动控制单元采用横向轨迹偏差法调整自主式水下机器人的艏向角，调整完成后转至第二步；

第六步，自主式水下机器人到达引导回收平台上方预定对接回收位置，本流程运行结束。

本发明涉及的是一种自主式水下机器人的光学引导回收方法。本发明包括：自主式水下机器人对线型引导光源阵列进行梳状搜索，在发现引导光源后计算其三维空间坐标，根据引导光源的数量自适应地采用视线法或横向轨迹偏差法规划目标艏向角，并基于模糊PID控制器和S面控制器设计了两层跟踪控制体系。本发明使自主式水下机器人能够实现高可靠性、高鲁棒性、高成功率的水下自主对接，理论上可通过增加光源阵列的长度得到满足实际应用需求的有效引导距离。

自主式水下机器人具有典型的舵翼联合操控的欠驱动形式，搭载了光学摄像机、高度计、光学图像处理单元和运动控制单元，引导回收平台搭载了标记对接回收位置的光源、线型光源阵列和用于位置、姿态维持的动力定位装置；

本发明的目的是提供一种线型光源阵列引导的自主式水下机器人的回收方法，针对目前采用水声、光学、电磁引导方式的水下对接回收系统的引导距离受限、成功率低、可靠性差、易受环境因素干扰的不足，该方法使自主式水下机器人能够实现高可靠性、高鲁棒性、高成功率的水下自主对接，并且理论上可通过增加光源阵列的长度得到满足实际应用需求的有效引导距离。

结合图1，适用于线型光源阵列引导回收的自主式水下机器人具有典型的舵翼联合操控的欠驱动形式，在其艏部安装光学摄像机1，其与水平面的安装角度可根据摄像机视场角确定，一般情况下也可按照45°倾角安装，在自主式水下机器人的密封仪器舱中搭载了图像处理单元2，通过同轴视频信号线缆3采集光学摄像机1的图像数据并进行处理，以及运动控制单元4，与图像处理单元2之间通过以太网TCP协议5进行数据交换和通信，同时运动控制单元4通过RS232串口连接7采集高度计6的数据并转发给图像处理单元2；

结合图2，在引导回收平台8上安装了四只呈菱形排列的发光二极管9作为引导光源，精确地标记出对接回收位置，由引导回收平台8上延伸出刚性杆状构件10，并在其上安装发光二极管9，排列方式为等间距模式或间距均匀变化(例如接近平台的方向间距逐渐减小)模式，考虑到平台在水中悬浮的工况，还需要在刚性杆状构件10上配置动力定位装置11，使平台的位置和姿态能够在海流的干扰下保持稳定。

实现本发明目的的具体实施步骤如下：

第一步，自主式水下机器人在引导回收平台附近进行梳状搜索，如图3所示，图像处理单元通过光学摄像机采集一帧图像，如图4所示，并将其由彩色图像转换为灰度图像，其转换公式为：

f＝0.2·r+0.5·g+0.3·b

其中r、g、b分别是彩色图像中每个像素的红、绿、蓝色彩分量，f是该像素在转换后的灰度图像中具有的灰度值，从而得到灰度图像I。由于在水下环境中采集的图像常常包含了各种形式的噪声，因此需要对图像I进行3×3窗口的中值滤波，然后对图像I采用大津阈值分割法进行初步分割得到二值图像B，统计B中值为1的像素所占的百分比p，按照如下公式计算修正后的阈值T：

其中T₀是大津阈值分割法得到的初始阈值，T是修正后的对图像I进行分割的阈值，得到二值图像为最终分割结果。对采用区域生长算法可以得到待选光源区域C_i，其中i是区域编号且i＝1,2,3,…，C_i的圆形度R(C_i)计算公式为：

其中π代表圆周率，S(C_i)是区域C_i的面积，L(C_i)是区域C_i的周长，将S(C_i)大于10且R(C_i)属于实数区间[0.9,1.1]的待选光源区域作为有效光源区域保留，如图5所示，移除不符合上述条件的其他区域。若的数量不为0，则可判断图像中出现了有效的引导光源，转至第二步，否则继续上述过程进行梳状搜索；

第二步，图像处理单元通过光学摄像机采集一帧图像，如图6所示，采用与第一步相同的方法提取出图像中的有效光源区域如图7所示，计算中心坐标的公式如下：

其中j是属于有效光源区域的像素，其像素坐标为(x_j,y_j)且其灰度值为f_j，则对应的引导光源与机器人坐标系的x-z平面的方位夹角为：

与x-y平面的方位夹角θ_i为：

其中(x₀,y₀)是图像I的中心坐标，W是摄像机的视场角，一般由摄像机的光学参数决定，θ₀是光学摄像机与水平面的安装角度。

计算引导光源的三维空间坐标[x_i,y_i,z_i]^T的公式如下，如图8所示：

其中h是自主式水下机器人距引导回收平台的高度，可由高度计的测量值和引导回收平台的距海底高度之差得到。若图像中引导光源的数量为1，转至第三步，若图像中引导光源的数量不小于2，转至第四步；

第三步，根据计算出的引导光源的三维空间坐标[x_i,y_i,z_i]^T，运动控制单元采用视线法调整自主式水下机器人的艏向角，计算目标艏向角η的公式如下：

其中η₀是自主式水下机器人的当前艏向角。对艏向角的控制采用包含顶层航向控制和底层执行控制的两层跟踪控制体系，对于航向控制采用模糊PID(比例-积分-微分)控制器输出补偿艏向角，对于执行控制采用S面控制器操作舵翼和推进器，使自主式水下机器人达到期望的艏向角和航速，调整完成后转至第二步；

第四步，若引导光源的数量为2，则判定为直线型排列形式，转至第五步；若引导光源的数量不少于3个，则任意选择3个引导光源的三维空间坐标[x₁,y₁,z₁]^T，[x₂,y₂,z₂]^T和[x₃,y₃,z₃]^T，若满足条件：

其中δ是直线判定阈值且一般可设置为δ＝50，则判定为直线型排列形式，转至第五步；否则判定为菱形排列形式，转至第六步；

第五步，采用最小二乘法计算引导光源所在的直线方程，公式如下：

y＝k·x+a

其中x和y是坐标变量，k和a分别代表直线的斜率和截距，n是引导光源的数量，运动控制单元采用横向轨迹偏差法调整自主式水下机器人的艏向角，其距离引导光源所在直线的横向轨迹偏差ε的计算公式为：

对横向轨迹偏差的控制采用包含顶层航向控制和底层执行控制的两层跟踪控制体系，对于航向控制采用模糊PID控制器输出目标艏向角，对于执行控制采用S面控制器操作舵翼和推进器，使自主式水下机器人达到期望的位置，调整完成后转至第二步；

第六步，自主式水下机器人到达引导回收平台上方预定对接回收位置，本流程运行结束。

Claims (4)

1.一种自主式水下机器人的光学引导回收系统，其特征在于：包括自主式水下机器人和引导回收平台；

自主式水下机器人具有典型的舵翼联合操控的欠驱动形式，自主式水下机器人艏部安装有光学摄像机，自主式水下机器人后部安装有高度计，自主式水下机器人的密封舱中搭载光学图像处理单元和运动控制单元，光学图像处理单元采集光学摄像机的图像数据并进行处理，运动控制单元采集高度计的数据并转发给图像处理单元，光学图像处理单元和运动控制单元进行信息交互；

引导回收平台上安装有标记对接回收位置的引导光源，引导回收平台上安装有刚性杆状构件，刚性杆状构件一端位于导引回收平台上，另一端延伸出导引回收平台外，刚性杆状构件上安装有线型光源阵列和动力定位装置；

自主式水下机器人的光学引导回收系统的回收方法，包括以下步骤，

步骤一：自主式水下机器人在引导回收平台附近进行梳状搜索，图像处理单元通过光学摄像机采集图像并进行处理，判断是否发现引导光源，若为否，继续进行梳状搜索，若为是，转至步骤二；

步骤二：图像处理单元采集一帧图像并计算出引导光源的三维空间坐标，若引导光源数量为1，转至第三步，若引导光源数量不小于2，转至第四步；

步骤三：根据引导光源的三维空间坐标，运动控制单元采用视线法调整自主式水下机器人的艏向角，调整完成后转至步骤二；

步骤四：判断引导光源的排列形式，若呈直线型排列，转至步骤五，若呈菱形排列，转至步骤六；

步骤五：运动控制单元采用横向轨迹偏差法调整自主式水下机器人的艏向角，调整完成后转至步骤二；

步骤六：自主式水下机器人到达引导回收平台上方预定对接回收位置，实现回收；

所述判断是否发现引导光源的方法为：

(1)图像处理单元通过光学摄像机采集一帧图像，并将其由彩色图像转换为灰度图像I，像素在转换后的灰度图像中具有的灰度值f，

f＝0.2·r+0.5·g+0.3·b

其中r、g、b分别是彩色图像中每个像素的红、绿、蓝色彩分量；

(2)对图像I采用大津阈值分割法进行初步分割得到二值图像B；

(3)修正阈值T，得到最终分割图像

其中T₀是大津阈值分割法得到的初始阈值，T是修正后的对图像I进行分割的阈值，p为B中值为1的像素所占的百分比；

(4)对采用区域生长算法得到待选光源区域C_i，其中i是区域编号且i＝1,2,3,…，C_i的圆形度R(C_i)为：

其中π代表圆周率，S(C_i)是区域C_i的面积，L(C_i)是区域C_i的周长；

(5)将区域C_i的面积S(C_i)大于10且区域C_i的圆形度R(C_i)属于实数区间[0.9,1.1]的待选光源区域作为有效光源区域保留，移除不符合上述条件的其他区域；若的数量不为0，则可判断图像中出现了有效的引导光源；

(6)所述的计算出引导光源的三维空间坐标的方法为：

计算图像中的有效光源区域中心坐标

其中j是属于有效光源区域的像素，像素坐标为(x_j,yj)且灰度值为f_j，则对应的引导光源与机器人坐标系的x-z平面的方位夹角为：

引导光源与机器人坐标系x-y平面的方位夹角θ_i为：

其中(x₀,y₀)是图像I的中心坐标，W是摄像机的视场角，θ₀是光学摄像机与水平面的安装角度；

计算引导光源的三维空间坐标[x_i,y_i,z_i]^T：

其中，h是自主式水下机器人距引导回收平台的高度。

2.根据权利要求1所述的一种自主式水下机器人的光学引导回收系统，其特征在于：所述的引导光源为四只呈菱形排列的发光二极管。

3.根据权利要求1所述的一种自主式水下机器人的光学引导回收系统，其特征在于：所述的运动控制单元采用视线法调整自主式水下机器人的艏向角为：

其中η₀是自主式水下机器人的当前艏向角；其中x_i和y_i是坐标变量。

4.根据权利要求1所述的一种自主式水下机器人的光学引导回收系统，其特征在于：所述的横向轨迹偏差法调整自主式水下机器人的艏向角的方法为：

采用最小二乘法计算引导光源所在的直线方程：

y＝k·x+a

其中x和y是坐标变量，k和a分别代表直线的斜率和截距，n是引导光源的数量，运动控制单元采用横向轨迹偏差法调整自主式水下机器人的艏向角，其距离引导光源所在直线的横向轨迹偏差ε的为：

对横向轨迹偏差的控制采用包含顶层航向控制和底层执行控制的两层跟踪控制体系，对于航向控制采用模糊PID控制器输出目标艏向角，对于执行控制采用S面控制器操作舵翼和推进器，使自主式水下机器人达到期望的位置。