CN109975759B - 一种基于三色激光的水下无人机定位方法及装置 - Google Patents

一种基于三色激光的水下无人机定位方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三色激光的水下无人机定位方法及装置，定位方法包括以下步骤：S1：将三种不同颜色的激光共面平行且垂直入射于水中，在水下形成三根激光柱；S2：水下无人机捕捉到所述激光柱的位置，获取包括三根激光柱的图像；S3：对所述图像进行预处理，获取三根激光柱的像素距离；S4：根据所述三根激光柱的像素距离以及所述图像的拍摄视角，获取水下无人机相对于激光柱的相对坐标。本发明于水面上想水下射入三根不同颜色的激光，在浑浊的水域下利用其丁达尔效应进行视觉捕捉，同时根据摄像视角以及横向的像素长计算无人机相对于激光的相对位置，从而实现对无人机低成本的精准定位。

Description

一种基于三色激光的水下无人机定位方法及装置
技术领域
本发明涉及水下定位领域，更具体地，涉及一种基于三色激光的水下无人机定位方法及装置。
背景技术
随着现代科学技术的发展，特别是海洋强国战略的实施，对水下导航在精度和可靠性方面都提出了更高的要求，这也是当前水下导航技术的发展方向。
传统水下设备应用惯性导航系统进行自主定位，但惯性导航系统一方面具有累计误差，另一方面受推算的位置与运动状态限制定位时间较长，很难满足水下快速定位的要求；另一用于水下设备定位为利用图像识别，通过获取目标对象周围的参考图像，通过图像识别得到预设信标的位置从而确认自身位置，但因水下障碍物众多，海水浑浊，能见度较差，传统的视觉定位难以发挥作用，使得现有的水下无人机难以在广阔而能见度低下的水域中进行精准定位。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。
本发明的首要目的是提供一种基于三色激光的水下无人机定位方法，利用激光在浑浊水域中产生的光柱，通过自适应阀域控制实现光线在屏幕上的距离计算，再配合转换算法得到相应激光柱位置，实现了无人机在一定范围内的低成本精准定位。
本发明的进一步目的是提供一种基于三色激光的水下无人机定位装置。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于三色激光的水下无人机定位方法，包括以下步骤：
S1：利用激光发射装置将三种不同颜色的激光共面平行且垂直入射于水中，在水下形成三根激光柱，所述三根激光柱的位置固定，所述水下无人机位于所述三根激光柱在水下能传播的最大距离的范围内；
S2：利用水下无人机的摄像头捕捉到所述激光柱的位置，并拍摄包括三根激光柱的图像，所述摄像头最大视角范围内出现所述三根激光柱即为捕捉到所述激光柱的位置；
S3：利用水下无人机的控制器对所述图像进行预处理，获取三根激光柱的像素距离；
S4：根据所述三根激光柱的像素距离以及所述摄像头最大视角，利用水下无人机的控制器计算获取水下无人机相对于激光柱的相对坐标。
将三根不同颜色的激光(红，绿，紫)从水面共面平行射入水中，三根激光柱此后位置不变，作为无人机位置参考标志。无人机在水下配合摄像头视觉获取，无人机利用摄像头在水中水平捕获到的画面是三个不同颜色的线，结合转换算法，在浑浊水域下可利用丁达尔效应进行较为精确的相对坐标定位。
优选地，水下待定位装置中安装有激光柱位置捕捉装置、控制器以及拍摄装置，其中，所述摄像头安装于水下无人机上，所述摄像头的拍摄方向可由控制器控制在水平面上转动。
优选地，所述控制器包括舵机与转动装置，所述舵机驱动所述转动装置转动，转动角度为0°-360°；所述摄像头固定于所述转动装置上。
优选地，在所述步骤S2中捕捉所述激光柱的位置后，利用舵机自动控制水下无人机的摄像头，摄像头拍摄包括三根激光柱的图像，使得中间的激光柱在图像中的成像位置始终位于图像的中心线上。
优选地，所述步骤S3中利用水下无人机的控制器对所述图像进行预处理包括通道分离、阈值过滤和腐蚀处理，获取图像中中间激光柱到左右两根激光的像素距离。
优选地，步骤S4包括以下步骤：
所述步骤S4包括以下步骤：
步骤S4包括以下步骤：
S4.1：以图像中心线的中点为原点，建立X-Y直角坐标系，所述的X-Y直角坐标系平面与水面平行；
S4.2：在X-Y直角坐标系中，根据拍摄图像的横向像素值以及摄像头最大视角构建虚拟像素三角，所述虚拟像素三角以图像的横向为底边，以摄像头最大视角为顶角，所述虚拟像素三角为等腰三角；
S4.3：根据中间激光柱到左右两根激光的像素距离分别计算左右两根激光在虚拟像素三角的成像激光点与顶角的连线与底边的锐角角度；
S4.4：计算中间激光的成像激光点与顶角的连线与X轴正方向的夹角角度；
S4.5：将步骤S4.3与S4.4中计算初的角度值转换为现实空间的位置，得到水下无人机相对于激光柱的相对坐标。
一种基于三色激光的水下无人机定位装置，包括水下无人机、摄像头、控制器以及激光发射装置，其中，所述激光发射装置在水面上，发射三种不同颜色的激光共面平行且垂直入射于水中，所述摄像头与控制器安装于水下无人机上，其中：
所述摄像头获取包括三根激光柱的图像；
所述控制器控制所述摄像头使得摄像头获取的图像中中间的激光柱在图像中的成像位置始终位于图像的中心线上，并根据获取的图像中三根激光柱的像素距离以及所述摄像头的最大视角计算出水下无人机相对于激光柱的相对坐标。
优选地，所述控制器包括舵机与转动装置，所述舵机驱动所述转动装置转动，转动角度为0°-360°，所述摄像头固定于所述转动装置上。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明于水面上向水下射入三根不同颜色的激光，在浑浊的水域下利用其丁达尔效应进行视觉捕捉，同时根据摄像视角以及横向的像素长计算无人机相对于激光的相对位置，从而实现对无人机低成本的精准定位。
附图说明
图1为一种基于三色激光的水下无人机定位方法流程图。
图2为实施例中构建X-Y直角坐标系及虚拟像素三角示意图。
图3为虚拟像素三角的双线夹角计算示意图。
图4为虚拟像素三角与水平方向的夹角计算示意图。
图5为计算与X轴正方向夹角的示意图。
图6为转换为现实空间的位置的示意图。
图7为一种基于三色激光的水下无人机定位装置示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种基于三色激光的水下无人机定位方法，如图1，包括以下步骤：
S1：利用激光发射装置将三种不同颜色的激光共面平行且垂直入射于水中，在水下形成三根激光柱，所述三根激光柱的位置固定，所述水下无人机位于所述三根激光柱在水下能传播的最大距离的范围内；
S2：利用水下无人机的摄像头捕捉到所述激光柱的位置，并拍摄包括三根激光柱的图像，所述摄像头最大视角范围内出现所述三根激光柱即为捕捉到所述激光柱的位置；
S3：利用水下无人机的控制器对所述图像进行预处理，获取三根激光柱的像素距离；
S4：根据所述三根激光柱的像素距离以及所述摄像头最大视角，利用水下无人机的控制器计算获取水下无人机相对于激光柱的相对坐标。所述步骤S2中利用舵机自动矫正水下无人机的摄像头的拍摄角度，且图像中以中间的激光柱作为图像中心。
所述摄像头安装于水下无人机上，所述摄像头的拍摄方向可由控制器控制在水平面上转动；所述控制器包括舵机与转动装置，所述舵机驱动转动装置转动，转动角度为0°-360°，所述摄像头固定于所述转动装置上。
在所述步骤S2中捕捉所述激光柱的位置后，利用舵机自动控制水下无人机的摄像头，摄像头拍摄包括三根激光柱的图像，使得中间的激光柱在图像中的成像位置始终位于图像的中心线上。
所述步骤S3中利用水下无人机的控制器对所述图像进行预处理包括通道分离、阈值过滤和腐蚀处理，获取中间激光柱到左右两根激光的像素距离。
所述步骤S4包括以下步骤：
S4.1：以图像中心线的中点为原点，建立X-Y直角坐标系，所述的X-Y直角坐标系平面与水面平行；
如图2，三根激光柱红、绿、蓝早X-Y直角坐标系中成像点的坐标分别为(-1,0)、(0，0)、(1,0)，实际中以米作为单位，画面式中保持以绿色光线作为画面中心，容错区设为±20像素，获取A‘B‘和A‘C‘的像素距离；
S4.2：在X-Y直角坐标系中，根据拍摄图像的横向像素值以及摄像头最大视角构建虚拟像素三角，所述虚拟像素三角以图像的横向为底边，以摄像头最大视角为顶角，所述虚拟像素三角为等腰三角；
S4.3：根据中间激光柱到左右两根激光的像素距离分别计算左右两根激光在虚拟像素三角的成像激光点与顶角的连线与底边的锐角角度；
如图3，摄像头拍摄视角γ为90度，拍摄画面横向像素值|F1F2|为1920像素，交夹角α、β：
虚拟像素三角为等腰三角形，两底角大小为：
Figure BDA0002013088670000051
利用正切关系算出α、β：
Figure BDA0002013088670000052
Figure BDA0002013088670000053
Figure BDA0002013088670000054
Figure BDA0002013088670000055
Figure BDA0002013088670000056
S4.4：计算中间激光的成像激光点与顶角的连线与X轴正方向的夹角角度；
如图4，求解A‘F与水平方向的夹角δ：
过K作KL||B‘H交F1F2于L，根据正弦定理解ΔC‘KL：
Figure BDA0002013088670000057
Figure BDA0002013088670000061
Figure BDA0002013088670000062
根据余弦定理解ΔA‘KC与ΔA‘KL，解得δ：
Figure BDA0002013088670000063
Figure BDA0002013088670000064
Figure BDA0002013088670000065
如图5，水下无人机在第三象限中，计算AF与X轴正方向夹角ε：
Figure BDA0002013088670000066
S4.5：将步骤S4.2与S4.3中计算初的角度值转换为现实空间的位置，得到水下无人机相对于激光柱的相对坐标。
如图6，有：
∠B‘EA‘＝π-ε
在直角三角形ΔB‘EA‘中，求虚拟像素距离|EF|和|B‘E|：
Figure BDA0002013088670000067
|B‘E|＝|A‘B‘|csc(π-ε)
根据ΔABF～ΔEB‘F，求无人机与原点距离|AF|：
Figure BDA0002013088670000071
上式左边单位为米，右边单位为像素，则：
Figure BDA0002013088670000072
实施例2
本实施例提供一种基于三色激光的水下无人机定位装置，如图7，包括水下无人机和激光发射装置，其中，所述激光发射装置在水面上，发射三种不同颜色的激光共面平行且垂直入射于水中，所述水下无人机包括摄像头和控制器，所述控制器包括舵机及转动装置，其中：
在所述摄像头的最大视角范围内，由所述摄像头获取包括三根激光柱的图像；
所述舵机驱动转动装置转动，转动角度为0°-360°，所述摄像头固定于所述转动装置上，控制所述摄像头使得摄像头获取的图像中中间的激光柱在图像中的成像位置始终位于图像的中心线上；舵机主要是由外壳、电路板、驱动马达、减速器与位置检测元件所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC驱动马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。转动装置为固定于舵机上的供摄像头固定的圆盘。
所述控制器根据获取的图像中三根激光柱的像素距离以及所述图像获取模块的最大视角计算出水下无人机相对于激光柱的相对坐标。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于三色激光的水下无人机定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：利用激光发射装置将三种不同颜色的激光共面平行且垂直入射于水中，在水下形成三根激光柱，所述三根激光柱的位置固定，所述水下无人机位于所述三根激光柱在水下能传播的最大距离的范围内；
S2：利用水下无人机的摄像头捕捉到所述激光柱的位置，并拍摄包括三根激光柱的图像，所述摄像头最大视角范围内出现所述三根激光柱即为捕捉到所述激光柱的位置；
S3：利用水下无人机的控制器对所述图像进行预处理，获取三根激光柱的像素距离；
S4：根据所述三根激光柱的像素距离以及所述摄像头最大视角，利用水下无人机的控制器计算获取水下无人机相对于激光柱的相对坐标；
所述步骤S4包括以下步骤：
S4.1：以图像中心线的中点为原点，建立X-Y直角坐标系，所述的X-Y直角坐标系平面与水面平行；
S4.2：在X-Y直角坐标系中，根据拍摄图像的横向像素值以及摄像头最大视角构建虚拟像素三角，所述虚拟像素三角以图像的横向为底边，以摄像头最大视角为顶角，所述虚拟像素三角为等腰三角；
S4.3：根据中间激光柱到左右两根激光的像素距离分别计算左右两根激光在虚拟像素三角的成像激光点与顶角的连线与底边的锐角角度；
S4.4：计算中间激光的成像激光点与顶角的连线与X轴正方向的夹角角度；
S4.5：将步骤S4.3与S4.4中计算出的角度值转换为现实空间的位置，得到水下无人机相对于激光柱的相对坐标。
2.根据权利要求1所述的基于三色激光的水下无人机定位方法，其特征在于，所述摄像头的拍摄方向可由控制器控制在水平面上转动。
3.根据全力要求2所述的基于三色激光的水下无人机定位方法，其特征在于，所述控制器包括舵机与转动装置，所述舵机驱动所述转动装置转动，转动角度为0°-360°；所述摄像头固定于所述转动装置上。
4.根据权利要求3所述的基于三色激光的水下无人机定位方法，其特征在于，在所述步骤S2中捕捉所述激光柱的位置后，利用舵机自动控制水下无人机的摄像头，摄像头拍摄包括三根激光柱的图像，使得中间的激光柱在图像中的成像位置始终位于图像的中心线上。
5.根据权利要求4所述的基于三色激光的水下无人机定位方法，其特征在于，所述步骤S3中利用水下无人机的控制器对所述图像进行预处理包括通道分离、阈值过滤和腐蚀处理，获取图像中中间激光柱到左右两根激光的像素距离。
6.一种基于三色激光的水下无人机定位装置，其特征在于，包括水下无人机、摄像头、控制器以及激光发射装置，其中，所述激光发射装置在水面上，发射三种不同颜色的激光共面平行且垂直入射于水中，所述摄像头与控制器安装于水下无人机上，其中：
所述摄像头获取包括三根激光柱的图像；
所述控制器控制所述摄像头使得摄像头获取的图像中中间的激光柱在图像中的成像位置始终位于图像的中心线上，并根据获取的图像中三根激光柱的像素距离以及所述摄像头的最大视角计算出水下无人机相对于激光柱的相对坐标，具体为：
S4.1：以图像中心线的中点为原点，建立X-Y直角坐标系，所述的X-Y直角坐标系平面与水面平行；
S4.2：在X-Y直角坐标系中，根据拍摄图像的横向像素值以及摄像头最大视角构建虚拟像素三角，所述虚拟像素三角以图像的横向为底边，以摄像头最大视角为顶角，所述虚拟像素三角为等腰三角；
S4.3：根据中间激光柱到左右两根激光的像素距离分别计算左右两根激光在虚拟像素三角的成像激光点与顶角的连线与底边的锐角角度；
S4.4：计算中间激光的成像激光点与顶角的连线与X轴正方向的夹角角度；
S4.5：将步骤S4.3与S4.4中计算出的角度值转换为现实空间的位置，得到水下无人机相对于激光柱的相对坐标。
7.根据权利要求6所述的基于三色激光的水下无人机定位装置，其特征在于，所述控制器包括舵机与转动装置，所述舵机驱动所述转动装置转动，转动角度为0°-360°；所述摄像头固定于所述转动装置上。
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