[发明专利]一种自主式水下机器人的光学引导回收系统及其回收方法

摘要

本发明公开了一种自主式水下机器人的光学引导回收系统及其回收方法。自主式水下机器人对线型引导光源阵列进行梳状搜索，在发现引导光源后计算其三维空间坐标，根据引导光源的数量自适应地采用视线法或横向轨迹偏差法规划目标艏向角，并基于模糊PID控制器和S面控制器设计了两层跟踪控制体系。本发明使自主式水下机器人能够实现高可靠性、高鲁棒性、高成功率的水下自主对接，可通过增加光源阵列的长度得到满足实际应用需求的有效引导距离。

主权项

1.一种自主式水下机器人的光学引导回收系统，其特征在于：包括自主式水下机器人和引导回收平台；自主式水下机器人具有典型的舵翼联合操控的欠驱动形式，自主式水下机器人艏部安装有光学摄像机，自主式水下机器人后部安装有高度计，自主式水下机器人的密封舱中搭载光学图像处理单元和运动控制单元，光学图像处理单元采集光学摄像机的图像数据并进行处理，运动控制单元采集高度计的数据并转发给图像处理单元，光学图像处理单元和运动控制单元进行信息交互；引导回收平台上安装有标记对接回收位置的引导光源，引导回收平台上安装有刚性杆状构件，刚性杆状构件一端位于导引回收平台上，另一端延伸出导引回收平台外，刚性杆状构件上安装有线型光源阵列和动力定位装置；自主式水下机器人的光学引导回收系统的回收方法，包括以下步骤，步骤一：自主式水下机器人在引导回收平台附近进行梳状搜索，图像处理单元通过光学摄像机采集图像并进行处理，判断是否发现引导光源，若为否，继续进行梳状搜索，若为是，转至步骤二；步骤二：图像处理单元采集一帧图像并计算出引导光源的三维空间坐标，若引导光源数量为1，转至第三步，若引导光源数量不小于2，转至第四步；步骤三：根据引导光源的三维空间坐标，运动控制单元采用视线法调整自主式水下机器人的艏向角，调整完成后转至步骤二；步骤四：判断引导光源的排列形式，若呈直线型排列，转至步骤五，若呈菱形排列，转至步骤六；步骤五：运动控制单元采用横向轨迹偏差法调整自主式水下机器人的艏向角，调整完成后转至步骤二；步骤六：自主式水下机器人到达引导回收平台上方预定对接回收位置，实现回收；所述判断是否发现引导光源的方法为：(1)图像处理单元通过光学摄像机采集一帧图像，并将其由彩色图像转换为灰度图像I，像素在转换后的灰度图像中具有的灰度值f，f＝0.2·r+0.5·g+0.3·b其中r、g、b分别是彩色图像中每个像素的红、绿、蓝色彩分量；(2)对图像I采用大津阈值分割法进行初步分割得到二值图像B；(3)修正阈值T，得到最终分割图像其中T0是大津阈值分割法得到的初始阈值，T是修正后的对图像I进行分割的阈值，p为B中值为1的像素所占的百分比；(4)对采用区域生长算法得到待选光源区域C_i，其中i是区域编号且i＝1,2,3,…，C_i的圆形度R(C_i)为：其中π代表圆周率，S(Ci)是区域Ci的面积，L(Ci)是区域Ci的周长；(5)将区域C_i的面积S(C_i)大于10且区域C_i的圆形度R(C_i)属于实数区间[0.9,1.1]的待选光源区域作为有效光源区域保留，移除不符合上述条件的其他区域；若的数量不为0，则可判断图像中出现了有效的引导光源；(6)所述的计算出引导光源的三维空间坐标的方法为：计算图像中的有效光源区域中心坐标其中j是属于有效光源区域的像素，像素坐标为(x_j,yj)且灰度值为f_j，则对应的引导光源与机器人坐标系的x‑z平面的方位夹角为：引导光源与机器人坐标系x‑y平面的方位夹角θi为：其中(x0,y0)是图像I的中心坐标，W是摄像机的视场角，θ0是光学摄像机与水平面的安装角度；计算引导光源的三维空间坐标[xi,yi,zi]T：其中，h是自主式水下机器人距引导回收平台的高度。