基于视觉的AUV控制系统设计与研究

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1、硕士学位论文基于视觉的AUV控制系统设计与研究DESIGNANDRESEARCHOFAUVCONTROLSYSTEMBASEDONVISION徐泽斌哈尔滨工业大学2018年1月国内图书分类号：TP242学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文基于视觉的AUV控制系统设计与研究硕士研究生：徐泽斌导师：王昕教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2017年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242U.D.C:621Adissertationsubmittedin

2、partialfulfillmentoftherequirementsfortheprofessionaldegreeofMasterofEngineeringDESIGNANDRESEARCHOFAUVCONTROLSYSTEMBASEDONVISIONCandidate：XuZebinSupervisor：Prof.WangXinAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateScho

3、olDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学硕士学位论文摘要水下探索已经成为各国大力发展的新兴战略，水下航行器作为探索海洋和维护海洋设备的重要手段之一已经成为相关机构的研究重点。由于声呐等传感器价格昂贵，并且在近距离作业时受到限制，基于视觉的水下航行器得到了快速发展。本文从三个方面对水下航行器的视觉伺服控制进行了研究：水下航行器控制系统的设计、水下视觉折射畸变的处理、悬停控制方法的实现。针对小型水下航行器空

4、间小、电池容量有限的特点，本文设计并搭建了一套水下航行器控制系统硬件平台，包括控制器、传感器、驱动器以及电源管理系统。通过I2C、UART接口对传感器数据进行读取。详细叙述了相机作为位姿传感器的数据获取过程。由于传感器数据存在冗余，利用集中式卡尔曼滤波的方法对传感器数据进行融合。通过实验证明了融合算法可以提高数据的可靠性和精度。水下视觉位姿测量的问题在于多层介质导致光线折射使图片产生严重畸变，降低了视觉测量的精度。本文根据成像系统结构建立了水下折射畸变恢复几何模型和数学模型。通过Matlab绘制相关曲线并得出成像规律，根据成像规律以及结合位姿估计

5、算法提出了分离式的图像畸变恢复算法。搭建水下测量实验平台，对比经典畸变恢复模型和本文所述方法的水下测量结果，得出本文所述方法测量精度在允许范围内，在小角度和大位移的条件下测量精度要优于经典畸变恢复模型。针对航行器的运动控制系统，本文建立了航行器的坐标系统，对航行器的动力学模型进行了描述，分析了航行器的运动参数在不同坐标系下的表达和转换关系。针对航行器的任务需求，对航行器的任务进行规划，本文主要对航行器行为控制中的悬停控制进行研究。将航行器的悬停分成三个部分：搜索目标、姿态调整、稳定悬停。稳定悬停采用多PID控制器的控制策略，并针对小量位姿变化加入

6、了控制死区和脉冲式控制。搭建航行器悬停控制评价实验平台，通过视觉测量方法对航行器的悬停精度和悬停稳定性进行评价，实验结果表明本文所设计的控制系统可以满足对悬停精度和稳定性的要求。关键词：自主水下航行器；数据融合；视觉测量；悬停运动控制-I-哈尔滨工业大学硕士学位论文AbstractUnderwaterexplorationhasbecomeanewstrategyforthedevelopmentofallcountries,andtheunderwatervehiclehasbecomethefocusofresearchfortherelev

7、antinstitutionsasoneoftheimportantmeanstoexploretheoceansandmaintainthemarineequipment.Asthesonarandothersensorsinthecloseoperationislimited,visual-basedunderwatervehiclemotioncontrolhasbeenrapidlydeveloped.Inthisthesis,thevisualservocontrolofunderwatervehiclewasstudiedfromth

8、reeaspects:thedesignofcontrolsystem,thetreatmentofunderwaterrefracti