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原文传递面向水下作业的UUV光视觉目标识别与定位技术研究

论文题名：	面向水下作业的UUV光视觉目标识别与定位技术研究
关键词：	水下无人航行器;水下自主作业;双目视觉;定位技术
摘要：	水下无人航行器（Unmanned Underwater Vehicle,UUV）作为在复杂海洋环境中工作的高智能化、无人系统，良好的环境感知能力是其必须要具备的关键技能。而水下视觉系统是 UUV感知外部环境信息的重要手段之一。本文面向UUV水下作业任务需求，以UUV在海底执行光缆检修、样本采集等任务为牵引，开展 UUV自主寻找作业目标及位姿测定方法研究，对于促进UUV具备水下自主作业能力具有理论意义和工程参考价值。针对UUV水下作业环境的特殊性以及任务需求，设计并实现一个实时的UUV双目光视觉系统。　　首先，提出了UUV双目视觉系统的组成及在 UUV上的配装方案，完成了双目视觉系统的标定。在分析图像采集各个组成部分功能原理的基础上，以自主作业任务需求为主要考虑因素，提出了UUV双目视觉系统的组成方案，分析论证了UUV水下作业的双目光视觉系统在航行器上的安装要素，使之能够正确实时获取水下空间的视觉信息，并在此基础上采用2D平面标定板对双目摄像机进行了标定，为准确的目标识别与高精度的定位提供了可靠的保障。　　其次，开展了水下已知物理尺度的水下作业目标识别方法研究。针对水下图像噪声大、灰白效应严重以及模糊问题，设计平滑滤波器和顶帽变换等方法，增强水下图像的对比度，使图像细节更明显；针对水下图像分割过程，采用区域生长和基于先验知识虚假目标过滤改进分割方法取得了较好的效果；选用抗噪声能力强并能获得目标在不同成像条件下特征稳定的几何形状描述子，作为目标区域特征，经过实验验证以圆形度和细长度建立空间特征向量便能准确区分本设计的目标；通过建立高斯混合模型对目标特征向量建模，通过训练样本获得模型的最优化参数，并改进加入阈值判断拒绝概率很小的识别结果，实现了对水下作业目标的识别。　　再次，采用归一化互相关的分层匹配搜索方法实现了水下作业目标的位姿测定。针对目标定位的实时性与准确性，详细分析了立体匹配过程中的基元的选择、条件的确立、准则的设定与策略的选取问题，并在此基础上采用基于归一化互相关的分层匹配搜索方法，并通过在实验求得出目标物的视差图，验证了方法的实时性与可行性。进一步利用三维目标重构原理获取到水下目标深度信息，从而确定水下作业目标物的相对位姿信息。　　最后，基于目标特征仿射变换不变性原理对UUV纵横倾条件下的目标图像进行了补偿。针对UUV水下特殊的作业环境，航行状态时容易受到实时扰动的影响，提出了一种在有横倾和纵倾扰动条件下，基于目标的特征值仿射变换后不变性的原理，利用UUV自身的罗经实时给出的姿态信息，通过对图像的仿射变换，对采集图像进行实时修正补偿，以获得实时精准的图像，提高目标识别与定位的精度。进一步，为了提高航行状态下UUV对水下作业目标进行识别和位姿测定的实时性需求，采用基于压缩感知技术的压缩跟踪，对水下作业目标进行实时跟踪，以此来减小双目匹配的搜索空间，提高匹配效率。本文提出了一种双目视觉系统在UUV上的配装方案，研究了水下作业目标的识别及位姿测定方法，研究结论有助于促进UUV早日具备水下典型自主作业能力。
作者：	邹宏峰
专业：	控制理论与控制工程
导师：	徐健
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文