[发明专利]一种实现水下集群内个体之间视觉感知的方法

说明书

本发明涉及一种实现水下集群内个体之间视觉感知的方法，通过视觉对目标进行位置关系检测和速度方向检测的方法，用于水下集群中通过视觉对个体进行信息检测。首先通过传统视觉方法对特定布局下的LED信号源进行识别，包括不同颜色的LED以及垂直布局的一对LED灯。再通过使用小孔成像原理对LED灯进行垂直平面距离的测量，水平和垂直方向的视角差，进而计算出相对于观测个体的三维位置坐标。最后，针对BlueROV在水下运动的特性，即BlueROV只有偏航角度的变化，设计了一种检测BlueROV速度方向的算法，该算法同时也需要BlueROV身上布置相应的LED信号源，进而得到观测个体与目标个体的速度方向之间的夹角。

技术领域

本发明属于水下集群领域，具体涉及以BlueROV作为集群中的个体来通过视觉感知集群内邻居的方法。

背景技术

集群运动是一种通过定义个体之间简单的交互规则，在宏观上表现出一系列具备优良性能的运动形式，如大范围搜索覆盖、目标围捕。集群的形成需要个体之间不断的信息交流，在陆地和空中，得益于无线电通信组网的便利，集群内部之间的信息交流很方便实现。在水下环境中，由于电磁波衰减严重且声纳信号通信频率上限低，导致水下集群内部的信息交流受到限制，集群实现难。近年来，一种不依赖主动通信而是通过非显式通信的信息交流方法开始出现在水下集群领域，这种非显式通信方法核心特征为不主动向集群内其他个体发送自己的位置、速度信息，而是通过被动的感知来得到其他个体的位置、速度信息，例如通过视觉的方法对集群内其他个体的位置和速度信息进行识别。

相比于陆地和空中环境，水下尤其是海洋环境感知面临着诸多挑战，例如密度、水流、水压等因素。目前根据在水下环境使用的传感器，将水下环境感知的方法分为两大类，一个是水下声学环境感知，另一个是水下视觉环境感知。其中水下声学环境感知主要利用声纳等传感器，对水下声波信息进行处理，进而生成声纳图像，实现水下远距离目标的定位与探测，但依靠声纳会受到海浪杂波以及声信号在不同密度的水层传播速率不同的影响。并且在水下集群领域，个体更关心的是近距离环境的感知，以及实时对周围环境进行感知，而声纳更适合远距离环境感知以及对感知实时性要求不高的场合。所以针对水下集群的应用场合下，声纳更适合作为一种辅助感知的手段。

另一方面，水下视觉感知可以实时感知近距离的环境，相比于其他水下常用的感知手段，如压力传感器、侧线传感器、声纳等，其天然适合作为水下集群中个体的主要感知手段。

水下视觉主要有着感知反馈迅速、部署成本低廉、视觉信息精细等优点。感知反馈迅速得益于光传播速度远远高于声波，这就带来了实时性高的好处；一般的视觉传感设备，如摄像头，其价格低廉，且能够很方便的部署在集群个体上；与其他传感器相比，视觉传感器不受反射噪声的干扰，图像的细节丰富，且得益于陆地和空中使用视觉感知的广泛，其研究领域与技术储备都有着巨大优势，有着能够向水下环境应用迁移的有利条件。

BlueROV为一款开源的水下遥控式无人潜航器(Remote Operated Vehicle,ROV)。由于BlueROV拥有矢量推进器布局，在水下拥有6自由度。在水下环境运动时，BlueROV的横滚角(Roll)和俯仰角(Pitch)变化较小，只有通过改变偏航角(Yaw)实现航向的变化，并配合其直上直下的深度控制，可以实现相比较传统水下无人航向器更为精细的运动。

发明内容

要解决的技术问题

为了实现以视觉为主要感知手段的水下集群，本发明提供了一种通过视觉对视野内出现的邻居个体的位置信息和速度方向信息进行检测的方法。检测得到的位置信息和速度方向信息都是相对于观测个体的。相对位置信息以三维空间坐标的形式给出，且该空间坐标以观测个体自身摄像头的光心为坐标原点；相对速度方向信息以一个角度差给出，该角度差描述了观测个体和目标个体在水平面上的角度关系。

技术方案

一种实现水下集群内个体之间视觉感知的方法，其特征在于步骤如下：