CN110282105A - 一种基于视觉的auv双级导引***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于视觉的AUV双级导引***和方法，包括接驳站、AUV、安装在接驳站上的导引灯，还包括云台视觉***，云台视觉***包括控制处理器，固定安装在AUV艏部的视觉云台，罩在所述视觉云台上且与AUV艏部形成密封腔的透明水密罩；所述视觉云台包括底座、水平旋转组件、俯仰旋转组件、相机；控制处理器根据采集的导引灯图像，通过导引灯在图像的像素坐标平面的坐标偏差控制视觉云台，使得导引灯在像素坐标系中维持在居中位置；控制处理器以相机俯仰角相反数和相机偏航角相反数作为AUV的俯仰角和偏航角，以0度作为AUV的目标俯仰角和目标偏航角，通过PID控制算法最终实现AUV的位姿调整，顺利接驳。
Description
技术领域
本发明涉及水下航行器导引和控制技术领域，具体涉及一种基于视觉的AUV双级导引***，以及利用该AUV双级导引***进行AUV接驳的导引方法。
背景技术
AUV(Autonomous Underwater Vehicle，自主水下航行器)与水下接驳站接驳末端，对***的导航精度和导航实时更新频率要求比较高。利用传统的水下声学传感器设备进行导引存在较大问题，主要体现在声学数据更新速率慢，测量误差大，而且受声波发射方向约束，只能在一定角度内导引。因此在末端接驳过程中(航行器与接驳站水平距离大约在20～30米)经常采用视觉导引，视觉导引具有测量精度高、更新速率快的优点，满足常规接驳要求。
在接驳过程中，理论上采用多个导引灯、双摄像头进行导引，能够得到AUV的位姿全部信息，但在实际应用过程中，多灯双目的视场角更小，经常出现视野内导引灯数量不足的情况从而无法获得位姿全部信息，除此之外多灯双目***增加了视觉处理运算量和算法复杂度，并且增加了导引***成本。所以希望尽量减少相机数量。
在水下接驳过程中，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采用定向导引灯，一般导引灯的方向和接驳站的朝向一致，相机安装在AUV艏部，姿态与航行器平行，位置固定，如图1所示。这种方案导引过程是航行器追踪接驳站上的光源，不断调整航行器姿态，使得导引灯在相机中的成像位于中央。这种方案比较简单，但也存在非常大的缺点：无论对于朝向可变还是朝向固定的接驳站，当由于洋流等外界因素或者由于欠驱动AUV转向能力不足等内部因素，使得导引灯不在相机的视野范围内，就无法进行航行器导引，从而经常导致AUV与接驳站接驳失败，如图2所示。而且，对于接驳末端来说，当AUV进入导引灯光束角范围和光照可见范围内，AUV偏航方向可能是图2中所示类似的状态，这种情况由于开始导引灯就不在相机的视野范围内时，就无法通过视觉导引接驳，甚至可能导致和接驳站碰撞，所以这种方案很难在初始没有观测到导引灯的情况下安全快速的调整使得相机观测到导引灯。
发明内容
本发明提供了一种基于视觉的AUV双级导引***和方法，该***和方法通过增加的云台视觉***能够大大提高AUV的接驳成功率。
本发明的技术方案为：
一种基于视觉的AUV双级导引***，包括接驳站、AUV、安装在接驳站上的导引灯，还包括云台视觉***，云台视觉***包括控制处理器，固定安装在AUV艏部的视觉云台，罩在所述视觉云台上且与AUV艏部形成密封腔的透明水密罩；所述视觉云台包括：
底座，其固定安装在AUV艏部；
水平旋转组件，其包括活动安装在底座上的U型支撑架，带动U型支撑架在底座表面沿底座的垂直轴旋转的垂直旋转轴，驱动垂直旋转轴的第一驱动电机以及安装在第一驱动电机与垂直旋转轴的第一码盘；
俯仰旋转组件，其包括活动安装在U型支撑架上的相机载体，带动相机载体沿U型支撑架的水平轴旋转的水平旋转轴，驱动水平旋转轴的第二驱动电机以及安装在第二驱动电机与水平旋转轴的第二码盘；
相机，其安装在相机载体上，用于采集导引灯图像，并将该导引灯图像传输至控制处理器；
相机的俯仰角和AUV俯仰角一致时，第二码盘的角度作为相机的俯仰角零点，相机的偏航角和AUV偏航角一致时，第一码盘的角度作为相机的偏航角零点，第一码盘和第二码盘分别输出相机相对于AUV的偏航角和俯仰角，简称相机偏航角和相机俯仰角；
控制处理器根据采集的导引灯图像，通过导引灯在图像的像素坐标平面的坐标偏差控制视觉云台，使得导引灯在像素坐标系中维持在居中位置；
控制处理器以相机俯仰角相反数和相机偏航角相反数作为AUV的俯仰角和偏航角，以0度作为AUV的目标俯仰角和目标偏航角，通过PID控制算法最终实现AUV的位姿调整，顺利接驳。
本发明还提供了一种利用上述的基于视觉的AUV双级导引***进行导引接驳的方法，包括以下步骤：
(1)利用相机采集导引灯图像，并将该导引灯图像传输至控制处理器中；
(2)控制处理器对检测导引灯图像中是否含有导引灯，若含有导引灯，执行步骤(3)～(6)，若不含有导引灯，执行步骤(7)和(8)；
(3)控制处理器输出偏航角控制信号至第一驱动电机，输出俯仰角控制信号至第二驱动电机；
(4)第一驱动电机和第二驱动电机根据偏航角控制信号和俯仰角控制信号旋转相应的角度，与此同时，第一码盘和第二码盘将采集的相机偏航角和相机俯仰角传输至控制处理器；
(5)控制处理器根据相机偏航角和相机俯仰角计算AUV偏航角控制舵角和AUV俯仰角控制舵角至航控***；
(6)航控***根据AUV偏航角控制舵角和AUV偏航角控制舵角调整AUV的位姿，完成与接驳站的接驳；
(7)控制处理器输出的搜索模式信号至第一和第二驱动电机；
(8)第二驱动电机驱动第二旋转轴旋转，控制相机俯仰角从极限俯仰角以为步长逐渐递增到极限俯仰角对于每个第一驱动电机控制第一旋转轴旋转一周，即相机旋转一周，实时采集导引灯图像。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
本发明在单目单灯AUV导引***的基础上，采用云台视觉***，相比于AUV调整位姿追踪导引灯，具有惯性小响应快的优点，可以快速的追踪导引灯，避免了由于洋流等外界因素或者由于欠驱动AUV转向能力不足，容易使得导引灯不在相机的视野范围内的问题，大大提高了AUV接驳成功率；
本发明采用的云台视觉***，当进入末端接驳初始情况下没有观测到导引灯或者当导引灯突然消失在相机视野范围内时，云台视觉***可以迅速切换到搜索模式，快速地搜索导引灯，增强***恢复能力，大大提高了AUV接驳成功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是采用单目单灯导引时，自主水下航行器与接驳站的位置关系示意图；
图2是接驳站的导引灯不在自主水下航行器的相机视野范围内示意图；
图3是视觉云台***与AUV安装关系示意图；
图4是视觉云台的结构示意图；
图5是基于视觉的AUV双级导引工作示意图；
图6是基于视觉的AUV双级导引水平维度控制框图；
图7是基于视觉的AUV双级导引垂直维度控制框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
为了解决当由于洋流等外界因素或者由于欠驱动AUV转向能力不足，导引灯跑出相机的视野范围的问题，和当导引灯不在相机的视野范围内时，如何安全快速的调整使得相机观测到导引灯问题，本发明提供了一种基于视觉的AUV双级导引***。
如图3～7所示，该AUV双级导引***包括：接驳站、AUV、安装在接驳站上的导引灯，导引灯方向与接驳站朝向一致，其中，AUV包含有航控***，用于根据AUV偏航角偏差和AUV俯仰角偏差控制AUV的航向。
如图3所示，AUV双级导引***还包括云台视觉***，云台视觉***包括控制处理器(图3中未显示)，固定安装在AUV 1艏部的视觉云台2，罩在所述视觉云台2上且与AUV 1艏部形成密封腔的透明水密罩3，该控制处理器可以集成在视觉云台上，也可以集成到AUV上，既与AUV的航控***进行通信，还与视觉云台上的第一驱动电机、第二驱动电机、第一码盘、第二码盘通信，进行控制信号的传输和采集数据的传输。
如图4所示，所述视觉云台2包括：
底座4，其固定安装在AUV 1艏部；
水平旋转组件5，其包括活动安装在底座上的U型支撑架，带动U型支撑架在底座表面沿底座的垂直轴旋转的垂直旋转轴，驱动垂直旋转轴的第一驱动电机以及安装在第一驱动电机与垂直旋转轴的第一码盘，第一码盘用于测量角位移；
俯仰旋转组件6，其包括活动安装在U型支撑架上的相机载体，带动相机载体沿U型支撑架的水平轴旋转的水平旋转轴，驱动水平旋转轴的第二驱动电机以及安装在第二驱动电机与水平旋转轴的第二码盘，第二码盘用于测量角位移；
相机7，其安装在相机载体上，用于采集导引灯图像，并将该导引灯图像传输至控制处理器。
相机的俯仰角和AUV俯仰角一致时，第二码盘的角度作为相机的俯仰角零点，相机的偏航角和AUV偏航角一致时，第一码盘的角度作为相机的偏航角零点，第一码盘和第二码盘分别输出相机相对于AUV的偏航角和俯仰角，简称相机偏航角和相机俯仰角；
根据采集的导引灯图像，通过导引灯在图像的像素坐标平面的坐标偏差控制视觉云台，使得导引灯在像素坐标系中维持在居中位置，这是双级导引***的第一级；
以相机俯仰角相反数和相机偏航角相反数作为AUV的俯仰角和偏航角，以0度作为AUV的目标俯仰角和目标偏航角，通过PID控制算法最终实现AUV的位姿调整，顺利接驳，此为双级导引***的第二级。
具体地，控制处理器包括：
检测模块，对接收的导引灯图像进行图像检测，当检测到导引灯图像不包含有导引灯，即导引灯消失在相机视野范围内时，输出搜索模式信号至第一和第二驱动电机，当检测到导引灯图像包含有导引灯时，确定导引灯在图像坐标系中的坐标位置；
图像处理模块，对导引灯的坐标位置做归一化处理，获得水平归一化误差Δx和垂直归一化误差Δy，
该水平归一化误差Δx和垂直归一化误差Δy主要作为相机偏航角和相机俯仰角的控制输入量，以实现对云台相机的控制，进而实现对导引灯的追踪，具体地，根据以下公式计算水平归一化误差Δx和垂直归一化误差Δy：
其中，u为处理后图像中对应导引灯的白色区域的中心点与图像坐标系Y轴的像素距离，v为处理后图像中对应导引灯的白色区域的中心点与图像坐标系X轴的像素距离，U为相机水平像素点数，V为相机垂直像素点数。
相机偏航角控制模块，根据水平归一化误差Δx，采用PID算法计算相机偏航角对应的第一驱动电机角度控制量并根据该第一驱动电机角度控制量输出偏航角控制信号至第一驱动电机。
具体地，利用以下数字PID公式计算第一驱动电机角度控制量
其中，kp,ki,kd,k,Δx分别为比例系数，积分系数，微分系数，第k个控制周期，水平归一化误差。
第一驱动电机接收到偏航角控制信号后，根据偏航角控制信号内包含的第一驱动电机角度控制量控制第一旋转轴旋转相应的角度，以实现对相机的偏航角的调整，在相机的偏航角调整的同时，第一码盘采集相机偏航角并传输至AUV偏航角控制模块。
相机俯仰角控制模块，根据垂直归一化误差Δy，采用PID算法计算相机俯仰角对应的第二驱动电机角度控制量并根据该第二驱动电机角度控制量输出俯仰角控制信号至第二驱动电机；
具体地，利用以下数字PID公式计算第二驱动电机角度控制量
其中，kp,ki,kd,k,Δy分别为比例系数，积分系数，微分系数，第k个控制周期，垂直归一化误差。
第二驱动电机接收到俯仰角控制信号后，根据俯仰角控制信号内包含的第二驱动电机角度控制量控制第二旋转轴旋转相应的角度，以实现对相机的俯仰角的调整，在相机的俯仰角调整的同时，第二码盘采集相机俯仰角并传输至AUV俯仰角控制模块。
AUV偏航角控制模块，根据接收的第一码盘输出的相机偏航角采用PID算法计算AUV偏航角控制舵角并输出至AUV的航控***；
在AUV偏航角控制模块中，计算AUV偏航角控制舵角的过程为：
首先，以相机偏航角相反数作为AUV当前偏航角AUV目标偏航角为0，则AUV偏航角偏差
然后，根据AUV偏航角偏差作为PID的输入，利用以下数字PID公式计算AUV偏航角控制舵角
其中，kp,ki,kd,k分别为比例系数，积分系数，微分系数，第k个控制周期。
AUV俯仰角控制模块，根据接收的第二码盘输出的相机俯仰角采用PID算法计算AUV俯仰角控制舵角并输出至AUV的航控***。
在AUV俯仰角控制模块，计算AUV偏航角控制舵角的过程为：
首先，以相机俯仰角的相反数作为AUV当前俯仰角AUV目标俯仰角为0,则AUV俯仰角偏差
然后，根据AUV俯仰角偏差作为PID的输入，利用以下数字PID公式计算AUV俯仰角控制舵角
其中，kp,ki,kd,k分别为比例系数，积分系数，微分系数，第k个控制周期。
上述AUV双级导引***，当在导引灯图像中检测到导引灯时，AUV双级导引***执行跟踪模式，利用控制处理器输出AUV偏航角控制舵角和AUV俯仰角控制舵角至AUV的航控***，AUV的航控***根据AUV偏航角控制舵角和AUV俯仰角控制舵角调整AUV的位姿，完成与接驳站的接驳。
当在导引灯图像中检测到导引灯时，AUV双级导引***执行搜索模式，利用控制处理器输出的搜索模式信号至第一和第二驱动电机，第二驱动电机驱动第二旋转轴旋转，控制相机俯仰角从极限俯仰角以为步长逐渐递增到极限俯仰角对于每个第一驱动电机控制第一旋转轴旋转一周，即相机旋转一周，实时采集导引灯图像。
在以上AUV双级导引***的基础上，本实施例还提供了一种利用上述的基于视觉的AUV双级导引***进行导引接驳的方法，包括以下步骤：
(1)利用相机采集导引灯图像，并将该导引灯图像传输至控制处理器中；
(2)控制处理器对检测导引灯图像中是否含有导引灯，若含有导引灯，执行步骤(3)～(6)，若不含有导引灯，执行步骤(7)和(8)；
(3)控制处理器输出偏航角控制信号至第一驱动电机，输出俯仰角控制信号至第二驱动电机；
(4)第一驱动电机和第二驱动电机根据偏航角控制信号和俯仰角控制信号旋转相应的角度，与此同时，第一码盘和第二码盘将采集的相机偏航角和相机俯仰角传输至控制处理器；
(5)控制处理器根据相机偏航角和相机俯仰角计算AUV偏航角控制舵角和AUV俯仰角控制舵角至航控***；
(6)航控***根据AUV偏航角控制舵角和AUV偏航角控制舵角调整AUV的位姿，完成与接驳站的接驳；
(7)控制处理器输出的搜索模式信号至第一和第二驱动电机；
(8)第二驱动电机驱动第二旋转轴旋转，控制相机俯仰角从极限俯仰角以为步长逐渐递增到极限俯仰角对于每个第一驱动电机控制第一旋转轴旋转一周，即相机旋转一周，实时采集导引灯图像。
上述AUV双级导引***和方法在单目单灯AUV导引***的基础上，采用云台视觉***，相比于AUV调整位姿追踪导引灯，具有惯性小响应快的优点，可以快速的追踪导引灯，避免了由于洋流等外界因素或者由于欠驱动AUV转向能力不足，容易使得导引灯不在相机的视野范围内的问题，大大提高了AUV接驳成功率；
上述AUV双级导引***和方法采用的云台视觉***，当进入末端接驳初始情况下没有观测到导引灯或者当导引灯突然消失在相机视野范围内时，云台视觉***可以迅速切换到搜索模式，快速地搜索导引灯，增强***恢复能力，大大提高了AUV接驳成功率。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于视觉的AUV双级导引***，包括接驳站、AUV、安装在接驳站上的导引灯，其特征在于，还包括云台视觉***，云台视觉***包括控制处理器，固定安装在AUV艏部的视觉云台，罩在所述视觉云台上且与AUV艏部形成密封腔的透明水密罩；所述视觉云台包括：
底座，其固定安装在AUV艏部；
水平旋转组件，其包括活动安装在底座上的U型支撑架，带动U型支撑架在底座表面沿底座的垂直轴旋转的垂直旋转轴，驱动垂直旋转轴的第一驱动电机以及安装在第一驱动电机与垂直旋转轴的第一码盘；
俯仰旋转组件，其包括活动安装在U型支撑架上的相机载体，带动相机载体沿U型支撑架的水平轴旋转的水平旋转轴，驱动水平旋转轴的第二驱动电机以及安装在第二驱动电机与水平旋转轴的第二码盘；
相机，其安装在相机载体上，用于采集导引灯图像，并将该导引灯图像传输至控制处理器；
相机的俯仰角和AUV俯仰角一致时，第二码盘的角度作为相机的俯仰角零点，相机的偏航角和AUV偏航角一致时，第一码盘的角度作为相机的偏航角零点，第一码盘和第二码盘分别输出相机相对于AUV的偏航角和俯仰角，简称相机偏航角和相机俯仰角；
控制处理器根据采集的导引灯图像，通过导引灯在图像的像素坐标平面的坐标偏差控制视觉云台，使得导引灯在像素坐标系中维持在居中位置；
控制处理器以相机俯仰角相反数和相机偏航角相反数作为AUV的俯仰角和偏航角，以0度作为AUV的目标俯仰角和目标偏航角，通过PID控制算法最终实现AUV的位姿调整，顺利接驳。
2.如权利要求1所述的基于视觉的AUV双级导引***，其特征在于，控制处理器包括：
检测模块，对接收的导引灯图像进行图像检测，当检测到导引灯图像不包含有导引灯，即导引灯消失在相机视野范围内时，输出搜索模式信号至第一和第二驱动电机，当检测到导引灯图像包含有导引灯时，确定导引灯在图像坐标系中的坐标位置；
图像处理模块，对导引灯的坐标位置做归一化处理，获得水平归一化误差Δx和垂直归一化误差Δy；
相机偏航角控制模块，根据水平归一化误差Δx，采用PID算法计算相机偏航角对应的第一驱动电机角度控制量并根据该第一驱动电机角度控制量输出偏航角控制信号至第一驱动电机；
相机俯仰角控制模块，根据垂直归一化误差Δy，采用PID算法计算相机俯仰角对应的第二驱动电机角度控制量并根据该第二驱动电机角度控制量输出俯仰角控制信号至第二驱动电机；
AUV偏航角控制模块，根据接收的第一码盘输出的相机偏航角采用PID算法计算AUV偏航角控制舵角并输出至AUV的航控***；
AUV俯仰角控制模块，根据接收的第二码盘输出的相机俯仰角采用PID算法计算AUV俯仰角控制舵角并输出至AUV的航控***。
3.如权利要求2所述的基于视觉的AUV双级导引***，其特征在于，利用以下数字PID公式计算第一驱动电机角度控制量
其中，kp,ki,kd,k,Δx分别为比例系数，积分系数，微分系数，第k个控制周期，水平归一化误差。
4.如权利要求2所述的基于视觉的AUV双级导引***，其特征在于，利用以下数字PID公式计算第二驱动电机角度控制量
其中，kp,ki,kd,k,Δy分别为比例系数，积分系数，微分系数，第k个控制周期，垂直归一化误差。
5.如权利要求2所述的基于视觉的AUV双级导引***，其特征在于，计算AUV偏航角控制舵角的过程为：
首先，以相机偏航角相反数作为AUV当前偏航角AUV目标偏航角为0，则AUV偏航角偏差
然后，根据AUV偏航角偏差作为PID的输入，利用以下数字PID公式计算AUV偏航角控制舵角
其中，kp,ki,kd,k分别为比例系数，积分系数，微分系数，第k个控制周期。
6.如权利要求2所述的基于视觉的AUV双级导引***，其特征在于，计算AUV俯仰角控制舵角的过程为：
首先，以相机俯仰角的相反数作为AUV当前俯仰角AUV目标俯仰角为0,则AUV俯仰角偏差
然后，根据AUV俯仰角偏差作为PID的输入，利用以下数字PID公式计算AUV俯仰角控制舵角
其中，kp,ki,kd,k分别为比例系数，积分系数，微分系数，第k个控制周期。
7.如权利要求2～6任一项所述的基于视觉的AUV双级导引***，其特征在于，当在导引灯图像中检测到导引灯时，AUV双级导引***执行跟踪模式，利用控制处理器输出AUV偏航角控制舵角和AUV俯仰角控制舵角至AUV的航控***，AUV的航控***根据AUV偏航角控制舵角和AUV俯仰角控制舵角调整AUV的位姿，完成与接驳站的接驳。
8.如权利要求2～6任一项所述的基于视觉的AUV双级导引***，其特征在于，当在导引灯图像中检测到导引灯时，AUV双级导引***执行搜索模式，利用控制处理器输出的搜索模式信号至第一和第二驱动电机，第二驱动电机驱动第二旋转轴旋转，控制相机俯仰角从极限俯仰角以为步长逐渐递增到极限俯仰角对于每个第一驱动电机控制第一旋转轴旋转一周，即相机旋转一周，实时采集导引灯图像。
9.一种利用如权利要求1～8所述的基于视觉的AUV双级导引***进行导引接驳的方法，包括以下步骤：
(1)利用相机采集导引灯图像，并将该导引灯图像传输至控制处理器中；
(2)控制处理器对检测导引灯图像中是否含有导引灯，若含有导引灯，执行步骤(3)～(6)，若不含有导引灯，执行步骤(7)和(8)；
(3)控制处理器输出偏航角控制信号至第一驱动电机，输出俯仰角控制信号至第二驱动电机；
(4)第一驱动电机和第二驱动电机根据偏航角控制信号和俯仰角控制信号旋转相应的角度，与此同时，第一码盘和第二码盘将采集的相机偏航角和相机俯仰角传输至控制处理器；
(5)控制处理器根据相机偏航角和相机俯仰角计算AUV偏航角控制舵角和AUV俯仰角控制舵角至航控***；
(6)航控***根据AUV偏航角控制舵角和AUV偏航角控制舵角调整AUV的位姿，完成与接驳站的接驳；
(7)控制处理器输出的搜索模式信号至第一和第二驱动电机；
(8)第二驱动电机驱动第二旋转轴旋转，控制相机俯仰角从极限俯仰角以为步长逐渐递增到极限俯仰角对于每个第一驱动电机控制第一旋转轴旋转一周，即相机旋转一周，实时采集导引灯图像。
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