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原文传递基于视觉的AUV水下回收导引定位技术研究

论文题名：	基于视觉的AUV水下回收导引定位技术研究
关键词：	无人水下潜航器;回收对接;水下视觉;图像复原;单目四自由度定位;线形光源阵列
摘要：	计算机视觉以其所提供信息的丰富性在陆上得到广泛应用,但在水下应用是目前具有挑战性的研究课题。本论文针对未来海洋空间站对出站执行任务的无人水下潜航器(Autonomous underwater vehicle,简称AUV)必须进行回收的需要,旨在研究开发一种水下视觉导引定位系统,它能够在近距离导引AUV以坐落坞舱的方式被海洋空间站回收。论文对该视觉系统展开如下所述的研究: 　　面向对线控位的视觉导引定位系统设计。坐落坞舱式回收要求准确的方向定位,因此采用对线控位的回收策略。采用光源作为导引目标,提出六种视觉导引定位系统方案。通过分析理论定位精度排除了精度偏低的单目单灯测距方案;通过分析有效导引范围将选择范围缩小到结构简洁且性价比高的单目和双目两种方案;单目双目测距对比实验表明双目测距精度虽好,但稳定性较差,且易受导引光源性能和标定误差的影响。最终选择了单目视觉方案,描述了它的硬件组成,设计了作为导引目标的线形光源阵列。　　基于散射模型的水下图像复原与摄像机水下标定。摄像机水下标定时,由于海水的吸收、散射等作用,标定板图像退化严重,标定特征难以被正确提取。提出基于散射模型的分段线性映射图像复原方法。首先描述了所使用的水下光线散射模型,设计了一种在水池中标定模型参数的实验方法;将图像复原过程视为从实测像素到退化前像素的分段线性映射,由退化前后直方图之间的联系给定该映射的约束条件,反推法得到一系列离散距离值,从而在散射模型基础上构建出完整的分段映射函数;多次复原的结果说明方法具有适应性。在摄像机水下标定中,将方法应用于标定板图像复原,提高了板区域对比度,使完整的板区域和所有标定圆被正确检出,得到有效可信的标定结果。　　基于形态学分析的图像导引特征提取。图像导引特征包括三类:图像上的所有光源区域、参考光源区域和相距最远的两光源区域。导引图像经过阈值分割后初步得到所有光源区域,但其中常混有伪光源干扰。选取七种水滴(BLOB)形态算子描述目标区域,用多元高斯概率密度函数表示在真伪光源两个类别下该七维描述向量的条件概率,基于样本估计两个类别的高斯概率分布参数,采用贝叶斯最小错误率规则判别目标区域的类别。在提取形状区别于一般光源的参考光源区域时,以Canny边缘检测结果初始化Snake曲线(主动轮廓线),采用改进的Snake模型算法检测出完整的心形参考光源轮廓线,在图像金字塔上计算目标轮廓线与模板库中轮廓线的匹配度,得出最佳匹配结果。实验证明上述方法可以有效剔除伪光源区域,正确提取出参考光源位置,为下一步定位解算打下基础。　　基于线形光源阵列的单目四自由度定位方法。当AUV(摄像机)与坞舱平面平行时,给出AUV垂向、纵向、横向和艏向的定位解算方法;进一步,当AUV与坞舱平面不平行,即AUV发生纵(横)倾时,提出摄像机虚拟旋转法,在纵(横)倾前后状态之间建立一个过渡的虚拟状态,解算出虚拟状态的定位信息再过渡到无纵(横)倾状态,得出四自由度的精确定位方法。在水池中进行动态定位试验考察了系统的有效导引范围和抗扰动等性能,以短基线声呐(Short Base-Line Sonar,简称SBL)和高度计的测量值为准衡量了系统的定位精度并对定位结果进行补偿。　　视觉伺服与AUV水下回收试验。针对不同对接阶段研究了不同的导引策略,垂直面高度调整采用基于位置的视觉伺服,水平面三自由度调整采用基于图像的视觉伺服。讨论了水平面三自由度调整中图像雅可比矩阵的确定方法,证明了该伺服系统无控制奇点,并在Matlab下进行了仿真试验。最后描述AUV回收系统,进行了AUV水下回收试验。介绍了AUV、坞舱装置及协调控制系统;设计了水池回收试验方案;试验数据及结果表明,该单目视觉导引定位系统可以有效导引AUV完成近距离回收对接,证明了论文所述方法系统的合理性和可行性。
作者：	王晓娟
专业：	控制理论与控制工程
导师：	边信黔
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文