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原文传递 UUV驮载式回收过程中视觉导引技术研究

论文题名：	UUV驮载式回收过程中视觉导引技术研究
关键词：	无人水下潜航器;驮载式回收;水下视觉导引;特征点匹配光流法;定位原理
摘要：	随着不可再生资源频频告急,各国对海洋资源竞争日益激烈,无人水下潜航器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)作为一种海洋开发的重要装备,已成为各国研究机构及大学重要的研究项目,也是各国军队要大力发展的军事力量。UUV准确、安全回收是保证水下任务连续性和隐蔽性等的必要条件和关键技术,而驮载式回收以其优越的隐蔽性和机动性受到越来越多的青睐。UUV与母艇的对接是驮载式回收至关重要的步骤,对定位精度有非常高的要求,而视觉传感器能够提供直观丰富的环境信息,相比于其它传感器,它的近距离定位精度最高,但由于水下可见度低、生物种类繁多和环境复杂多变,使得水下视觉应用比较困难,所以水下视觉应用技术是非常具有挑战性的研究课题。本文以UUV驮载式水下回收为研究背景,旨在研究一种单目视觉导引定位技术,以满足UUV近距离高精度回收对接的需求。　　一、导引光源系统及定位原理　　本文采用线性导引光源系统作为UUV(腹部正中安装有摄像机)对母艇横向、纵向、垂向和艏向四自由度定位的导引目标。该系统包含参考光源和普通导引光源,其中参考光源用来识别母艇的艏向,普通光源用来对母艇横向、纵向和垂向定位。为消除UUV运动过程中可能出现的横摇或纵倾对定位精度的影响,利用摄像机虚拟旋转法对其进行补偿,实现母艇四自由度定位信息的精确计算。　　二、导引光源区域提取　　正确、精准地提取光源区域是精确计算四自由度定位信息的前提,本文对传统的二维Otsu算法进行改进,以更准确、快速地分割出光源区域,满足系统对实时性的要求;针对改进的二维Otsu算法得到的初始分割区域可能包含伪光源区域的问题,对初始分割区域进行Blob分析,根据贝叶斯决策准则对所有区域进行分类,进而剔除伪光源;为去除提取的光源区域轮廓线毛刺和小面积干扰区域,运用数学形态学算子对其进行修正,得到轮廓线光滑的导引光源区域,有利于提取中心特征点。对水池试验图像进行后处理,结果表明本章所述方法能够准确、快速地提取出导引光源区域。　　三、基于特征点匹配光流法的运动检测　　在驮载式回收过程中,母艇和UUV均处于运动状态,为满足驮载式回收的定位需求,UUV需计算母艇的速度信息。在二者均处于运动状态的情况下,针对连续帧间图像背景会发生较大的变化,而整幅图像全局光流场的计算量大的问题,采用基于特征点匹配的光流法以降低全局光流场计算的时间和空间复杂度,可满足回收系统对实时性的要求。对视频序列中连续帧图像间的特征点进行匹配,计算其光流场,就可得到母艇与UUV的相对运动信息,通过坐标变换即可求得母艇在世界坐标系中的运动信息,实现对母艇定位。　　四、驮载式回收视觉导引定位模拟实验　　结合实际回收任务方式,设计了母艇直线运动、回转运动和复合曲线运动三种回收方案,利用十一自由度台架、单目摄像机和导引光源系统模拟UUV驮载式回收过程,实验结果表明本文所述的导引光源提取和运动检测算法能够满足驮载式回收对定位精度的要求,且该视觉导引定位技术合理可行。　　综上所述,论文将对UUV驮载式回收对接过程中单目视觉导引定位的关键技术和面临的主要问题进行深入研究,并且通过十一自由度台架进行半实物仿真实验,来验证所提单目视觉导引定位系统及相关定位信息与运动信息计算方法的有效性。表明该研究内容具有较强的针对性和较高的实际应用价值。
作者：	郝丽超
专业：	控制理论与控制工程
导师：	施小成
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文