CN111596676B - 水下贝塞尔光视觉导引方法 - Google Patents

Abstract

一种水下贝塞尔光视觉导引方法，包括以下步骤：按照标志灯目标模板选择贝塞尔透镜；贝塞尔标志灯内的高斯光束在经过贝塞尔透镜后呈现为线段光束；多个贝塞尔标志灯点亮后，每个贝塞尔标志灯的光束形成一条线段，多条光束线段形成标志灯模态图；在水下无人航行器自主回收过程中，水下摄像机中的图像处理模块对获得水下贝塞尔标志灯模态图进行图像处理提取线段光束，并获得特征点在摄像机坐标下的坐标；获得摄像机坐标系在坞站坐标系下的坐标和姿态信息；给出水下无人航行器在坞站坐标系下的三维空间坐标和姿态信息。本发明适应性好，灵活性强，可实现标志灯机械结构的小型化，实现标志灯光束特征线段的准确提取，提高定位精度。

Description

水下贝塞尔光视觉导引方法

技术领域

本发明涉及水下光学技术领域，具体涉及一种水下贝塞尔光视觉导引方法。

背景技术

自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)一种利用各种传感器及其他任务模块执行水下作业任务，通过其自身搭载的能源设备、导航设备和执行机构来进行自主导航、自主决策与自主控制的水下机器人，在海洋科学研究、海洋工程作业、以及国防军事领域得到广泛应用。但AUV在水下作业的时间绝大程度上受限于其自身所携带的能源，当AUV完成某一任务后，通常需要回收到水面支持平台，以便补充能源、回收数据和下载新的使命任务。当在大深度海底工作时，AUV的布放与回收要花费相当长的时间若作业海域海况较差，回收过程会增加一定的风险。为了提高AUV的水下作业时间、工作效率和降低风险，通常采用水下光视觉技术进行AUV自主回收。

图1给出了传统的水下多光源光视觉导引方法，在自主水下无人航行器AUV1的艏部装配有水下摄像机2，坞站回收装置3具有喇叭口形(漏斗形)的回收罩，大发散角的标志灯4安装在回收罩上，当回收罩口径较小时，则标志灯光斑会出现交叠问题，导致水下摄像机2输出的图像中难以准确提取各个传统标志灯6光斑的形心，从而无法有效定位AUV。

光视觉导引主要是利用AUV艏部摄像机抓取坞站标志灯图像并通过图像特征与已知特征的匹配进而计算出相对位置，用于高精度定位。现有的光视觉导引技术中主要有单目视觉导引、双目视觉导引。

在现有的导引技术中，不管是是单目视觉导引还是双目视觉导引，坞站处的光源标志灯都存在相同的问题：

(1)标志灯形心难以提取：在光视觉导引中，高精度的位姿解算需要标志灯的中心位置的精确提取，传统的光导引过程中一般采用的是大发散角的LED灯作为理想的圆形标志灯，通过提取摄像机抓取图像中标志灯光斑形心作为其特征点，但是受水体及环境噪声影响，标志灯难以形成理想的圆形光斑，导致标志灯形心提取不准确，从而影响定位精度；

(2)标志灯数量多受机械尺寸限制制约坞站装置小型化：发散角大的LED标志灯，仅能通过光斑形心提取灯的坐标位置，需要至少4个标志灯，离散布放在1m～3m直径的坞站上，利用灯间的相对位置信息实现光视觉定位，，如果缩小坞站直径，多个标志灯的光斑难以分立，易交叠，无法有效提取标志灯，这严重限制了该技术在AUV自主回收中的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种水下贝塞尔光视觉导引方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种水下贝塞尔光视觉导引方法，包括以下步骤：

按照标志灯目标模板选择贝塞尔透镜；

贝塞尔标志灯内的高斯光束在经过贝塞尔透镜后呈现为线段光束；

多个贝塞尔标志灯点亮后，每个贝塞尔标志灯的光束形成一条线段，多条光束线段形成标志灯模态图；

在水下无人航行器自主回收过程中，水下摄像机中的图像处理模块对获得水下贝塞尔标志灯模态图进行图像处理提取线段光束，并获得特征点在摄像机坐标下的坐标；

水下摄像机中的图像处理模块利用水下贝塞尔标志灯在坞站坐标系下的坐标和摄像机坐标系坐标的对应关系，获得摄像机坐标系在坞站坐标系下的坐标和姿态信息；

水下摄像机中的图像处理模块利用已知的摄像机坐标系与水下无人航行器坐标系的转换关系，给出水下无人航行器在坞站坐标系下的三维空间坐标和姿态信息。

其中，调节所述贝塞尔透镜锥面底角能够实现所述线段光束的长度调节。

其中，所述线段光束是利用贝塞尔透镜形成的光束自发光位置一定距离内保持光强分布不变，且具有高强度局域化分布，形式上呈现为具有有限长度的光束线段，其长度可通过贝塞尔透镜调节而改变。

其中，所述标志灯目标模板是根据用户自身需求利用线段光束形成特定目标图案，在该模板中光束线段长度已知。

基于上述技术方案可知，本发明的水下贝塞尔光视觉导引方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

1、本发明采用贝塞尔透镜产生的无衍射线段光束作为标志灯，相比于传统的大发散角LED标志灯形心提取，线段光束的线段提取精度更高，从而可提高标志灯提取精度。

2、传统的大发散角LED标志灯仅能提取形心获得灯的位置信息，需要至少4个灯标志灯作为导引灯，而本发明中的贝塞尔光标志灯即具有位置信息还具有长度和方向信息，因此，贝塞尔光标志灯可提供更多信息，利用2个贝塞尔灯可实现光视觉定位，从而减少标志灯数量，利于在小尺寸坞站回收装置布放，从而减少回收装置尺寸。

附图说明

图1是传统水下多光源光视觉导引方法；

图2是贝塞尔光标志灯结构示意图；

图3是本发明实施例的水下贝塞尔光视觉导引方法；

图4是本发明实施例水下贝塞尔标志灯布置图；

图5是本发明实施例水下贝塞尔标志灯模态图。

上图中，附图标记含义如下：

1、AUV；2、水下摄像机；3、回收装置；4、标志灯；5、成像视场；6、传统标志灯；7、线段光束；8、蓝绿半导体激光器；9、整形透镜；10、贝塞尔透镜。

具体实施方式

本发明公开了一种面向水下无人航行器自主回收的基于水下贝塞尔光视觉导引方法，可解决传统水下光视觉导引灯中标志灯拓扑结构受机械尺寸限制及光斑形心难以准确提取的问题，其特征在于，以具有无衍射的贝塞尔标志灯作为新型水下光视觉导引灯，按照所需导引灯目标模板选择贝塞尔透镜，贝塞尔标志灯内的高斯光束在经过贝塞尔透镜后呈现为有限长度的线段光束，多个贝塞尔标志灯点亮后，每个贝塞尔标志灯的光束形成一条线段，多条光束线段形成标志灯模态图。在AUV自主回收过程中，安装在AUV艏部的水下摄像机可获得坞站回收装置上标志灯的图像，输出标志灯模态图至水下摄像机的图像处理模块，通过标志灯模态图骨骼化处理提取光束线段，并采用贝塞尔标志灯的光束线段作为特征线段，经过特征匹配可获得标志灯模态图中线段与模板中光束线段的对应关系，结合水下摄像机内部参量，建立坞站坐标系和摄像机坐标系间的转换关系，最终，利用该转换关系给出AUV在坞站坐标系下空间坐标和姿态信息。本发明适应性好，灵活性强，可实现标志灯机械结构的小型化，实现标志灯光束特征线段的准确提取，提高定位精度。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图2所示将贝塞尔透镜布置在蓝绿半导体激光器8的出口处，小发散角的蓝绿半导体激光器经过整形透镜9的整合发出平行光束经过贝塞尔透镜发生相位积分形成自发光位置一定距离内保持光强分布不变，且具有高强度局域化分布，形式上呈现为具有有限长度的光束线段。该线段光束的长度由轴棱锥锥面底角与光束半径决定，因此调节调节贝塞尔透镜锥面底角可实现线段光束的长度调节。

图3给出了水下贝塞尔光视觉导引方法，在自主水下无人航行器AUV1的艏部装配有水下摄像机2，坞站回收装置3具有漏斗形的回收站，将两个小发散角的贝塞尔标志灯安装在回收罩左右两侧，且两个标志灯的光束指向相反(见图4)，水下摄像机获得水下贝塞尔标志灯模态图(见图5)，两个线段光束7形成四个特征点，即每个线段光束的两个端点分别对应一个特征点，由线段光束形成的特征图像输出至图像处理模块。

在本发明中，贝塞尔标志灯出口处的贝塞尔透镜是按照标志灯目标模板安装的。该标志灯目标模板由用户根据自身应用需求利用线段光束形成的特征点间距设计的。在该模板中光束线段真实长度已知，从而可获得线段光束两端点形成的特征点在坞站坐标系下坐标。水下摄像机获得水下贝塞尔标志灯模态图与目标模板是互相对应的。在摄像机坐标系下，可获得特征点的坐标。由于水下贝塞尔标志灯中特征点在相对坞站坐标下的坐标已知，因此，利用其在坞站坐标系下的坐标和摄像机坐标系坐标的对应关系，可以获得摄像机坐标系在坞站坐标系下的坐标和姿态信息。由于摄像机安装在AUV艏部，摄像机坐标系与AUV坐标系的转换关系是已知的，因此，可以获得AUV在坞站坐标系下的三维空间坐标和姿态信息，从而完成AUV远距离高精度自主回收。

本实施例的具体步骤如下：

第一步：按照目标模板选择贝塞尔透镜并将其安装在贝塞尔标志灯出光处，进而将标志灯按照目标模板布放在回收装置的回收罩的两侧，如图4所示，该标志灯模板与后面水下摄像机获得水下贝塞尔标志灯模态图互相对应；

第二步：在AUV自主回收时，标志灯开启，在水中形成线段光束；

第三步：AUV艏部的水下摄像机获得贝塞尔标志灯模态图；

第四步：水下摄像机中的图像处理模块对获得水下贝塞尔标志灯模态图进行图像处理提取线段光束，并获得特征点在摄像机坐标下的坐标；

第五步：水下摄像机中的图像处理模块利用水下贝塞尔标志灯在坞站坐标系下的坐标和摄像机坐标系坐标的对应关系，获得摄像机坐标系在坞站坐标系下的坐标和姿态信息；

第六步：水下摄像机中的图像处理模块利用已知的摄像机坐标系与AUV坐标系的转换关系，给出AUV在坞站坐标系下的三维空间坐标和姿态信息，并输出给AUV的控制系统；

第七步：AUV控制系统根据自身在坞站坐标系下的定位信息，修正航行参数，对准回收装置的喇叭口形回收罩；

第八步：重复第三步至第七步，直至AUV进入回收装置，贝塞尔光视觉导引结束。

其中，光束线段是利用贝塞尔透镜形成的光束自发光位置一定距离内保持光强分布不变，且具有高强度局域化分布，形式上呈现为具有有限长度的光束线段，其长度可通过贝塞尔透镜调节而改变。

其中，所述的标志灯目标模板是根据用户自身需求利用线段光束形成特定目标图案，在该模板中光束线段长度已知。

其中，所述的AUV在坞站坐标系下空间坐标和姿态信息，其特征在于，利用标志灯光束线段在坞站坐标系下的坐标和摄像机坐标系坐标的对应关系，可以获得摄像机坐标系在坞站坐标系下的坐标和姿态信息，由于摄像机安装在AUV艏部，摄像机坐标系与AUV坐标系的转换关系是已知的，因此，可以获得AUV在坞站坐标系下的三维空间坐标和姿态信息。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种水下贝塞尔光视觉导引方法，其特征在于，包括以下步骤：

按照标志灯目标模板选择贝塞尔透镜；

贝塞尔标志灯内的高斯光束在经过贝塞尔透镜后呈现为线段光束；所述线段光束是利用贝塞尔透镜形成的光束自发光位置一定距离内保持光强分布不变，且具有高强度局域化分布，形式上呈现为具有有限长度的光束线段，其长度可通过贝塞尔透镜调节而改变；

多个贝塞尔标志灯点亮后，每个贝塞尔标志灯的光束形成一条线段，多条光束线段形成标志灯模态图；

在水下无人航行器自主回收过程中，水下摄像机中的图像处理模块对获得水下贝塞尔标志灯模态图进行图像处理提取线段光束，并获得特征点在摄像机坐标下的坐标；

水下摄像机中的图像处理模块利用水下贝塞尔标志灯在坞站坐标系下的坐标和摄像机坐标系坐标的对应关系，获得摄像机坐标系在坞站坐标系下的坐标和姿态信息；

水下摄像机中的图像处理模块利用已知的摄像机坐标系与水下无人航行器坐标系的转换关系，给出水下无人航行器在坞站坐标系下的三维空间坐标和姿态信息。

2.根据权利要求1所述的水下贝塞尔光视觉导引方法，其特征在于，调节所述贝塞尔透镜锥面底角能够实现所述线段光束的长度调节。

3.根据权利要求1所述的水下贝塞尔光视觉导引方法，其特征在于，所述标志灯目标模板是根据用户自身需求利用线段光束形成特定目标图案，在该模板中光束线段长度已知。

Images