CN108458713A - 一种利用海天线信息的舰船姿态快速解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用海天线信息的舰船姿态快速解算方法，包括以下步骤：通过船载照相机获得实时的海天线图像，通过高斯‑拉普拉斯边缘检测对海天线图像进行识别，获取海天分界线图像；根据大津算法计算图像二值化的自适应阈值，将输入图像的直方图分成两部分，并使两部分之间的距离最大，得到的划分点为最优阈值，根据最优阈值进行二值化处理，通过检测相邻直线之间差值的比率，得到候选的海天分界线；根据霍夫变换检测出候选的海天分界线中最长的直线，作为海天线信息；利用实时获得的海天线信息解算出舰船的横滚角和俯仰角，进而将舰船姿态修正成水平。本发明利用实时获得的海天线信息可以迅速地解算出舰船的横滚角和俯仰角，进而可以快速地将舰船姿态修正成水平。

Description

一种利用海天线信息的舰船姿态快速解算方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉领域，尤其涉及一种利用海天线信息的舰船姿态快速解算方法。

背景技术

天文导航定位源于古代航海，是以太阳、月球、恒星等自然星体作为信标，以星体的地平坐标作为观测量，进而获取观测点地理位置的技术方法。天文导航定位在观测时需要有水平基准，而在海上航行由于舰船的摇摆使得观测仪器无法整平，从而限制了海上天文导航定位的开展。

目前，解决海上天文导航无法整平的主要方法是利用角速度、角加速度积分原理的水平仪或惯性导航系统求得舰船的姿态角，通过舰船姿态角将舰船姿态修正成水平。而惯性系统存在结构复杂、造价昂贵等问题，不适用于一些小型无人船系统。

发明内容

本发明提供了一种利用海天线信息的舰船姿态快速解算方法，本发明利用实时获得的海天线信息可以迅速地解算出舰船的横滚角和俯仰角，进而可以快速地将舰船姿态修正成水平，详见下文描述：

一种利用海天线信息的舰船姿态快速解算方法，所述舰船姿态快速解算方法包括以下步骤：

通过船载照相机获得实时的海天线图像，通过高斯-拉普拉斯边缘检测对海天线图像进行识别，获取海天分界线图像；

根据大津算法计算图像二值化的自适应阈值，将输入图像的直方图分成两部分，并使两部分之间的距离最大，得到的划分点为最优阈值，根据最优阈值进行二值化处理，通过检测相邻直线之间差值的比率，得到候选的海天分界线；

根据霍夫变换检测出候选的海天分界线中最长的直线，作为海天线信息；

利用实时获得的海天线信息解算出舰船的横滚角和俯仰角，进而将舰船姿态修正成水平。

进一步地，所述利用实时获得的海天线信息解算出舰船的横滚角和俯仰角，进而将舰船姿态修正成水平具体为：

建立地平坐标系O_ex_ey_ez_e与舰船坐标系O₁x₁y₁z₁；

定义舰船横滚角Roll为O₁y₁与O_ey_e的夹角，取舰船左倾时为正，海天线将图像分割成上下两部分，获取舰船横滚角；

定义舰船俯仰角Pitch为O₁x₁与地平面的夹角，取舰船头部抬起时为正，将舰船在水平状态时获得的图像作为基准图像，获取舰船俯仰角。

进一步地，所述O_e点为大地水平面上任意一点，O_ex_e轴与水平线平行，O_ez_e轴垂直于水平面向上，O_ey_e轴垂直于x_eO_ey_e平面；

O₁为舰船质心，O₁点与O_e点重合，O₁x₁轴处于舰船对称平面内,与船身轴线方向一致，指向航行方向，O₁z₁轴也处于对称平面内，且垂直于O₁x₁轴指向上方，O₁y₁轴垂直于x₁O₁z₁平面，指向航行方向的右方。

进一步地，所述舰船横滚角具体为：

Roll＝arctan(k)

其中，k为直线斜率。

其中，所述舰船俯仰角具体为：

Pitch＝ω-ω′

其中，ω为物方半视场角；ω’为舰船发生俯仰之后，从相机镜头观测海天线位置的半视场角。

其中，舰船发生仰之后，从相机镜头观测海天线位置的半视场角具体为：

其中，y₁为舰船头部抬起时图像成像中心到海天线的垂直距离，f为相机镜头焦距。

具体实现时，舰船发生附之后，从相机镜头观测海天线位置的半视场角具体为：

其中，y₂舰船头部落下时图像成像中心到海天线的垂直距离，f为相机镜头焦距。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本方法可以迅速地计算出舰船的实时姿态(横滚角和俯仰角)，具有设备结构简单、成本低等优点；

2、本方法有效地解决了海上天文导航因舰船姿态不能整平而无法获得观测位置“天顶”的问题，进而为海上实时高效天文导航提供基础；

附图说明

图1为一种利用海天线信息的舰船姿态快速解算方法的流程图；

图2为地平坐标系O_ex_ey_ez_e与舰船坐标系O₁x₁y₁z₁的示意图；

图3为理想光学系统中无穷远物体成像的示意图；

图4为俯仰角解算的原理图。

其中，(a)为基准图像与舰船头部抬起时获得的图像的示意图；(b)为基准图像与舰船头部落下时获得的图像的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

利用图像信息获取航行器姿态是近些年发展起来的一种快速低成本的定姿方法，其利用图像传感器拍摄的到图像信息，经图像处理提取并识别相关信息，解算得到航行器的实时姿态。

在海上可以看见一条海天相交的直线，称为海天线，海天线确定了一个与重力相互垂直的天然水平面，可为海上天文导航提供水平基准，利用海天线作为水平基准可以解算得到舰船的姿态。

实施例1

一种利用海天线信息的舰船姿态快速解算方法，参见图1，该方法包括以下步骤：

101：通过船载照相机获得实时的海天线图像，通过高斯-拉普拉斯边缘检测对海天线图像进行识别，获取海天分界线图像；

102：根据大津算法计算图像二值化的自适应阈值，将输入图像的直方图分成两部分，并使两部分之间的距离最大，得到的划分点为最优阈值，根据最优阈值进行二值化处理，通过检测相邻直线之间差值的比率，得到候选的海天分界线；

103：根据霍夫变换检测出候选的海天分界线中最长的直线，作为海天线信息；

104：利用实时获得的海天线信息解算出舰船的横滚角和俯仰角，进而将舰船姿态修正成水平。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤104实现了快速地将舰船姿态修正成水平，满足了实际应用中的多种需要。

实施例2

下面结合具体的计算公式、实例、图1至图4，对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

201：获取海天线信息；

其中，该步骤201具体为：通过船载照相机获得实时的海天线图像，对获取的图像依次综合运用高斯-拉普拉斯(Laplacian-Gauss)边缘检测算法、大津(OTSU)算法以及霍夫(Hough)变换等数字图像处理技术，处理图像并识别得到海天线信息；

一、对高斯-拉普拉斯(Laplacian-Gauss)边缘检测算法的运用：

首先运用高斯-拉普拉斯(Laplacian-Gauss)算法对海面与天空交线(海天线)图像f(x,y)进行边缘检测，输出结果g(x,y)是通过对原海天线图像进行卷积运算得到，即：

其中，σ值决定了海天线图像中边缘和其他尖锐不连续部分的模糊程度，可以根据具体海天线图像情况选择合适σ值，以达到最佳边缘检测效果，经边缘检测可以看到明显的海天分界线。

二、对大津(OTSU)算法的运用：

本方法运用大津(OTSU)算法计算图像二值化的自适应阈值，对输入的灰度图像的直方图进行分析，将直方图分成两部分，并使两部分之间的距离最大，得到的划分点为最优阈值，根据最优阈值进行二值化处理，通过检测相邻直线之间差值的比率，可以得到候选的直线。

三、对霍夫(Hough)变换的应用：

本方法运用的霍夫(Hough)变换是一种线描述方法，它可以将笛卡儿坐标系中的线变换为极坐标系中的点，使不同的线和点建立了一种对应关系，对于笛卡尔坐标系的一条直线可用如下参数方程来表示：

ρ＝xcosθ+ysinθ (2)

其中，ρ表示直线距原点的法线距离，θ表示该法线与x轴的夹角。本方法根据已经得出的候选直线，检测出图像中最长的直线，即可得到图像中海天线信息。

202：对舰船姿态进行解算；

其中，该步骤202具体包括：

1)横滚角(Roll)解算方法；

如图2所示，本方法建立了地平坐标系O_ex_ey_ez_e与舰船坐标系O₁x₁y₁z₁。其中，O_e点为大地水平面上任意一点，O_ex_e轴与水平线平行，O_ez_e轴垂直于水平面向上，O_ey_e轴垂直于x_eO_ey_e平面；O₁为舰船质心，O₁点与O_e点重合，O₁x₁轴处于舰船对称平面内,与船身轴线方向一致，指向航行方向，O₁z₁轴也处于对称平面内，且垂直于O₁x₁轴，指向上方，O₁y₁轴垂直于x₁O₁z₁平面，指向航行方向的右方。将相机固定放置于舰船中轴线上，且与舰船质心在同一垂线上，以保证相机姿态与舰船姿态一致。

本方法定义舰船横滚角Roll为O₁y₁与O_ey_e的夹角，取舰船左倾时为正。图像中的海天线将图像分割成上下两部分，海天线直线可表示为：

y＝kx+b (3)

其中，k为直线斜率，b为截距。

则舰船横滚角可由公式(4)得到：

Roll＝arctan(k) (4)

2)俯仰角(Pitch)解算方法。

对于理想光学系统，无穷远物体成像高度可由公式(5)得到：

y₀′＝ftanω (5)

其中，y₀’为理想物体成像高度，f为相机镜头焦距，ω为物方半视场角。若已知海天线距成像中心的垂直高度，即可由公式(5)得到相机镜头观测海天线位置的半视场角ω。

本方法定义舰船俯仰角Pitch为O₁x₁与地平面的夹角，取舰船头部抬起时为正。将舰船在水平状态时获得的图像作为基准图像，如图4所示，图像上部白色部分表示天空图像，图像下部阴影部分表示海面图像，设基准图像成像中心到海天线的垂直距离为y₀，当舰船头部抬起时图像成像中心到海天线的垂直距离为y₁，当舰船头部落下时图像成像中心到海天线的垂直距离为y₂，则舰船头部抬起和落下时对应的海天线位置半视场角ω₁、ω₂可由公式(6)得到：

于是，舰船俯仰角Pitch满足公式(8)：

Pitch＝ω-ω′ (8)

其中，ω’为舰船发生俯仰之后相机镜头观测海天线位置的半视场角。

综上所述，本发明实施例以海洋环境下的计算机视觉技术为主要原理，可以迅速地计算出舰船的实时姿态(横滚角和俯仰角)，解决了海上天文导航因舰船姿态不能整平而无法获得观测位置“天顶”的问题，进而为海上实时高效天文导航提供基础。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用海天线信息的舰船姿态快速解算方法，其特征在于，所述舰船姿态快速解算方法包括以下步骤：

通过船载照相机获得实时的海天线图像，通过高斯-拉普拉斯边缘检测对海天线图像进行识别，获取海天分界线图像；

根据大津算法计算图像二值化的自适应阈值，将输入图像的直方图分成两部分，并使两部分之间的距离最大，得到的划分点为最优阈值，根据最优阈值进行二值化处理，通过检测相邻直线之间差值的比率，得到候选的海天分界线；

根据霍夫变换检测出候选的海天分界线中最长的直线，作为海天线信息；

利用实时获得的海天线信息解算出舰船的横滚角和俯仰角，进而将舰船姿态修正成水平。

2.根据权利要求1所述的一种利用海天线信息的舰船姿态快速解算方法，其特征在于，所述利用实时获得的海天线信息解算出舰船的横滚角和俯仰角，进而将舰船姿态修正成水平具体为：

建立地平坐标系O_ex_ey_ez_e与舰船坐标系O₁x₁y₁z₁；

定义舰船横滚角Roll为O₁y₁与O_ey_e的夹角，取舰船左倾时为正，海天线将图像分割成上下两部分，获取舰船横滚角；

定义舰船俯仰角Pitch为O₁x₁与地平面的夹角，取舰船头部抬起时为正，将舰船在水平状态时获得的图像作为基准图像，获取舰船俯仰角。

3.根据权利要求2所述的一种利用海天线信息的舰船姿态快速解算方法，其特征在于，

所述O_e点为大地水平面上任意一点，O_ex_e轴与水平线平行，O_ez_e轴垂直于水平面向上，O_ey_e轴垂直于x_eO_ey_e平面；

O₁为舰船质心，O₁点与O_e点重合，O₁x₁轴处于舰船对称平面内,与船身轴线方向一致，指向航行方向，O₁z₁轴也处于对称平面内，且垂直于O₁x₁轴指向上方，O₁y₁轴垂直于x₁O₁z₁平面，指向航行方向的右方。

4.根据权利要求2所述的一种利用海天线信息的舰船姿态快速解算方法，其特征在于，

所述舰船横滚角具体为：

Roll＝arctan(k)

其中，k为直线斜率。

5.根据权利要求2所述的一种利用海天线信息的舰船姿态快速解算方法，其特征在于，

所述舰船俯仰角具体为：

Pitch＝ω-ω′

其中，ω为物方半视场角；ω’为舰船发生俯仰之后，从相机镜头观测海天线位置的半视场角。

6.根据权利要求5所述的一种利用海天线信息的舰船姿态快速解算方法，其特征在于，

舰船发生仰之后，从相机镜头观测海天线位置的半视场角具体为：

其中，y₁为舰船头部抬起时图像成像中心到海天线的垂直距离，f为相机镜头焦距。

7.根据权利要求5所述的一种利用海天线信息的舰船姿态快速解算方法，其特征在于，

舰船发生附之后，从相机镜头观测海天线位置的半视场角具体为：

其中，y₂舰船头部落下时图像成像中心到海天线的垂直距离，f为相机镜头焦距。