面向深海移动平台接驳技术的机器视觉末端导航系统研究

摘要

海洋当中蕴含丰富的生物资源和矿产资源，随着科学技术水平的不断提高，人类对海洋的探索不断加深，其中水下自主航行器(AUV)在其中扮演了非常重要的角色，因其具有航行距离远、下潜深、可持续航行并具有自主导航航行能力等特性，使其成为海底观测系统中不可或缺的一部分。 本文的研究对象是水下自主航行器的末端视觉导航系统，由于视觉导航是基于水下视频图像处理，所以同时还利用Visual C++建立了视频图像处理软件，另外包括硬件制作与程序设计、导航过程二维正交面仿真。 视频图像处理软件，其主要功能是提供一个开放的代码书写环境，能够让操作人员能够按照自己意愿将代码添加进去，并且能够比较直观的观察到视频的处理结果。当信号提取系统硬件不能在线调试时，该软件的应用显得尤为重要，尤其在后续的工作当中，为水下视频图像处理算法的深入研究奠定了基础。 末端视觉导航硬件系统，其主要工作是通过事先制定的控制信号提取方案，通过对水下摄像头采集到的水下视频图像进行处理并对处理结果进行计算，同时将计算结果通过串口发送到航行器的上位机。 末端视觉导航模型，该模型包括三部分，第一部分是水下自主航行器的动力学模型，第二部分是运动学模型，第三部分是信号提取模型。这三部分组成了，末端视觉导航系统模型，其主要是模拟在应用了末端视觉导航硬件系统之后的导航过程，其中末端视觉导航系统模型相当于一个反馈环节。

目录

声明

致谢

摘要

1绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2水下自主航行器研究现状

1．2．1国外研究现状

1．2．2国内研究现状

1．3水下自主航行器回坞导航技术研究现状

1．3．1国外研究现状

1．3．2国内研究现状

1．4课题难点及研究内容

1．4．1课题难点

1．4．2研究内容

2末端视觉导航数学建模

2．1坐标系与运动参数选取

2．1．1坐标系选取

2．1．2运动参数选取

2．1．3坐标系转换矩阵

2．2水下航行器运动学方程

2．2．1平动运动学方程

2．2．2转动运动学方程

2．3水下航行器所受外力

2．3．1理想流体惯性力

2．3．2流体黏性位置力

2．3．3流体黏性阻尼力

2．3．4浮力

2．3．5重力

2．4水下航行器动力学方程

2．5水下航行器模型简化

2．6视觉导航系统建模

2．7小结

3末端视觉导航仿真

3．1水下航行器Simulink模型

3．2水平面运动仿真

3．2．1无控制仿真

3．2．2增加速度反馈仿真

3．3纵平面仿真

3．3．1无控制仿真

3．3．2增加速度反馈仿真

3．4小结

4视频图像处理软件设计

4．1视频图像处理简述

4．1．1数字图像及其矩阵表示

4．1．2颜色空间

4．1．3图像类型

4．2视频处理软件实现

4．2．1视频处理软件功能分析

4．2．2软件框架设计

4．2．3软件实现

4．3软件界面运行

4．4实验及结果分析

4．5小结

5系统硬件及程序设计

5．1硬件系统方案设计

5．2硬件电路设计

5．2．2视频解码

5．2．3视频编码

5．2．4程序存储器

5．3硬件系统程序设计

5．3．1总体程序设计

5．3．2视频图像处理程序设计

5．4电机驱动电路

5．4．1单片机控制电路

5．4．2串口接收电路

5．4．3电机驱动电路

5．5电机驱动程序设计

5．6硬件设备集成

5．6．1导流罩

5．6．2水下摄像头

5．6．3水下光源

5．7系统实验及分析

5．8小结

6总结与展望

6．1工作总结

6．2工作展望

参考文献

附表

作者简历