CN108362296B - Auv与接驳站水下对接的末端视觉导引方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种AUV与接驳站水下对接的末端视觉导引方法，通过采用单导引灯、单目辅助欠驱动自主水下航行器与水下接驳站进行对接。该方法根据航行器水平方向控制的原理，设计了将视觉信息与航行器姿态信息结合的导引方式，并设计了水平方向航行器对接的控制器，该控制器可以使得航行器尽量正对接驳站朝向入坞，从而提高航行器的对接成功率。本发明可以简化视觉导引算法，降低对信号处理芯片性能要求，并且可以降低设备成本。此外，本发明结合航行器深度维控制原理将垂直方向视觉信息转化为深度信息，并利用航行器的姿态角对视觉信息进行补偿，提高了航行器对接过程中深度方向控制的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于水下航行器导引及控制技术领域，具体涉及一种AUV与接驳站水下对接的末端视觉导引方法。
背景技术
AUV(Autonomous UnderwaterVehicle，自主式水下航行器)与水下接驳站自主对接时，对系统的导航精度与导航数据更新速率要求都非常高；利用传统的声学传感器进行导引会存在一些问题，包括声学数据更新速率慢、测量误差大等。因此对接过程中，末端(即航行器与接驳站水平距离在20～30m左右)导引经常采用视觉导引，视觉可以提供高数据率以及高精度的测量值，满足常规对接要求。在对接过程中，一般是采用多个导引灯、两个摄像头进行对接导引，然而在实际应用的过程中，多个导引灯对视觉处理算法以及信号处理芯片要求较高；水下摄像设备价格昂贵，因此希望尽量减少摄像头设备的数量。
由于在水下对接过程中，采用单目、单灯导引，航行器无法获得相对于导引灯的距离信息；常规的单目、单灯导引方法是使得航行器直接追踪接驳站上的光源，对于朝向可变的水下接驳站来说，直接追踪光源可以导引水下航行器与接驳站成功对接。但是当接驳站朝向固定时，直接追踪光源很难完成对接，此时还需要考虑航行器的朝向与接驳站朝向的一致性。如图1所示，其中黑色圆圈表示接驳站的位置，接驳站朝向为正南方，导引灯安装在接驳站确定的位置上，方向与接驳站朝向一致；摄像头安装在航行器艏部，其姿态需要与航行器平行，位置固定；图1中虚线为航行器直接追踪光源时的轨迹，当接驳站方向固定时，直接追踪光源会使得航行器与接驳站对接的视角减小，从而会降低对接成功率。有效的对接路径如图1中实线所示，该轨迹可以增大对接视角，提高对接成功率；图中d表示航行器与接驳站沿着轴向的距离，a表示侧向偏差。
对于水下航行器，对接过程中如何使用视觉信息非常关键，这包括水平方向导引和垂直方向导引；一般单目、单灯导引系统只对航行器进行水平方向导引，垂直方向通过其他传感器进行导引，比如深度计等，然而当接驳站深度变化时，深度计无法满足对接要求，因此利用视觉导引是一个非常实用的方法。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种AUV与接驳站水下对接的末端视觉导引方法，通过将单目单灯导引信息有效的融合到航行器控制器中，并且结合了航行器本身携带的航向传感器以及姿态传感器，能够有效解决单灯、单目视觉导引在水下航行器对接过程中产生的问题，包括水平方向对接视觉导引与垂直方向对接视觉导引。
一种AUV与接驳站水下对接的末端视觉导引方法，包括如下步骤：
(1)将摄像头安装在航行器艏部，导引灯安装在接驳站上，利用摄像头采集其拍摄的图像并对图像进行处理，获得导引灯在图像坐标系中的位置；
(2)根据图像坐标系中导引灯的位置，计算出航行器的视觉水平导引量Δyvision和视觉垂直导引量Δzvision；
(3)将所述视觉水平导引量Δyvision和视觉垂直导引量Δzvision导入至航行器的控制系统中，用以对航行器进行导引控制。
进一步地，所述步骤(2)的具体计算过程为：首先以处理后图像的中心为原点建立坐标系，然后根据以下公式计算出视觉水平导引量Δyvision和视觉垂直导引量Δzvision：
其中：y为图像中对应导引灯的白色区域的中心点与坐标系Y轴的距离，z为图像中对应导引灯的白色区域的中心点与坐标系X轴的距离，Vmax＝m/2，m为图像宽度，θ为摄像头开角的一半，DC为航行器与接驳站的水平距离，θpitch为航行器的俯仰角。
进一步地，所述步骤(2)的具体实现包括以下两部分：
①将视觉水平导引量Δyvision导入航行器的航向控制器中，即首先使目标航向角ψref(即接驳站的朝向)减去上一时刻航行器的航向角ψAUV后乘以比例系数k1，得到计算结果k1(ψref-ψAUV)；然后使视觉水平导引量Δyvision乘以比例系数k2后与计算结果k1(ψref-ψAUV)相加，进而根据相加后的结果进行PID(比例-积分-微分)控制得到方向舵角δr；最后将方向舵角δr输入至航行器控制模型中以对航行器进行控制，航行器控制模型则输出当前时刻航行器的航向角ψAUV *；
②将视觉垂直导引量Δzvision导入航行器的深度控制器中，即首先使目标深度值Dref(即接驳站的深度)减去上一时刻航行器的深度值DAUV后乘以比例系数k3，得到计算结果k3(Dref-DAUV)；然后使视觉垂直导引量Δzvision乘以比例系数k4后与计算结果k3(Dref-DAUV)相加，进而根据相加后的结果进行PID控制得到升降舵角δe；最后将升降舵角δe输入至航行器控制模型中以对航行器进行控制，航行器控制模型则输出当前时刻航行器的深度值DAUV *。
基于上述技术方案，本发明的有益技术效果如下：
(1)本发明采用单灯、单目导引水下航行器对接，简化了图像处理算法，降低的水下设备使用成本，并根据欠驱动水下航行器的特点，设计出水平方向与垂直方向对接视觉导引方法。
(2)本发明根据航行器水平方向控制的原理，设计了将视觉信息与航行器姿态信息结合的导引方式，并设计了水平方向航行器对接的控制器，该控制器可以使得航行器尽量正对接驳站朝向入坞，从而提高航行器的对接成功率。
(3)本发明结合航行器深度维控制原理将垂直方向视觉信息转化为深度信息，并利用航行器的姿态角对视觉信息进行补偿，提高了航行器对接过程中深度方向控制的可靠性。
附图说明
图1为水下航行器与接驳站对接水平方向示意图。
图2中(a)为处理前的导引灯视觉图像。
图2中(b)为处理后的导引灯视觉图像。
图3为水下航行器与接驳站对接视觉三维导引示意图。
图4为航行器水下对接水平维视觉导引控制框图。
图5为航行器水下对接垂直维视觉导引控制框图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明在实际操作过程中，摄像头安装在航行器艏部，导引灯安装在接驳站上。摄像头拍摄的图像经过处理，得到如图2中(b)所示的结果，图2中(a)为处理之前的图像；这样，处理后的图像中白色像素点的位置表征了接驳站水下灯在航行器摄像头视野中的位置，如图3中A点所示，视觉导引就是利用水平方向偏差y和垂直方向偏差z进行对接导引，图3中αv表示水平方向视觉输出偏角，βv表示垂直方向视觉输出偏角。
考虑水平方向视觉导引问题，欠驱动水下航行器在水平方向运动控制是通过航向控制来实现的，如果直接令航行器追踪光源，那么对接路径如图1中虚线所示，如果将航行器上的航向传感器信息以及接驳站的朝向信息加入到控制器中，通过加权将视觉输出和航行器的航向进行融合，可以使得控制轨迹如图1中实线所示，从而提高航行器对接的成功率。水平方向控制结构如图4所示，其中Δyvision为视觉输出的水平角度，即图3中的αv；ψref表示接驳站的朝向，ψAUV表示AUV的朝向。该控制器将航行器航向与视觉信息进行了加权融合，加权系数如图4中的k1和k2，实际应用中可以对这两个参数进行适当的调整；加权融合后的偏差作为PID控制器的输入，从而实现水平方向对接控制。通过图4中的控制器，航行器会以图1中实线轨迹与接驳站对接，非常适合朝向已知的接驳站对接导引。
由于航行器垂直方向的不对称性，直接采用和水平方向同样的视觉导引会使得系统不稳定，而且在实际的航行器垂直方向控制中，一般分为两层控制，第一层将深度误差ΔD转换为俯仰角误差Δθ，第二层控制将俯仰角误差转换为水平舵角，从而控制深度。利用深度控制本身的原理，我们将视觉信息转换为深度信息进行垂直维度视觉导引，图5为垂直维度视觉导引控制结构图，其中Δzvision为视觉输出垂直距离，即图3中的AD，Dref表示接驳站的深度，DAUV表示AUV的实际深度。该控制器将AUV深度偏差与视觉偏差通过加权融合在一起，作为PID控制器的输入；在实际系统中，加权系数k3和k4可以进行适当的调节。
得到如图4和图5所示的控制器以后，我们需要考虑如何计算得到Δyvision与Δzvision。以摄像头显示的图像中心作为原点建立二维图像坐标系，其水平轴和垂直轴分别用Yv和Zv表示，图3中(y,z)表示导引灯在图像坐标系中的位置(一般以像素为单位)，范围为y,z∈[-Vmax,Vmax]，其中Vmax表示摄像头输出的最大值。假设使用的摄像头开角为[-θ,θ]，则通过简单的三角函数运算，可以解出导引灯在实际物理系统中的位置：
从而可以得到水平方向角度偏差以及垂直方向深度偏差：
其中：θpitch为航行器的俯仰角；由上式可知，水平方向偏差角只和视觉输出有关，与AUV和接驳站之间的距离无关，而垂直方向深度偏差与距离以及航行器的俯仰角有关。因为单灯单目无法根据视觉获得距离，所以距离DC需要采用导航系统的输出，因此控制器中水平方向和垂直方向视觉导引量如下：
Δyvision＝αv
Δzvision＝dv
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种AUV与接驳站水下对接的末端视觉导引方法，包括如下步骤：
(1)将摄像头安装在航行器艏部，导引灯安装在接驳站上，利用摄像头采集其拍摄的图像并对图像进行处理，获得导引灯在图像坐标系中的位置；
(2)根据图像坐标系中导引灯的位置，计算出航行器的视觉水平导引量Δyvision和视觉垂直导引量Δzvision，具体计算过程为：首先以处理后图像的中心为原点建立坐标系，然后根据以下公式计算出视觉水平导引量Δyvision和视觉垂直导引量Δzvision：
其中：y为图像中对应导引灯的白色区域的中心点与坐标系Y轴的距离，z为图像中对应导引灯的白色区域的中心点与坐标系X轴的距离，Vmax＝m/2，m为图像宽度，θ为摄像头开角的一半，DC为航行器与接驳站的水平距离，θpitch为航行器的俯仰角；
(3)将所述视觉水平导引量Δyvision和视觉垂直导引量Δzvision导入至航行器的控制系统中，用以对航行器进行导引控制，具体实现包括以下两部分：
①将视觉水平导引量Δyvision导入航行器的航向控制器中，即首先使目标航向角ψref减去上一时刻航行器的航向角ψAUV后乘以比例系数k1，得到计算结果k1(ψref-ψAUV)；然后使视觉水平导引量Δyvision乘以比例系数k2后与计算结果k1(ψref-ψAUV)相加，进而根据相加后的结果进行PID控制得到方向舵角δr；最后将方向舵角δr输入至航行器控制模型中以对航行器进行控制，航行器控制模型则输出当前时刻航行器的航向角ψAUV *；
②将视觉垂直导引量Δzvision导入航行器的深度控制器中，即首先使目标深度值Dref减去上一时刻航行器的深度值DAUV后乘以比例系数k3，得到计算结果k3(Dref-DAUV)；然后使视觉垂直导引量Δzvision乘以比例系数k4后与计算结果k3(Dref-DAUV)相加，进而根据相加后的结果进行PID控制得到升降舵角δe；最后将升降舵角δe输入至航行器控制模型中以对航行器进行控制，航行器控制模型则输出当前时刻航行器的深度值DAUV *。
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