[发明专利]自主式水下机器人组合导航系统

权利要求书

1.一种自主式水下机器人组合导航系统，包括惯性基础导航装置和外部传感器导航装置，其中惯性基础导航装置包括多普勒测速仪、光纤陀螺、压力传感器、电子罗盘和深度计，外部传感器导航装置包括声纳，其特征在于：该组合导航系统还包括水下结构光传感器和水下双目视觉平台，其中水下结构光传感器包括位于自主式水下机器人外框架(1)前部的前视结构光传感器和位于外框架(1)底部的下视结构光传感器，水下双目视觉平台包括位于外框架(1)前部的前视双目视觉平台和位于外框架(1)底部的下视双目视觉平台，前视结构光传感器和前视双目视觉平台组成了位于外框架(1)前部的前视结构光与视觉系统模块(4)，下视结构光传感器和下视双目视觉平台组成了位于外框架(1)底部的下视结构光与视觉系统模块(7)。

2.根据权利要求1所述的自主式水下机器人组合导航系统，其特征在于：所述的声纳包括设置在外框架(1)前部上方的窄波束扫描成像声纳(3)和设置在外框架(1)前部下方的具有较宽波束的普通避碰声纳(5)。

3.根据权利要求1所述的自主式水下机器人组合导航系统，其特征在于：所述的水下结构光传感器包括摄像机、激光投射器、振镜以及振镜控制板。

4.根据权利要求1所述的自主式水下机器人组合导航系统，其特征在于：水下双目视觉平台包括两台水下高清摄像机和对应的图像采集卡。

5.一种权利要求1所述自主式水下机器人组合导航系统的声纳信号斑特征提取方法，其特征在于该方法包括以下步骤：首先，利用融合脉冲耦合神经网络、中值滤波和维纳滤波优势的混合滤波进行图像噪声滤除；然后，利用广义形态学复合运算进行边缘检测和特征提取，获取障碍物信息，并提取障碍物的质心应用于AUV导航。

6.一种权利要求1所述自主式水下机器人组合导航系统中水下结构光传感器的三维测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

第一步，对水下摄像机进行标定：标定时利用实验室的水槽实现摄像机标定，利用平面网格靶标作为标定用靶标，标定过程在水中进行，由靶标上的网格点和对应的像面坐标建立若干共轭对，利用这些共轭对采用改进的径向约束排列方法来求解摄像机模型；

第二步，结构光光平面标定以及测量点坐标的确定：标定时先在水上根据振镜不同转角下在平面网格靶标上的交线确定振镜的初始角，以及振镜在不同角度下对应的光平面在世界坐标系下的方程，从而求出光平面上任一点即水中物体的三维坐标。

7.一种权利要求1所述自主式水下机器人组合导航系统中水下双目视觉平台的三维测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

第一步，特征提取：采用基于Harris角点的特征提取方法，实现水下双目视觉图像的特征提取，同时对特征点周围的灰度分布进行了二次曲面拟合，在实际图像中提取角点时，首先确定要提取的特征点数目N，然后找出角点函数R(x，y)值最大的N个角点，寻找局部极值时，先将整个图像平面分为几块小区域，然后在每个小区域内各提取一定数目的特征点以用于匹配；

第二步，立体匹配：采用基于Harris角点匹配和基于准稠密的方法实现特征的立体匹配；

第三步，视差图的计算：通过对同一被测物体的不同图像进行Harris角点检测和零均值归一化互相关最优策略匹配扩散得到更多特征对应点，对各特征点计算视差后得到视差图；

第四步，三维重建：采用分格显示地貌的方法实现由视差图重建三维场景。

8.根据权利要求7所述的自主式水下机器人组合导航系统水下双目视觉平台的三维测量方法，其特征在于所述的分格显示地貌的方法主要包括以下步骤：

(1)计算视差图里各点在摄像机坐标系下的三维坐标；

(2)建立摄像机坐标系与车体坐标系的转换关系，将摄像机坐标系下的三维坐标转换为车体坐标系下各点的三维坐标；

(3)先将视差图分成4×4块，共十六个方格，经过第二步坐标变换后，每一个网格对应着一个实际的区域，这块区域与机器人之前有固定的距离和角度，然后遍历整个视差图，选取适当的障碍物高度阈值T，高于T的物体认为是障碍物，机器人不可通行，对含有障碍物的方格区域，选取障碍物的最高点作为该区域的高度；对于不含障碍物的方格区域，取所有落入点高度的平均值作为该区域的高度，至此上述十六个分格均为带有高度信息的方格，而且可以知道它们是否为障碍物，及其位置和距离。