【技術實現步驟摘要】
本申請涉及水下無人航行器的自動控制領域，尤其是一種基于多標記物協同引導的自主對接系統。
技術介紹
1、深海給人類帶來了許多資源的同時也存在著大量的挑戰，這使得uuv(unmannedunderwater?vehicle，水下無人航行器)成為水下檢測、搜索以及能源開采等領域不可或缺的工具。但受體積與載荷的限制，uuv無法長時間不間斷地執行任務，須定期對接回收以進行能源補給與信息交換。
2、目前，國內外使用的對接導引系統主要是回籠式，通過在對接站的導向口上搭載電磁、聲學、光學等傳感器或標記物，引導uuv進入對接站的導向口。但是在uuv進入對接站的導向口之后，主要依靠uuv按照預設的行為和對接站的結構約束，盲沖至對接站末端的對接位置完成對接回收。然而，uuv在對接站內部從導向口至末端對接位置之間的末端區域內的盲沖行為無疑會導致其與對接站之間產生碰撞，不僅影響對接精度還會損壞uuv。
技術實現思路
1、本申請針對上述問題及技術需求，提出了一種基于多標記物協同引導的自主對接系統，本申請的技術方案如下：
2、一種基于多標記物協同引導的自主對接系統，包括如下步驟：
3、自主對接系統包括水下對接站和uuv，uuv搭載有相機；水下對接站包括回籠式結構的對接站本體及其上固定的標記物，對接站本體的尺寸與uuv相匹配，標記物包括引導光源和構成嵌套式結構的多個標識碼，引導光源安裝于對接站本體的入口處，構成嵌套式結構的多個標識碼設置在對接站本體內部的末端并朝向對接站本體的入
4、通過搭載的相機實時獲取前進方向上的圖像并進行標記物檢測，確定標記物在uuv坐標系中的位置參量uuv坐標系以uuv重心為坐標原點、以uuv航行前進方向為x軸正方向、以方位向指向uuv左舷為y軸正方向、以俯仰向垂直于xy平面向下為z軸正方向；
5、將標記物在uuv坐標系中的位置參量轉換為在對接站坐標系中的位置參量p(x,y,z)；根據誤差約束函數確定位置參量p(x,y,z)的x坐標處的y軸約束量ly(x)和z軸約束量lz(x)；誤差約束函數在所有標記物的引導區域的總引導范圍內關于x坐標是連續分段函數，且誤差約束函數指示的約束量隨著x坐標的減小而朝0收斂；
6、根據y軸約束量ly(x)和位置參量p(x,y,z)的y坐標確定y軸位置誤差，根據z軸約束量lz(x)和位置參量p(x,y,z)的z坐標確定z軸位置誤差；
7、根據y軸位置誤差利用自主對接控制器調節方位向的運動，根據z軸位置誤差利用自主對接控制器調節俯仰向的運動，并控制向前推進，直至到達對接站本體內部末端的對接位置。
8、其進一步的技術方案為，誤差約束函數在所有標記物的引導區域的總引導范圍內關于x坐標是連續分段函數，誤差約束函數在每個單標記物引導區域內的分段函數指示每個軸的約束量隨著x坐標的減小而減小，誤差約束函數在每個過渡引導區域內的分段函數指示每個軸的約束量存在極大值和極小值且極大值對應的x坐標小于極小值對應的x坐標；其中，每個單標記物引導區域是每個標記物的引導區域中未與其他標記物的引導區域交叉重疊的區域，過渡引導區域是多個標記物的引導區域的交叉重疊區域。
9、其進一步的技術方案為，誤差約束函數在每個單標記物引導區域內的分段函數與相鄰的過渡引導區域內的分段函數在分界位置處的約束量相等，誤差約束函數在每個單標記物引導區域內的分段函數與相鄰的過渡引導區域內的分段函數在分界位置處的導數相等。
10、其進一步的技術方案為，對于y軸和z軸中的任意一軸，誤差約束函數在每個單標記物引導區域內的分段函數指示當前軸的約束量與x坐標之間呈直線方程形式且l(x)＝kx+f，其中，斜率k和截距f分別與當前軸對應方向的識別定位指標要求以及各個標記物各自對應的引導區域的覆蓋范圍相關。
11、其進一步的技術方案為，斜率其中，是最靠近對接站本體內部末端的引導區域沿著x坐標的取值范圍，p是所有標記物的引導區域的綜合定位穩定性和定位誤差，pe是所有標記物的引導區域的綜合定位誤差，po是預設相機視場范圍，de是自主對接允許誤差。
12、其進一步的技術方案為，任意一個單標記物引導區域內的分段函數的截距其中，[xmin,xmax]是當前單標記物引導區域沿著x坐標的取值范圍，ps是當前單標記物引導區域的定位穩定性，pe是當前單標記物引導區域的定位誤差，po是預設相機視場范圍，de是自主對接允許誤差。
13、其進一步的技術方案為，對于y軸和z軸中的任意一軸，誤差約束函數在每個過渡引導區域內的分段函數指示當前軸的約束量與x坐標之間呈多項式方程形式且l(x)＝ax3+bx2+cx+d，其中，約束系數a、b、c、d分別與當前軸對應方向的單標記物引導區域內的分段函數以及各個標記物各自對應的引導區域的覆蓋范圍相關。
14、其進一步的技術方案為，誤差約束函數在每個單標記物引導區域內的分段函數指示當前軸的約束量與x坐標之間呈直線方程形式且l(x)＝kx+f；任意一個過渡引導區域內的分段函數的約束系數a、b、c、d為：
15、
16、其中，k是單標記物引導區域內的分段函數的斜率，f2是相鄰兩個單標記物引導區域中靠近對接站本體內部末端的引導區域的分段函數的截距，f1是相鄰兩個單標記物引導區域中遠離對接站本體內部末端的引導區域的分段函數的截距，是相鄰兩個單標記物引導區域中靠近對接站本體內部末端的引導區域沿著x坐標的取值范圍的最大值，是相鄰兩個單標記物引導區域中遠離對接站本體內部末端的引導區域沿著x坐標的取值范圍的最小值。
17、其進一步的技術方案為，引導光源包括圍繞對接站本體入口安裝的1個主燈源和n個副燈源，主燈源與副燈源的燈光顏色不同，整數參數n≥3，確定標記物在uuv坐標系中的位置參量包括：
18、對獲取的圖像進行區域分割處理確定具有主燈源燈光顏色的若干個候選主燈源中心坐標，以及確定具有副燈源燈光顏色的若干個候選副燈源中心坐標；
19、從識別到的若干個候選主燈源中心坐標和候選副燈源中心坐標中篩選出滿足燈源的物理布局位置關系的一個候選主燈源中心坐標和n個候選副燈源中心坐標得到各個引導光源的像素坐標；
20、對于單個標記物的引導區域，利用pnp算法對像素坐標進行解算得到標記物在相機坐標系中的位置參量p'(x,y,z)；
21、對于相鄰兩個標記物的引導區域的交叉重疊區域，對解算得到的單個標記物在相機坐標系中的位置參量和進行位姿融合得到標記物在相機坐標系中的位置參量
22、
23、對標記物在相機坐標系中的位置參量p'(x,y,z)本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于多標記物協同引導的自主對接系統，其特征在于，所述自主對接系統包括水下對接站和UUV，所述UUV搭載有相機；所述水下對接站包括回籠式結構的對接站本體及其上固定的標記物，所述對接站本體的尺寸與UUV相匹配，所述標記物包括引導光源和構成嵌套式結構的多個標識碼，引導光源安裝于對接站本體的入口處，構成嵌套式結構的多個標識碼設置在對接站本體內部的末端并朝向對接站本體的入口；每個標記物有各自對應的引導區域，每個標記物的引導區域是以所述水下對接站為參照物時所述標記物在所述UUV的相機中的成像區域，相鄰兩個引導區域存在交叉重疊，所有標記物的引導區域的總引導范圍覆蓋對接站本體內部末端的對接位置至對接站本體的入口外部預定位置處之間的區域；所述UUV執行的自主對接方法包括：
2.根據權利要求1所述的自主對接系統，其特征在于，誤差約束函數在所有標記物的引導區域的總引導范圍內關于x坐標是連續分段函數，誤差約束函數在每個單標記物引導區域內的分段函數指示每個軸的約束量隨著x坐標的減小而減小，誤差約束函數在每個過渡引導區域內的分段函數指示每個軸的約束量存在極大值和極小值且極大值對應的x坐標
3.根據權利要求2所述的自主對接系統，其特征在于，誤差約束函數在每個單標記物引導區域內的分段函數與相鄰的過渡引導區域內的分段函數在分界位置處的約束量相等，誤差約束函數在每個單標記物引導區域內的分段函數與相鄰的過渡引導區域內的分段函數在分界位置處的導數相等。
4.根據權利要求2所述的自主對接系統，其特征在于，對于y軸和z軸中的任意一軸，誤差約束函數在每個單標記物引導區域內的分段函數指示當前軸的約束量與x坐標之間呈直線方程形式且l(x)＝kx+f，其中，斜率k和截距f分別與當前軸對應方向的識別定位指標要求以及各個標記物各自對應的引導區域的覆蓋范圍相關。
5.根據權利要求4所述的自主對接系統，其特征在于，斜率其中，是最靠近對接站本體內部末端的引導區域沿著x坐標的取值范圍，P是所有標記物的引導區域的綜合定位穩定性和定位誤差，Pe是所有標記物的引導區域的綜合定位誤差，Po是預設相機視場范圍，de是自主對接允許誤差。
6.根據權利要求4所述的自主對接系統，其特征在于，任意一個單標記物引導區域內的分段函數的截距其中，[xmin,xmax]是當前單標記物引導區域沿著x坐標的取值范圍，ps是當前單標記物引導區域的定位穩定性，pe是當前單標記物引導區域的定位誤差，Po是預設相機視場范圍，de是自主對接允許誤差。
7.根據權利要求3所述的自主對接系統，其特征在于，對于y軸和z軸中的任意一軸，誤差約束函數在每個過渡引導區域內的分段函數指示當前軸的約束量與x坐標之間呈多項式方程形式且l(x)＝ax3+bx2+cx+d，其中，約束系數a、b、c、d分別與當前軸對應方向的單標記物引導區域內的分段函數以及各個標記物各自對應的引導區域的覆蓋范圍相關。
8.根據權利要求7所述的自主對接系統，其特征在于，誤差約束函數在每個單標記物引導區域內的分段函數指示當前軸的約束量與x坐標之間呈直線方程形式且l(x)＝kx+f；任意一個過渡引導區域內的分段函數的約束系數a、b、c、d為：
9.根據權利要求1所述的自主對接系統，其特征在于，所述引導光源包括圍繞對接站本體入口安裝的1個主燈源和n個副燈源，主燈源與副燈源的燈光顏色不同，整數參數n≥3，確定標記物在UUV坐標系中的位置參量包括：
10.根據權利要求1所述的自主對接系統，其特征在于，根據對接精度要求和UUV的尺寸確定所述對接站本體的尺寸l是對接站本體的長度，w是對接站本體的寬度，h是對接站本體的高度；lUUV是UUV的長度，wUUV是UUV的寬度，hUUV是UUV的高度；Δx是長度方向對接精度，Δy是寬度方向對接精度，Δz是高度方向對接精度；
...【技術特征摘要】
1.一種基于多標記物協同引導的自主對接系統，其特征在于，所述自主對接系統包括水下對接站和uuv，所述uuv搭載有相機；所述水下對接站包括回籠式結構的對接站本體及其上固定的標記物，所述對接站本體的尺寸與uuv相匹配，所述標記物包括引導光源和構成嵌套式結構的多個標識碼，引導光源安裝于對接站本體的入口處，構成嵌套式結構的多個標識碼設置在對接站本體內部的末端并朝向對接站本體的入口；每個標記物有各自對應的引導區域，每個標記物的引導區域是以所述水下對接站為參照物時所述標記物在所述uuv的相機中的成像區域，相鄰兩個引導區域存在交叉重疊，所有標記物的引導區域的總引導范圍覆蓋對接站本體內部末端的對接位置至對接站本體的入口外部預定位置處之間的區域；所述uuv執行的自主對接方法包括：
2.根據權利要求1所述的自主對接系統，其特征在于，誤差約束函數在所有標記物的引導區域的總引導范圍內關于x坐標是連續分段函數，誤差約束函數在每個單標記物引導區域內的分段函數指示每個軸的約束量隨著x坐標的減小而減小，誤差約束函數在每個過渡引導區域內的分段函數指示每個軸的約束量存在極大值和極小值且極大值對應的x坐標小于極小值對應的x坐標；其中，每個單標記物引導區域是每個標記物的引導區域中未與其他標記物的引導區域交叉重疊的區域，過渡引導區域是多個標記物的引導區域的交叉重疊區域。
3.根據權利要求2所述的自主對接系統，其特征在于，誤差約束函數在每個單標記物引導區域內的分段函數與相鄰的過渡引導區域內的分段函數在分界位置處的約束量相等，誤差約束函數在每個單標記物引導區域內的分段函數與相鄰的過渡引導區域內的分段函數在分界位置處的導數相等。
4.根據權利要求2所述的自主對接系統，其特征在于，對于y軸和z軸中的任意一軸，誤差約束函數在每個單標記物引導區域內的分段函數指示當前軸的約束量與x坐標之間呈直線方程形式且l(x)＝kx+f，其中，斜率k和截距f分別與當前軸對應方向的識別定位指標要求以及各個標記物各自對應的引導區域...
【專利技術屬性】
技術研發人員：屈俊琪，焦慧鋒，孫功武，張萬遠，張軍，李新光，羅晴午，
申請(專利權)人：中國船舶科學研究中心，
類型：發明
國別省市：
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