UUV对接过程中单目视觉导引方法研究

摘要

视觉感知是环境探测的一种重要的技术。由于能够提供丰富的信息，机器视觉在陆地上已得到广泛的应用，但其在水下的应用依然比较少见，主要是因为水下环境复杂多变，所以水下机器视觉仍是很具挑战性的研究课题。本文以UUV水下对接为研究背景，针对UUV水池对接实验中单目视觉导引定位系统出现的作用范围小以及远距离定位精度低的问题，主要从以下几个方面研究增大单目视觉导引的作用范围及提高定位精度的方法：
　　 一、对接装置中的目标光源系统。UUV距离坞舱较远时，由原线性目标光源系统得到的导引图像中光源区域很难识别，而较近时又没有足够的导引光源进入摄像机的视野，为解决该问题设计源光强可调的目标光源系统，导引光源具有多种发光模式，整个系统可根据UUV与坞舱之间的距离变化转换发光模式，也就是调整导引光源发光的面积和强度以及导引光源发光的个数。
　　 一、心形参考光源匹配。参考光源标志着坞舱的中心，其识别和提取的结果决定了水平面横向和纵向定位精度且其匹配时间占整个视觉处理视觉的很大比例。参考光源的心形形状明显区别于其他的圆形导引光源，将量子粒子群优化算法与形状匹配相结合，利用参考光源的形状特征并避免参考光源轮廓线与模板库中的所有轮廓线进行一一匹配，在保证正确匹配的同时缩短匹配时间。
　　 三、导引光源分类。水池对接实验中由于真伪光源区域误判导致得到的定位结果曲线中出现较大的数据跳变。将伪光源剔除作为模式分类问题解决，利用支持向量机对真伪光源进行分类，并以光源区域的七种形态学描述算子作为导引光源特征对支持向量机进行训练，以水池实验中获得的导引图像库里提取出得真伪光源区域作为训练样本。
　　 四、视觉导引过程的模拟实验。将导引光源图像分类与参考光源匹配整合到视觉导引定位软件中，利用多自由度台架、水槽和自制目标光源系统重现UUV水池对接实验。设计水平面指定路径运动实验、定深实验以及UUV对接模拟实验分别验证论文所述单目视觉导引系统及定位方法的可行性及有效性。