[发明专利]一种基于水下斯涅尔窗口边缘辨识的水平姿态确定方法

说明书

本发明涉及一种基于水下斯涅尔窗口边缘辨识的水平姿态确定方法。斯涅尔窗口是一种水下对空观测时的光学现象，包含有空间信息。本方法通过图像处理手段将水下对空成像中的斯涅尔窗口中心提取出来，来获取载体的水平姿态。首先对获取的图像进行噪声滤波、二值化处理；然后将相机的镜头模型引入到传统的霍夫圆变换算法中，从二值化边缘图像中提取斯涅尔窗口及其中心；由于窗口中心矢量与导航坐标系下天顶矢量重合，最后利用此关系解算载体水平姿态。本发明充分利用了水下光学信息，实现了全自主的水平姿态确定，可用于水下潜航器初始对准及对惯导累积误差的校正。

技术领域

本发明涉及一种基于水下斯涅尔窗口边缘辨识的水平姿态确定方法，该方法利用水下对天空的成像，通过改进的霍夫变换提取图像中斯涅尔窗口中心来获取载体水平姿态，属水下光学导航领域。

背景技术

海洋蕴藏着丰富的生物资源、矿产能源和空间资源，具有巨大的开发潜力，因此各国都将海洋作为发展战略中的重要部分。水下无人潜航器在海洋的开发中起到了不可替代的作用。在民用上可用于海底地形地貌探测、海洋工程建设、海洋监测、海洋救险与打捞等，在国防上又可应用于水下监视、侦察、猎雷、反潜警戒、通信中继等军事任务，同时其造价低廉、生存率高、可避免人员伤亡，具有极大的发展前景。水下无人潜航器的自主导航技术是制约自主无人潜航器的一大瓶颈问题。自主导航系统作为无人潜器的“耳目”，保证了潜器水下任务的顺利执行和安全返回，是水下无人系统中的关键技术。

目前的水下导航方式中水下声学定位和卫星导航应用较为广泛，如中国专利CN201410073287.0、中国专利CN 201510944118.4及中国专利CN 201610351400.6中利用了水下声学定位系统；中国专利CN 201010559044.X、中国专利CN 201210332022.9、中国专利CN 201810046278.0及中国专利CN 201410032817.7中利用了卫星导航方式。但此两种导航方式非自主式导航，其中水下声学定位需要预置水下应答器，在远海陌生环境中无法适用；而卫星导航方式只能在水下潜航器上浮至水面才可接收卫星信号，影响了潜航器作业的连续性,尤其是在军事应用中，两种导航方式严重影响了潜航器的隐蔽性。中国专利CN109443379 A及中国专利CN 109141475A中将惯导与多普勒里程仪进行组合来确定载体初始姿态，然而多普勒里程仪对潜器与海床的距离有一定的要求，且其输出速度信息质量受海水温度、盐度等影响较大，因此应用场景与性能受到了一定的限制。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于水下斯涅尔窗口边缘辨识的水平姿态确定方法，能够实现水下环境中无累积误差的水平姿态角全自主确定。

本发明通过对外界光学信息的获取来为载体自主提供俯仰角与横滚角。斯涅尔窗口是水下对空成像时由于折射作用在水-空交界面形成的高亮圆形区域。在成像系统中此圆形圆心的观测矢量垂直于水面向上，即导航坐标系下的天向。又由于斯涅尔窗口内部光线是天空光经折射形成，相对于外部具有更高的亮度，因此在在平静水面条件下对空成像中的斯涅尔窗口具有较为明显的边缘，便于利用图像处理方法提取窗口边缘进而得到斯涅尔窗口圆心。综合上述两点，本发明提出通过提取对空成像中斯涅尔窗口圆心解算载体水平姿态的方法。

图像中的圆形检测通常是利用霍夫圆变换，然而由于成像系统中的镜头存在畸变，当水下载体倾斜放置时，图像中的斯涅尔窗口并不是规则圆形，因此常规的霍夫圆变换将不再适用。针对这一问题，本发明在霍夫圆变换的基础上进行了改进，加入了相机镜头模型，使得相机镜头畸变下的斯涅尔窗口及圆心可以被准确提取出来。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于水下斯涅尔窗口边缘辨识的水平姿态确定方法，其实现步骤如下：