[发明专利]一种基于视觉的AUV双级导引系统和方法

权利要求书

1.一种基于视觉的AUV双级导引系统，包括接驳站、AUV、安装在接驳站上的导引灯，其特征在于，还包括云台视觉系统，云台视觉系统包括控制处理器，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双级导引系统，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，确定导引灯在像素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的航控系统；

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的航控系统。

3.如权利要求2所述的基于视觉的AUV双级导引系统，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，k_p,k_i,k_d,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双级导引系统，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，k_p,k_i,k_d,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双级导引系统，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，k_p,k_i,k_d,k分别为比例系数，积分系数，微分系数，第k个控制周期。