CN111572737B - 一种基于声学和光学引导的auv捕获引导方法 - Google Patents

一种基于声学和光学引导的auv捕获引导方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声学和光学引导的AUV捕获引导方法，包括：当母船接收到AUV传送的待回收信号后采用四个水声换能器向AUV发送声信号；AUV接收声信号并计算不同信号到达AUV的时间差、根据该时间差计算AUV与母船的相对位置，AUV将其位置信息以及声引导状态发送至母船，母船向AUV回收装置ROV发送声引导状态；AUV检测AUV回收装置ROV上设置的引导灯信号，当检测到AUV回收装置ROV后壁引导灯信号时，则通过识别AUV回收装置ROV内后壁的引导灯相对于其前侧引导灯所构成的坐标系的相对位置估算AUV回收装置ROV的位置。

Description

一种基于声学和光学引导的AUV捕获引导方法
技术领域
本发明涉及水下机器人控制领域，尤其涉及一种基于声学和光学引导的AUV捕获引导方法。
背景技术
AUV捕获引导是AUV回收中的关键问题，目前AUV的回收引导主要采用声引导或光学引导的方式，但是由于噪音干扰等因素，极大的影响了水声定位的准确性，且通过回收舱信号灯引导进舱，在进舱的过程中只能通过惯性进舱，容易发生碰撞，给AUV带来不必要的损伤。现有的水下AUV回收技术主要有两种，第一种是捕捞方式，采用网状结构的捕捞器将AUV直接捕捞上岸，这种方式极易造成AUV的损坏；第二种方式将箱体或回收装置固定于海底，该方式需要AUV自己进入固定的回收装置，通过回收回收装置来回收AUV，但由于水流的不定性与AUV自身设计的局限性，AUV只能在水中做类直线运动，无法直接在水中做水平与垂直运动，特别是在受到水中横向水流作用时，很容易偏离航道，无法快速的到达预定位置。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于声学和光学引导的AUV捕获引导方法，该方法采用声学引导与光学引导相结合的方式，将AUV精确引导进舱，由此实现入舱无盲区，以此提高回收的安全性与回收速度，具体方法包括如下步骤：
当母船接收到AUV传送的待回收信号后采用四个水声换能器向AUV发送声信号；
AUV接收声信号并计算不同信号到达AUV的时间差、根据该时间差计算AUV与母船的相对位置，AUV将其位置信息以及声引导状态发送至母船，母船向AUV回收装置ROV发送声引导状态，AUV回收装置ROV接收到状态信息后将其位置及方向信息发送至母船，母船将AUV回收装置ROV的位置和朝向信息传送至AUV，AUV根据AUV回收装置ROV的位置信息调整其行进方向并向AUV回收装置ROV靠近，当AUV与AUV回收装置ROV的距离小于设定阈值时，则AUV回收装置停止发送声信号并向母船发送光引导状态；
AUV检测AUV回收装置ROV上设置的引导灯信号，当检测到AUV回收装置ROV后壁引导灯信号时，则通过识别AUV回收装置ROV内后壁的引导灯相对于其前侧引导灯所构成的坐标系的相对位置估算AUV回收装置ROV的位置，AUV根据实时估算出的AUV回收装置ROV的位置信息调整运动方向、保证AUV回收装置ROV后壁的引导灯始终保持在前侧坐标系原点位置；
当AUV运动至AUV回收装置ROV内则此时只能识别位于AUV回收装置ROV后壁的引导灯，则AUV向母船发送进仓状态，记录AUV向ROV后壁引导灯的移动时间以及AUV进入回收装置ROV的程度，直到AUV与AUV回收装置ROV后壁的距离满足设定值、则AUV被固定则完成捕获任务，并向母船发送回收完毕信号。
进一步的，如果AUV无法检测到AUV回收装置ROV上任意一个引导灯，则AUV环绕AUV回收装置ROV运动一周直至检测到引导灯，如果仍无法检测到引导灯则证明AUV故障，并向母船发送AUV故障状态。
进一步的，如果AUV的进仓时间超过设定的时间阈值，则视为回收失败，则AUV离开AUV回收装置ROV舱内，并重复回收操作。
进一步的，当AUV检测到AUV回收装置ROV上所有的信号灯时，采用视差法提取所有信号灯的中心位置，通过AUV回收装置ROV后壁引导灯在其前侧引导灯所构成的坐标系的坐标获得AUV所需旋转的角度，具体方式为：
设ROV前侧四个引导灯在摄像机坐标系下的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),其后壁引导灯坐标为(x0,y0)，计算AUV回收装置前侧引导灯所构成的坐标系下的原点坐标在摄像机坐标系下的坐标为：
P0＝(u0,v0) (19)
其中，
Figure BDA0002514034650000021
因而求得ROV后壁引导灯在其前侧引导灯所构成的坐标系下的坐标为：
Figure BDA0002514034650000022
已知ROV深度值s，故AUV的旋转角度θ为
Figure BDA0002514034650000023
通过不断旋转角度θ进而不断调整AUV的行进方向，确保其在进入回收舱之后正对回收舱后壁的引导灯。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于声学和光学引导的AUV捕获引导方法，该方法采用远距离声学引导以及近距离光学引导的方式，使AUV能够自主调整航向，逐步靠近AUV回收装置ROV，可以在深海条件下实现无人干预的AUV自主回收，完成精准回收任务；回收装置内采用多形态固定装置，避免了惯性进舱带来的不必要的伤害，提高了AUV回收的安全系数。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法中声学引导过程的流程图；
图2为本发明方法中光学引导过程的流程图；
图3为本发明实施例的示意图；
图4为本发明实施例的示意图；
图5为本发明中AUV进入回收仓前的光学引导示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1和图2所示的一种基于声学和光学引导的AUV捕获引导方法，本方法中首先需要在AUV内部设有USBL水声定位一体机，用于与母船通讯，前端设有摄像头，用于实时获取AUV运行前方的水下画面。同时AUV底端设有地磁传感器，用于获取AUV当前的方向值。另外配合工作的是ROV,其中ROV具有8个推进器，4个位于水平方向，4个位于垂直方向，每个推进器可提供最够的动力，以确保回收平台在水下实现6DoF运动，克服水流的影响，始终稳定的保持定点模式(即在水下保持不动)，以确保AUV以最优航道、最快速度进入回收平台。ROV顶端设有与母船相连接的缆线，用于与母船通讯。ROV带有水深与水声定位相结合的定位系统，用于精确获取其位置信息。ROV内设有行程开关，用于获得AUV进仓的深度值，并通过行程开关控制其内部的防撞海绵移动，进而达到固定AUV的目的。ROV底端设有地磁传感器，用于获取ROV当前的方向值。AUV回收装置ROV是一个回收舱体，该舱体具有一个开口，在开口的四个侧壁上分别设置有一个信号灯，该信号灯可以是菱形的，在舱体内开口对面的后壁上设置有一个三角形的信号灯，在AUV到达光学引导的范围内时，便可通过各信号灯的实时位置准确引导AUV进舱。
该方法具体包括如下步骤：
声学引导过程：
S1:当AUV完成任务后，向母船发送等待回收的状态，母船收到AUV回收状态后，其布置在底端的四个水声换能器开始发送声信号，在此之前，AUV设置一个最大时间阈值t1以及最大重复次数n1,若90s内AUV没有收到母船的声信号，则再次向母船发送等待回收的状态信息，直至重复次数达到n1时，视为AUV故障，AUV进入故障状态。
S2:当AUV接收到信号之后，通过计算信号到达不同接收器的时间差(TDOA)，进一步计算可得AUV与母船的相对位置信息，而后AUV通过水声定位一体机USBL将其位置信息以及声引导状态发送至母船，ROV通过有线通讯将位置以及朝向发送至母船，母船将ROV的位置及朝向发送至AUV，AUV根据所获ROV的位置信息调整其行进方向逐渐向ROV靠近，此时航速为1节，在此过程中，ROV的回收仓口朝向始终保持面向水流的方向，且AUV实时计算与ROV的欧氏距离D。
光学引导过程：
S3:当AUV与ROV的距离D小于5m时，AUV停止发送声信号，向母船发送光引导状态，由此切换为光源导引的回收方式，AUV降低速度至0.5节，并开始记光引导时间t2,并设置最大回收次数N＝5与当前回收次数n2＝0,在此过程中，AUV通过其前置摄像头检测ROV引导灯，若AUV能检测到ROV后壁引导灯，则通过识别ROV内后壁的三角形引导灯相对于其前侧四个菱形引导灯所构成的坐标系的相对位置，精确估计ROV的位置，并根据坐标系不断调整其朝向，使后侧三角形引导灯始终保持在前侧坐标系原点位置。若AUV无法检测到ROV的后壁引导灯则，AUV以ROV为中心绕行一周，在此过程中，保持AUV始终面向ROV，并不断判断AUV是否检测到ROV定位灯。若旋转一周后仍无法检测到ROV的任意一个引导灯，则视为AUV出现故障，进入故障状态。若回收时间过长大于最大回收时间或重复回收次数大于最大回收次数，则视为回收失败。
当AUV无法识别ROV前壁引导灯时，AUV向母船发送进仓状态，同时开始计时AUV继续向ROV后壁引导灯逐渐移动，在此过程中，AUV与设置在ROV后壁的行程开关相接触，行程开关记录AUV进入回收仓的程度，并控制ROV内壁的防撞海绵逐渐夹紧AUV，当行程开关移动至最大值时，AUV被完全固定，AUV向母船发送回收成功状态，AUV回收捕获任务完成。
实施例：声学引导过程：当AUV进入回收阶段时，设置在母船底端四个固定位置的水声换能器在收到回收命令之后，每隔5秒发送一次信号，如图3和图4所示，AUV与ROV通过水声信号接收器接收信号，当接收到信号后，通过检测计算不同信号的到达时间，并由此得出不同信号到达时间两两的差值(TDOA)，进一步反算为不同水声换能器间的距离差测量值，可以得到一组非线性双曲线方程，通过求解对应的方程组所得的解即为母船相对于AUV(或ROV)的相对位置估计，ROV将其相对位置通过水声通讯传回母船，而后母船控制系统将ROV的位置信息传输给AUV，使AUV不断调整其行进方向不断向ROV靠近。
本方法中通过将4个水声换能器发出信号传播时间两两相减得到TDOA来直接估算水下机器人的位置，在视距条件下，有着很高的定位精确度。在直角坐标系中，假设机器人的坐标为(x,y,z)，取四个换能器中任意一个作为主换能器以便于计算，并设主换能器的坐标为(x1,y1,z1)，其余三个从换能器的坐标为(xi,yi,zi)，机器人到换能器之间的欧式距离为Di，机器人与从换能器和与主换能器之间的距离差为Di,1，其中i＝1,2,3,4，故有：
Figure BDA0002514034650000051
即
Figure BDA0002514034650000052
其中
Figure BDA0002514034650000053
故
Di,1＝cti,1＝Di-D1 (3)
式中：c为水声传播速度，约为1500米/秒；ti,1为TDOA的测量值。
又因
Figure BDA0002514034650000061
取式(2)中i＝1,得：
Figure BDA0002514034650000062
其中：xi,1＝xi-x1，yi,1＝yi-y1，zi,1＝zi-z1。
如果把x,y,z看作未知数，那么式(6)则为线性方程。通过三个从传感器可以列3个方程，从而求解方程组可以得到目标位置x,y,z的值。设定主传感器的位置为(0,0,0)，从传感器的位置分别为(x2,0,0)，(x3,y3,0)，(x4,y4,z4)。此时可以由式(6)得到
Figure BDA0002514034650000063
消去R1，可以化简为
Figure BDA0002514034650000064
Figure BDA0002514034650000065
由此可求得：
Figure BDA0002514034650000066
r×x2+e×x+f＝0 (11)
所有换能器的坐标(xi,yi,zi)，其中i＝1,2,3,4已知，TDOA的值ti,1，由此可以求得，AUV相对于回收装置ROV的相对位置。
AUV获取到其与母船的相对位置后，通过水声通讯将位置信息传输至母船，母船接收到信息后，将ROV的位置通过水声通信发送至AUV，而后AUV通过自主路径规划与自动避障等技术到达回收平台(ROV)附近5米海域范围内。
光学引导过程：
当AUV到达ROV距离5m的范围内时，开始光学引导过程，光学引导分为舱外引导以及舱内引导两部分。
a.在AUV与ROV之间的距离大于0小于5m时，ROV通过USBL与深度传感器获取其深度值后发送至母船，再由母船发送至AUV，在确保AUV与ROV保持在相同深度后，AUV通过前置摄像头自主检测ROV上所设置的引导灯。如图5所示，若成功检测到ROV上的所有引导灯，通过对图像进行滤波处理与边缘检测获取图片中的引导灯位置，而后通过视差法提取出所有引导灯的中心位置，通过AUV回收装置ROV后壁引导灯在其前侧引导灯所构成的坐标系的坐标获得AUV所需旋转的角度，若AUV未能检测到ROV上的任意一个引导灯，则AUV便以ROV为中心点绕行一周，直至AUV获取到ROV的引导灯为止。在此过程中，最大重复次数为N＝5，各阶段的最大回收时间为T＝90s，具体算法如下：
当AUV检测到所有引导灯时，首先采用高斯滤波进行平滑降噪处理，假设原始水下图像表示为一个m×n数组J(x,y)，其函数如下：
Figure BDA0002514034650000071
其中σ高斯滤波参数。
在做平滑处理后，将图片中所有点的灰度通过变换函数处理，进而达到增强图像的效果。变换方程如下：
T2＝f(T1)＝f1·T1+f2 (13)
其中，f1为线性函数的斜率，f2为线性函数在y轴上的截距，T1为输入图像的灰度，T2为输出图像的灰度。
将灰度变换后的图像通过点乘sobel算子获得其不同方向的梯度值gx(m,n)，gy(m,n)，如公式14，并由公式(15)与公式(16)计算求得梯度值与梯度方向。
Figure BDA0002514034650000081
Figure BDA0002514034650000082
Figure BDA0002514034650000083
将所求得的梯度值通过公式(17)进行过滤，即将不是边缘的像素点灰度值设置为0。
Figure BDA0002514034650000084
其中T为该像素点正负梯度方向点上的梯度强度。
为整张图片的梯度值设置双阈值，即一个高阈值与一个低阈值，以达到滤除噪声的效果，将高于高阈值的边缘像素点设为强边缘点，在两阈值之间的边缘点设为弱边缘点，将小于低阈值的边缘点去除，由此获得一个初始边缘。采用深度优先算法将所有的弱边缘点通过边界跟踪检查其八连通领域像素是否有强边缘点，若有，则保留该边缘点，若无，则将其去除。由此获得图像中引导灯的边缘信息。
在获得图像中的边缘信息后，对图像进行基于形状的模型匹配，提取出图像中不同形状的引导灯的边缘信息，设各边缘点为Pi＝(ui,vi)(i＝1,2,...,n)，Pi+1为Pi沿逆时针方向的下一个边缘点，则引导灯在摄像机坐标系中的坐标为：
Pc＝(uc,vc) (18)
其中，
Figure BDA0002514034650000091
假设ROV前侧四个引导灯在摄像机坐标系下的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),其后壁引导灯坐标为(x0,y0)，由此计算可得ROV前侧引导灯所构成的坐标系下的原点坐标在摄像机坐标系下的坐标为：
P0＝(u0,v0) (19)
其中，
Figure BDA0002514034650000092
因而可求得ROV后壁引导灯在其前侧引导灯所构成的坐标系下的坐标为：
Figure BDA0002514034650000093
已知ROV深度值s，故，AUV的旋转角度θ为
Figure BDA0002514034650000094
通过不断计算θ，进而不断调整AUV的行进方向，确保其在进入回收仓之后正对回收仓后壁的引导灯。
在此过程中，若AUV回收时间过长，ROV引导灯便闪烁，向AUV传递重新回收信号，若回收次数过多时，ROV关闭前侧引导灯，向AUV发送回收失败信号。
b.AUV进入回收仓
当AUV进入回收仓之后，此时，AUV无法检测出ROV前侧的四个菱形引导灯，ROV通过检测后侧的行程开关计算AUV的深入程度，并控制两侧的防撞海绵不断改变角度，当行程开关达到最大值时，AUV停止移动，ROV的防撞海绵完全夹紧AUV，由此实现AUV的安全捕获。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于声学和光学引导的AUV捕获引导方法，其特征在于包括：
当母船接收到AUV传送的待回收信号后采用四个水声换能器向AUV发送声信号；
AUV接收声信号并计算不同信号到达AUV的时间差、根据该时间差计算AUV与母船的相对位置，AUV将其位置信息以及声引导状态发送至母船，母船向AUV回收装置ROV发送声引导状态，AUV回收装置ROV接收到状态信息后将其位置及方向信息发送至母船，母船将AUV回收装置ROV的位置和朝向信息传送至AUV，AUV根据AUV回收装置ROV的位置信息调整其行进方向并向AUV回收装置ROV靠近，当AUV与AUV回收装置ROV的距离小于设定阈值时，则AUV回收装置停止发送声信号并向母船发送光引导状态；
AUV检测AUV回收装置ROV上设置的引导灯信号，当检测到AUV回收装置ROV后壁引导灯信号时，则通过识别AUV回收装置ROV内后壁的引导灯相对于其前侧引导灯所构成的坐标系的相对位置估算AUV回收装置ROV的位置，AUV根据实时估算出的AUV回收装置ROV的位置信息调整运动方向、保证AUV回收装置ROV后壁的引导灯始终保持在前侧坐标系原点位置；
当AUV运动至AUV回收装置ROV内则此时只能识别位于AUV回收装置ROV后壁的引导灯，则AUV向母船发送进舱状态，记录AUV向ROV后壁引导灯的移动时间以及AUV进入回收装置ROV的程度，直到AUV与AUV回收装置ROV后壁的距离满足设定值、则AUV被固定则完成捕获任务，并向母船发送回收完毕信号；
当AUV检测到AUV回收装置ROV上所有的信号灯时，采用视差法提取所有信号灯的中心位置，通过AUV回收装置ROV后壁引导灯在其前侧引导灯所构成的坐标系的坐标获得AUV所需旋转的角度，具体方式为：
设ROV前侧四个引导灯在摄像机坐标系下的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),其后壁引导灯坐标为(x0,y0)，计算AUV回收装置前侧引导灯所构成的坐标系下的原点坐标在摄像机坐标系下的坐标为：
P0＝(u0,v0) (19)
其中，
Figure FDA0003453137120000011
因而求得ROV后壁引导灯在其前侧引导灯所构成的坐标系下的坐标为：
Figure FDA0003453137120000021
已知ROV深度值s，故AUV的旋转角度θ为
Figure FDA0003453137120000022
通过不断旋转角度θ进而不断调整AUV的行进方向，确保其在进入回收舱之后正对回收舱后壁的引导灯。
2.根据权利要求1所述的一种基于声学和光学引导的AUV捕获引导方法，其特征还在于：如果AUV无法检测到AUV回收装置ROV上任意一个引导灯，则AUV环绕AUV回收装置ROV运动一周直至检测到引导灯，如果仍无法检测到引导灯则证明AUV故障，并向母船发送AUV故障状态。
3.根据权利要求2所述的一种基于声学和光学引导的AUV捕获引导方法，其特征还在于：如果AUV的进舱时间超过设定的时间阈值，则视为回收失败，则AUV离开AUV回收装置ROV舱内，并重复回收操作。
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