水下机器人双目立体视觉定位系统研究

摘要

海洋是地球生物的发源地，拥有着广阔的水下空间和丰富的水下资源，对海洋资源的勘探和利用将大大有利于人类社会的进步。水下机器人技术是海洋探索和研究的核心，而拥有机器视觉的水下机器人将能更好地完成海底的勘探和引导机械手的水下操作。因此，发展水下视觉技术具有十分重要的意义，尤其是对作为水下视觉技术基础的水下视觉定位系统的研究更是如此。
　　 本文根据水下机器人视觉系统“水下应用”的具体需要，研究并确立水下机器人视觉系统的整体配置及控制方法，对水下双目视觉定位系统的硬件结构、水下标定方法、水下图像处理及定位算法进行研究，并通过水下定位试验研究对该系统的精度进行分析。
　　 本文共分6章。
　　 第一章介绍了水下视觉定位系统的应用背景，对水下机器人及机器视觉系统分别作了介绍，同时对视觉机械手的国内外发展概况进行概述，提出了课题的研究目的意义和主要内容。
　　 第二章介绍了水下机器人视觉机械手整体硬件配置方案及控制算法研究，并针对该系统的研究确定的具体配置方式及控制算法，结合水下应用环境，对本水下视觉定位系统的硬件设计、水下标定算法、水下定位算法提出研制改进的方案。
　　 第三章介绍了水下视觉定位系统的硬件结构研究，对视觉定位系统的关键部件进行分析和选型，同时，针对本系统水下工作环境设计了一套摄像机密封装置，并对其进行深海环境高压模拟仓的耐压防水试验。
　　 第四章介绍了水下视觉系统摄像机模型及标定试验研究，针对水下摄像系统水/玻璃/透镜/空气特殊的透视组合，提出了摄像机的畸变模型参数的改进，并将其应用于水下标定的试验研究，取得较好的标定效果。
　　 第五章介绍了水下视觉系统定位算法研究，针对传统摄像机视线相交求取目标点的定位算法的不足，结合水下视觉机械手的应用需要，提出一种基于视线前向平行校正的定位算法，并通过试验研究及误差分析验证该算法的定位准确性第六章全文总结，并对水下机器人视觉控制机械手后续工作进行工作展望。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 水下机器人介绍

1.1.2 机器视觉介绍

1.2 机器人视觉系统国内外发展概况

1.3 课题研究的目的和意义

1.4 课题研究的主要内容

1.5 本章小结

2 水下视觉机器人整体配置及控制原理研究

2.1 摄像机-机械手配置方案研究

2.1.1 摄像机数目配置

2.1.2 摄像机位置配置

2.1.3 本系统配置方案确定及水下应用分析

2.2 视觉机械手伺服控制方法研究

2.2.1 视觉机械手控制方法分类及原理分析

2.2.2 本系统控制方法确定及水下应用分析

2.3 本章小结

3 水下双目视觉系统硬件结构研究

3.1 系统硬件分析研究及选型

3.1.1 视觉传感器(摄像机)

3.1.2 镜头

3.1.3 图像采集卡

3.2 摄像机水下密封结构研究及设计

3.2.1 密封防水的结构的研究设计

3.2.2 摄像机密封桶耐压试验分析

3.3 水下机器人本体介绍

3.4 本章小结

4 水下双目视觉系统摄像机模型及标定试验研究

4.1 摄像机模型分析研究

4.1.1.齐次变换和齐次坐标简介

4.1.2 图像坐标系转换研究

4.1.3.摄像机针孔成像模型(线性模型)研究

4.1.4 摄像机非线性畸变模型研究分析

4.2 水下标定试验研究

4.2.1 单摄像机标定

4.2.2 双目立体标定

4.2.3 摄像头畸变校正

4.3 本章小结

5 水下双目视觉系统定位算法及试验研究

5.1 双目立体视觉模型的研究

5.1.1 简单的模型

5.1.2 一般模型

5.2 双目立体定位算法研究

5.2.1 传统算法简介

5.2.2 前向平行校正算法研究

5.2.3 前向平行校正的定位算法实现

5.3 特征匹配算法研究

5.3.1 区域匹配算法简介

5.3.2 基于特征的匹配算法及设计

5.4 水下定位实验和误差分析

5.4.1 定位实验

5.4.2 误差分析

5.5 本章小结

6 总结和展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

作者简历及研究成果