救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪方法及系统

技术领域

本发明涉及船舶自动化技术领域，具体地，涉及救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪方法及系统，更为具体地，涉及在救生圈引导下通过视觉检测的方式进行无人艇目标跟踪方法。

背景技术

由于无人系统的发展，近几年无人艇已广泛应用于各种场景，无人水面艇协同作业成为目前的研究热点。目前针对无人水面艇对水面目标进行跟踪的研究主要集中在控制算法，且利用传统的GPS手段进行定位。无人水面艇在协同作业过程中主要依赖于导航与定位技术，传统的定位方式主要是利用全球定位系统GPS。而GPS受天气、建筑物遮挡等干扰较大，定位数据易发生漂移，精度低，这使得无人水面艇在进行协同作业时产生一定的位置偏差；无人艇在协同过程中需要相互通信，在弱联通/通信静默条件下，存在通信链路差，船舶通信延时高，使得无人水面艇在协同作业不能实时共享船舶位置与状态；尽管可以利用高精度的定位设备弱化定位误差，但是成本高，不适宜广泛使用。

利用视觉系统可以看到周围船舶目标，克服上述技术的不足，使无人艇协同手段更加丰富。基于视觉的跟踪需要通过视觉实时检测目标艇，但船舶的种类、大小、形状不一，直接通过视觉检测船舶进行跟踪较为困难。鉴于救生圈是船载必备的救生用品，且形状单一，因此本发明利用船舶上均会搭载的救生圈作为目标艇被检测对象，提出一种救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪方法，该方法可用于无人艇进行协同作业，可有效拓展无人水面艇的应用功能。

专利文献CN115047877A(申请号：202210648171.X)公开了一种基于比例导引的无人艇目标跟踪方法及系统，该方法包括：求解目标导引点的坐标；求解目标艇与目标导引点的连线和无人艇与目标导引点的连线之间的夹角；求解无人机期望航速与航向。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪方法及系统。

根据本发明提供的一种救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪方法，包括：

步骤S1：由跟踪艇搭载单目视觉传感器采集目标艇上救生圈的图像，获取救生圈在图像中的几何特征；

步骤S2：通过图像中救生圈的几何特征，利用单目视觉传感器成像特性，求取救生圈的相对方位、相对姿态和相对距离；

步骤S3：跟踪艇根据救生圈的相对方位与相对姿态实时控制航向，根据救生圈的相对距离实时控制跟踪艇速度。

优选地，所述步骤S1采用：利用跟踪艇上搭载的单目视觉传感器采集目标艇上救生圈的图像，并对采集到的目标艇上救生圈的图像进行预处理，包括：噪声消除与闭运算处理，利用颜色信息和几何特征将兴趣区域分割，提取救生圈的外观轮廓，最终利用最小二乘法对救生圈进行拟合。

优选地，所述步骤S2采用：

所述救生圈的相对方位采用：

θ

其中，f

l＝b/a

其中，救生圈在图像中的成像为椭圆，b表示椭圆的长轴；a表示椭圆的短轴；

所述救生圈的相对距离采用：

Z＝f

其中，H表示实际救生圈的高度；h表示椭圆的长轴在图像坐标中的像素高度。

优选地，所述跟踪艇根据救生圈的相对方位θ

优选地，所述步骤S3采用：

Δ

Δu＝k

其中，Δ

优选地，还包括：

对目标艇上救生圈进行跟踪过程中，救生圈出现被遮挡或者短暂消失的情况，则对目标艇上的救生圈的位置进行预测，继续采用上一时刻的偏航角进行目标艇的跟踪；

根据本发明提供的一种救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪系统，包括：

模块M1：由跟踪艇搭载单目视觉传感器采集目标艇上救生圈的图像，获取救生圈在图像中的几何特征；

模块M2：通过图像中救生圈的几何特征，利用单目视觉传感器成像特性，求取救生圈的相对方位、相对姿态和相对距离；

模块M3：跟踪艇根据救生圈的相对方位与相对姿态实时控制航向，根据救生圈的相对距离实时控制跟踪艇速度。

优选地，所述模块M1采用：利用跟踪艇上搭载的单目视觉传感器采集目标艇上救生圈的图像，并对采集到的目标艇上救生圈的图像进行预处理，包括：噪声消除与闭运算处理，利用颜色信息和几何特征将兴趣区域分割，提取救生圈的外观轮廓，最终利用最小二乘法对救生圈进行拟合。

优选地，所述模块M2采用：

所述救生圈的相对方位采用：

θ

其中，f

l＝b/a

其中，救生圈在图像中的成像为椭圆，b表示椭圆的长轴；a表示椭圆的短轴；

所述救生圈的相对距离采用：

Z＝f

其中，H表示实际救生圈的高度；h表示椭圆的长轴在图像坐标中的像素高度。

优选地，所述跟踪艇根据救生圈的相对方位θ

所述模块M3采用：

Δ

Δu＝k

其中，Δ

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明利用视觉检测，克服了其他目标跟踪方法依赖GPS定位系统的问题，且不受到通信环境的影响，可以实时检测目标艇上的救生圈标志物；

2、救生圈是船载必备的救生用品，且形状单一，便于通过视觉进行检测；

3、本发明利用救生圈的成像规律，提取无人艇与目标艇上标志物的相对方位、相对姿态和相对距离，对无人艇的速度和航向进行控制，算法易于实现，能有效实现无人艇对目标艇的自主跟踪，达到一定的跟踪精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪方法中救生圈特征检测流程图。

图2为救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪方法中无人水面艇与救生圈相对位置关系图。

图3为救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪方法中救生圈相对方位图。

图4为救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪方法中救生圈成像示意图。

图5为救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪方法中救生圈成像相对姿态图。

图6为救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪方法中控制系统框图。

图7为救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪方法中仿真场景示意图。

图8a至图8c为救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪方法中仿真试验结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

根据本发明提供的一种救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪方法，包括：利用单目视觉传感器实时检测目标艇搭载的救生圈，通过对比救生圈的几何中心与图像中心的像素偏差及距离来导引无人艇对目标艇的自主跟踪。该自主跟踪方法克服了其他目标跟踪方法依赖GPS定位系统、导航系统等不足。

仿真示例场景如图7所示，在本实施例中，采用动态目标跟踪，仿真试验所用无人艇的长度为1.6m，目标艇位于跟踪艇正前方4m～5m处。跟踪艇所搭载的相机的像素焦距为1100，救生圈的高度为0.7m，救生圈外圈直径大小为0.7m，相机分辨率为640×480，目标艇与跟踪艇的位置如图7所示。

步骤1：T时刻时由跟踪艇搭载单目视觉传感器采集目标艇上救生圈的照片，利用视觉检测算法获取救生圈在图像中的几何特征参数，检测流程如图1所示；在本实施例中，救生圈在图像中的像素坐标为(371，167)、短半轴a＝10.37、长半轴b＝12.98。

更为具体地，为了更好地跟踪与检测救生圈，将救生圈搭载在目标艇尾部，作为目标艇的标志物以便被跟踪艇的单目视觉传感器所检测。

首先，由跟踪艇搭载单目视觉传感器实时采集救生圈的图像，并对救生圈图像进行噪声消除与闭运算处理，利用颜色信息和几何特征将兴趣区域分割，再利用边缘检测算法提取救生圈的外观轮廓，最终利用最小二乘法对救生圈进行拟合，救生圈检测算法流程如图1所示。

步骤2：通过图像中救生圈的几何特征，利用单目视觉传感器成像特性，求取救生圈的相对方位、相对姿态和相对距离。

具体地，当相机光轴垂直于救生圈表面时，救生圈在图像中的成像是圆形轮廓；当相机光轴与救生圈表面存在一定的偏差角度时，救生圈在图像中的成像是椭圆轮廓。因为无人水面艇在进行目标跟踪过程中很难保证相机光轴垂直于救生圈表面，故将救生圈在图像中的成像统一按椭圆处理，将椭圆圆心偏离图像中心的像素点距离与相机焦距的比值作为目标艇的相对方位。

本发明将相机光轴水平方向偏离标志物图像几何中心的角度定义为救生圈的相对方位θ

θ

其中，f

在本实施例中，在T时刻时，救生圈的几何中心X

根据小孔成像模型特性，当相机光轴垂直于救生圈表面时，图像平面的成像是圆形，当相机光轴与救生圈表面存在一定角度时，图像平面的成像是椭圆，当救生圈发生偏转时，椭圆的长轴与短轴的比率变大，椭圆离心率也随之变大，设椭圆长轴为b，椭圆短轴为a，相对姿态为l，利用椭圆的离心率这一特征表示无人水面艇与目标艇的相对姿态：

l＝b/a

在本实施例中，椭圆长轴为b＝26，椭圆短轴为a＝20.6，利用椭圆的离心率这一特征表示无人水面艇与目标艇的相对姿态，则相对姿态l为：

则l越大表示椭圆离心率越大，反之，l越接近1，椭圆越接近圆形。救生圈成像示意图如图5，椭圆的相对姿态如图4。

在不考虑相机镜头畸变的情况下，根据小孔成像模型可以计算出相机沿光轴方向到实际救生圈几何中心X

Z＝f

在本实施例中，

其中，H为实际救生圈的高度，h为救生圈图像的垂直像素高度，即椭圆的长轴再图像坐标中的像素高度，在船体坐标系下，实际目标艇救生圈相对于无人水面艇的位置可以由救生圈相对方位θ

在本实施例中，

其中，x，y为船体坐标系下救生圈相对于无人水面艇重心的位置，可用于计算目标艇与无人水面艇的相对位置关系，救生圈坐标x，y的相对关系如图2。在本实施例中，求得目标艇的相对方位θ＝2.65°，相对姿态l＝1.262与相对距离Z＝4.61。

步骤3：目标跟踪控制器由航向控制器与速度控制两部分组成，跟踪艇根据救生圈的相对方位与相对姿态实时控制航向，速度控制器根据跟踪艇与目标艇所搭载的救生圈的相对距离实时控制跟踪艇速度；更为具体地，控制器根据输入变量θ

控制系统结构图如图6，其中目标跟踪控制器由航向控制器和速度控制器组成，其中航向控制器采用PD控制，无人艇左右电机的控制电压由基准电压u

其中，u

在本实施例中，速度控制器的比例系数k

其中，位置向量差为Δ

Δ

跟踪过程中通过目标艇只搭载的单目视觉传感器获取救生圈图像，经过图像处理模块计算出目标艇救生圈在图像平面的位置以及相对姿态，再将救生圈图像与期望图像进行对比，得到附体坐标系下救生圈与无人水面艇的位置关系，即救生圈相对方位θ

航向控制器的控制率为：

Δu＝k

其中，k

在本实施例中，Δu＝8*(θ

对目标艇上救生圈进行跟踪过程中可能会出现被遮挡或者短暂消失的情况，此时需要对目标艇上救生圈的位置进行预测，继续采用上一时刻的偏航角进行目标艇的跟踪，此时采用的控制规则如下：

其中，θ

在本实施例中，

直线路径实验结果如图8a至图8c所示；图8a为无人艇的跟踪路径；图8b为无人艇速度变化；图8c为相对距离变化。

在保证目标艇救生圈在无人水面艇搭载相机视场角范围之内的前提下，无人水面艇在不同初始位置对跟踪误差的影响不大。直线路径下跟踪艇的最大的相对距离误差保持在3.72m范围之内，并且最终的稳态速度基本保持一致，在无干扰的情况下表现出良好的跟踪性能。

本发明还提供一种救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪系统，所述救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪系统可以通过执行所述救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪方法理解为所述救生圈引导的无人水面艇单目视觉目标跟踪系统的优选实施方式。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。