【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于深海探测，特别涉及一种auv自主对接半物理仿真导引图像生成方法。
技术介绍
1、深海海底蕴藏着大量的矿产资源和地球关键生态系统，是人类知之甚少且急需探索的海底区域。自主水下机器人(auv)能够搭载各种载荷执行多种探测作业任务，在矿产资源勘查、生物调查、环境监测等深海探测领域有着广泛的应用，受限于auv携带的能源，它们需要在完成单个探测任务后返回辅助船来进行能源补充、数据交换和维护保障，打断了作业的连续性。随着深海科学问题(海洋生态系统运行机制等)研究的对长周期、具有时间和空间连续性的探测数据的急迫需求，深海长期驻留auv(rauv)应运而生，rauv通过自主对接技术可与深海基站对接，在基站内进行能源补充与数据交互，长期在深海海底多次进出深海基站，进行大范围、长时间探测作业，获得具有时间与空间连续性的探测数据。由于rauv在海底长期驻留，其可靠性与稳定性需要在开发阶段进行充分的测试验证，半物理仿真可以帮助rauv系统开展全流程作业使命演示与验证、故障模拟、算法参数调试和闭路动态验收等任务，降低试验成本与风险，提高rauv研发效率。然而，目前半物理仿真中缺乏对接导引图像模拟技术，导致半物理仿真系统无法完成包含自主对接在内的rauv全流程作业仿真测试，自主对接是rauv系统实现长期驻留探测的基础，为了模拟相机输出的彩色导引图像来测试自主对接算法，需要研究自主对接半物理仿真图像生成方法。
技术实现思路
1、针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种auv自主对接半物理仿真导引
2、为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、auv自主对接半物理仿真导引图像生成方法，执行如下步骤模拟相机感知的对接导引图像，用于auv系统自主对接和长期驻留全流程作业半物理仿真；方法包括：
4、步骤1)基于相机成像原理，根据auv相对对接装置位姿计算已知世界坐标的导引灯在导引图像中的像素位置，创建导引灯图像；
5、步骤2)构建导引灯成像面积估计网络，考虑彩色导引图像过曝光情况估计过曝圆点面积，生成二值导引图像；
6、步骤3)采用pix2pix构建彩色导引图像生成网络，利用海试获得的真实彩色图像进行迭代学习训练，用于模拟导引图像彩色分布，获得用于彩色导引图像生成的理想网络模型；
7、步骤4)以二值导引图像为输入，利用理想网络模型生成彩色导引图像。
8、所述方法用于生成包含若干个导引灯的导引图像。
9、所述导引灯成像位置计算方法包括：基于相机成像原理，构建导引灯成像模型，在半物理仿真中，根据动力学解算的auv相对对接装置位姿和预设的导引灯在对接装置上的位置，计算导引灯成像像素位置，构造导引灯图像。
10、所述二值导引图像构建方法，彩色导引图像中导引灯通常呈现一个过曝圆点，过曝圆点面积与导引灯间距成非线性反比例关系；为估计过曝圆点面积，构建单输入单输出过曝圆点估计网络，拟合过曝圆点面积与导引灯间距之间的映射关系。
11、所述过曝圆点估计网络包含三个隐藏层，分别由不等数量的神经元组成，过曝像素估计网络的激活函数为relu函数，网络输入为导引图像中导引灯间距离参数x，网络的输出为单一导引灯圆点的像素面积y′：
12、
13、其中，x为导引图像中导引灯间距离参数，依次为输入节点、三个神经元隐藏层、输出节点之间的权重。
14、所述导引图像中导引灯间距离参数x为：由若干个导引灯组成的正多边形图像中的各边均值，或正多边形图像中心到各顶点距离的均值。
15、所述探索11000auv海试导引图像为海上试验拍摄的包含对接导引灯的图像，导引灯安装在探索11000auv的对接装置上。
16、所述采用pix2pix网络模拟导引图像彩色分布，模型的输入为构建的二值导引图像，输出为彩色导引图像。
17、所述利用探索11000auv深海自主对接试验的彩色导引图像构建训练数据集，数据集包括彩色导引图像及其对应的二值导引图像构成的图像对，二值导引图像采用自适应阈值法获取，利用该数据集对pix2pix网络进行训练，使其生成网络具备导引图像彩色分布模拟能力。
18、auv自主对接半物理仿真导引图像生成系统，包括搭载在计算机上的计算后台和可视化界面前端；
19、所述计算后台，设有导引灯成像位置计算模块、二值导引图像构建模块、彩色导引图像生成模块、实时彩色图像生成模块，各模块相调用计算得到用于彩色导引图像生成的理想网络模型，最终利用理想网络模型生成彩色导引图像；其中，导引灯成像位置计算模块：基于相机成像原理，根据auv相对对接装置位姿计算已知世界坐标的导引灯在导引图像中的像素位置，创建导引灯图像；二值导引图像构建模块：构建导引灯成像面积估计网络，考虑彩色导引图像过曝光情况估计过曝圆点面积，生成二值导引图像；彩色导引图像生成模块：采用pix2pix构建彩色导引图像生成网络，利用海试获得的真实彩色图像进行迭代学习训练，用于模拟导引图像彩色分布，获得用于彩色导引图像生成的理想网络模型；实时彩色图像生成模块，以二值导引图像为输入，利用理想网络模型生成彩色导引图像；
20、所述可视化界面前端，用于人机交互，加载训练图像、输入模型网络参数和训练参数；还设有图像显示区，用于显示渲染计算后台处理过程图像及最终生成的彩色导引图像。
21、本专利技术的优点及有益效果是：
22、本专利技术提供的一种auv自主对接半物理仿真导引图像生成方法，能够根据auv相对对接装置位姿关系，生成一幅能够反映该位姿关系的自主对接导引图像，该图像可用来进行auv自主对接和长期驻留作业全流程的半物理仿真测试，有助于rauv系统提高算法开发、调试和测试的效率，降低试验成本。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.AUV自主对接半物理仿真导引图像生成方法，其特征在于，执行如下步骤模拟相机感知的对接导引图像，用于AUV系统自主对接和长期驻留全流程作业半物理仿真；方法包括：
2.根据权利要求1所述的AUV自主对接半物理仿真导引图像生成方法，其特征在于，所述用于生成包含若干个导引灯的导引图像。
3.根据权利要求1所述的AUV自主对接半物理仿真导引图像生成方法，其特征在于，所述导引灯成像位置计算方法包括：基于相机成像原理，构建导引灯成像模型，在半物理仿真中，根据动力学解算的AUV相对对接装置位姿和预设的导引灯在对接装置上的位置，计算导引灯成像像素位置，构造导引灯图像。
4.根据权利要求1所述的AUV自主对接半物理仿真导引图像生成方法，其特征在于，所述二值导引图像构建方法，彩色导引图像中导引灯通常呈现一个过曝圆点，过曝圆点面积与导引灯间距成非线性反比例关系；为估计过曝圆点面积，构建单输入单输出过曝圆点估计网络，拟合过曝圆点面积与导引灯间距之间的映射关系。
5.根据权利要求4所述的AUV自主对接半物理仿真导引图像生成方法，其特征在于，所述过曝圆点估计
6.根据权利要求5所述的AUV自主对接半物理仿真导引图像生成方法，其特征在于，所述导引图像中导引灯间距离参数x为：由若干个导引灯组成的正多边形图像中的各边均值，或正多边形图像中心到各顶点距离的均值。
7.根据权利要求1所述的AUV自主对接半物理仿真导引图像生成方法，其特征在于，所述探索11000AUV海试导引图像为海上试验拍摄的包含对接导引灯的图像，导引灯安装在探索11000AUV的对接装置上。
8.根据权利要求1所述的AUV自主对接半物理仿真导引图像生成方法，其特征在于，所述采用Pix2pix网络模拟导引图像彩色分布，模型的输入为构建的二值导引图像，输出为彩色导引图像。
9.根据权利要求1所述的AUV自主对接半物理仿真导引图像生成方法，其特征在于，所述利用探索11000AUV深海自主对接试验的彩色导引图像构建训练数据集，数据集包括彩色导引图像及其对应的二值导引图像构成的图像对，二值导引图像采用自适应阈值法获取，利用该数据集对Pix2pix网络进行训练，使其生成网络具备导引图像彩色分布模拟能力。
10.AUV自主对接半物理仿真导引图像生成系统，其特征在于，包括搭载在计算机上的计算后台和可视化界面前端；
...【技术特征摘要】
1.auv自主对接半物理仿真导引图像生成方法，其特征在于，执行如下步骤模拟相机感知的对接导引图像，用于auv系统自主对接和长期驻留全流程作业半物理仿真；方法包括：
2.根据权利要求1所述的auv自主对接半物理仿真导引图像生成方法，其特征在于，所述用于生成包含若干个导引灯的导引图像。
3.根据权利要求1所述的auv自主对接半物理仿真导引图像生成方法，其特征在于，所述导引灯成像位置计算方法包括：基于相机成像原理，构建导引灯成像模型，在半物理仿真中，根据动力学解算的auv相对对接装置位姿和预设的导引灯在对接装置上的位置，计算导引灯成像像素位置，构造导引灯图像。
4.根据权利要求1所述的auv自主对接半物理仿真导引图像生成方法，其特征在于，所述二值导引图像构建方法，彩色导引图像中导引灯通常呈现一个过曝圆点，过曝圆点面积与导引灯间距成非线性反比例关系；为估计过曝圆点面积，构建单输入单输出过曝圆点估计网络，拟合过曝圆点面积与导引灯间距之间的映射关系。
5.根据权利要求4所述的auv自主对接半物理仿真导引图像生成方法，其特征在于，所述过曝圆点估计网络包含三个隐藏层，分别由不等数量的神经元组成，过曝像素估计网络的激活函数为relu函数，网络输入为导引图像中导引灯间距离参数x...
【专利技术属性】
技术研发人员：吕凤天，杨本超，徐会希，朱宝彤，岳成海，尹忠勋，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。