一种无人艇自主航行性能测试系统及方法与流程

1.本发明涉及无人艇自主航行性能测试技术领域，尤其涉及一种无人艇自主航行性能测试系统及方法。


背景技术：

2.无人艇因其在国防军事、安防缉私、巡逻搜救、水文采集等方面的巨大作用及应用前景，已引起国内外的密切关注。国内外政府、科研机构及相关企业均在无人艇领域的研究中投入了大量的人力物力，同时也在不断推进领域内研究成果的应用落地。然而，一方面无人艇作为一个智能体，其耦合了感知、控制、通信等智能系统，另一方面，无人艇主要被用于执行不适合有人船只执行的危险任务，其工作环境多数情况下较为恶劣。因此，对无人艇的自主航行性能和安全性进行全面的测试和验证具有重要意义，也是确保无人艇能安全迅速完成其任务的前提。但由于无人艇是近些年发展起来的新技术，其测试技术还不够成熟，特别是如何在其外部安装测量仪器，对其航行性能进行远程无接触观测，一直是有待解决的问题。


技术实现要素：

3.为了解决无人艇航行性能远程观测问题，本发明提出一种无人艇自主航行性能测试系统及方法。
4.本发明的目的通过以下的技术方案来实现：
5.一种无人艇自主航行性能测试系统，包括：
6.所述系统包括：基于热成像图像采集模块的测试场、可设定温度的标志模块和岸基数据处理及控制可视化平台；
7.基于热成像图像采集模块的测试场，设立热成像图像采集模块，并通过该模块选定搭载热成像摄像机的焦距、视场角及其安装高度和安装角度，使采集到的图像清晰度满足图像坐标解算要求；
8.可设定温度的标志模块，安装于被测无人艇上，由球形标志物和温度控制模块组成，用于观测以及设定和控制球形标志物的表面温度；
9.岸基数据处理及控制可视化平台，对球形标志物图像信息进行采集，求解出无人艇的实际位置，对无人艇的路径跟踪性能和自主避障性能进行评价；以及实现路径跟踪的航迹误差可视化。
10.一种无人艇自主航行性能测试方法，包括：
11.在测试场四角布置热成像摄像机；
12.在被测无人艇上布置球形标志物；
13.设定球形标志物温度，使其温度有异于环境温度；
14.无人艇按测试预设测试航线行驶，各热成像摄像机对航行中的无人艇球形标志物进行连续拍摄；
15.利用球形标志物在各热成像摄像机拍摄到的图像中的像片坐标来求解无人艇的实际位置坐标，并通过连续拍摄来跟踪和获取无人艇实际航行轨迹；
16.通过分析无人艇实际航行轨迹来评价无人艇自主航行性能的优劣。
17.与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
18.其具有能够满足24小时的全天候测试需求、探测距离远、不受强光影响、图像采集实时性好、精度高等特点。
附图说明
19.图1是无人艇自主航行性能测试系统组成框图；
20.图2是基于热成像图像采集模块的测试场布置示意图；
21.图3是利用热成像摄像机求解无人艇实际位置坐标的流程图。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
23.如图1所示，为无人艇自主航行性能测试系统，包括基于热成像图像采集模块的测试场、可设定温度的标志模块和岸基数据处理及控制可视化平台。
24.如图2所示，基于热成像图像采集模块的测试场具体为一块矩形的测试水域，在测试场的四个角分别设立热成像图像采集模块，根据测试水域的大小选定搭载热成像摄像机的焦距、视场角及其安装高度和安装角度，确保测试过程中无人艇不会驶出热成像摄像机的视野范围，且采集到的图像清晰度能够满足图像坐标解算要求。
25.其中所述热成像图像采集模块具体包括：热成像摄像机、工控机以及通信电台。热成像摄像机将采集到的无人艇的热成像图像经由网线直接传输至工控机，工控机基于热成像图像计算出无人艇上的球形标志物的图像坐标，附上时间戳后打包成报文段，通过通信电台回传至岸基数据处理平台。
26.可设定温度的标志模块安装在被测无人艇上，其由球形标志物和温度控制模块组成。其中，球形标志物竖立安装于无人艇高处，便于观测；温度控制模块用于设定和控制球形标志物的表面温度，以便于热成像摄像机从环境温度中区分出标志物的形状和位置。
27.岸基数据处理及控制可视化平台主要包括：无人艇航行位置解算模块、自主航行性能评价模块和三维可视化模块。无人艇航行位置解算模块通过测试场布置的四个热成像摄像机对被测无人艇的球形标志物进行图像信息采集，并根据采集到图像求解出无人艇的实际位置。自主航行性能评价主要根据无人艇航行位置解算模块获得的数据，对无人艇的路径跟踪性能和自主避障性能进行评价，其中路径跟踪方面的评价指标为实际航迹与期望航迹的交叉误差和艏向角误差；自主避障方面的评价指标为反应距离、回归距离和避障时间。三维可视化模块具体包括：基于无人艇航行位置解算模块的信息，对无人艇的实际航行轨迹进行实时显示，同时对比设定的期望航迹，实现路径跟踪的航迹误差可视化。
28.本实施例还提供了一种无人艇自主航行性能测试方法，包括在测试场四角布置热成像摄像机；
29.在被测无人艇上布置球形标志物；
30.设定球形标志物温度，使其温度有异于环境温度，便于热成像摄像机能清晰拍摄到其形状；
31.无人艇按测试预设测试航线行驶，各热成像摄像机对航行中的无人艇球形标志物进行连续拍摄；
32.如图3所示，利用球形标志物在各热成像摄像机拍摄到的图像中的像片坐标来求解无人艇的实际位置坐标，并通过连续拍摄来跟踪和获取无人艇实际航行轨迹，具体方法如下：
33.根据热成像摄像机的光路方程有：
[0034][0035][0036]
式中，x、y为标志物在热成像摄像机拍摄到的图像中的像片坐标；x、y、z为标志物在测试场中的实际位置坐标；δx、δy为热成像摄像机物镜的非线性畸变；l1,l2,...,l
11
为光路方程系数；可取
[0037]
δx＝k1(x-x0)r2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0038]
δy＝k1(y-y0)r2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0039][0040]
其中，k1为畸变比例系数，x0、y0为像主点在图像中的坐标，可由如下公式求得：
[0041][0042][0043]
在测试场不同位置放置多个已知实际坐标的标志点，各热成像摄像机对已知实际坐标的标志点进行拍摄，并获取其像片坐标；将各标志点的像片坐标和实际坐标分别代入(1)-(7)式中，求解出l1,l2,
…
,l
11
和k1这12个系数的具体数值，从而完成热成像摄像机的光路标定。标定后，由(1)～(7)式便可确定像片坐标x、y和实际位置坐标x、y、z间的一一对应关系。
[0044]
各热成像摄像机对无人艇上的标志物进行拍摄，并获取其像片坐标；将像片坐标代入标定好的式(1)-(7)式中，便可求解出标志物的实际坐标。通过连续拍摄获取无人艇的实际航行轨迹。
[0045]
最终通过通过分析无人艇实际航行轨迹来评价无人艇自主航行性能的优劣。
[0046]
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

技术特征：
1.一种无人艇自主航行性能测试系统，其特征在于，所述系统包括：基于热成像图像采集模块的测试场、可设定温度的标志模块和岸基数据处理及控制可视化平台；基于热成像图像采集模块的测试场，设立热成像图像采集模块，并通过该模块选定搭载热成像摄像机的焦距、视场角及其安装高度和安装角度，使采集到的图像清晰度满足图像坐标解算要求；可设定温度的标志模块，安装于被测无人艇上，由球形标志物和温度控制模块组成，用于观测以及设定和控制球形标志物的表面温度；岸基数据处理及控制可视化平台，对球形标志物图像信息进行采集，求解出无人艇的实际位置，对无人艇的路径跟踪性能和自主避障性能进行评价；以及实现路径跟踪的航迹误差可视化。2.如权利要求1所述的无人艇自主航行性能测试系统，其特征在于，基于热成像图像采集模块的测试场为一块矩形的测试水域，并在测试场的四个角分别设立热成像图像采集模块；热成像图像采集模块根据测试水域的大小选定搭载热成像摄像机的焦距、视场角及其安装高度和安装角度。3.如权利要求1所述的无人艇自主航行性能测试系统，其特征在于，所述热成像图像采集模块具体包括：热成像摄像机、工控机以及通信电台；热成像摄像机将采集到的无人艇的热成像图像经由网线直接传输至工控机，工控机基于热成像图像计算出无人艇上的球形标志物的图像坐标，附上时间戳后打包成报文段，通过通信电台回传至岸基数据处理平台。4.如权利要求1所述的无人艇自主航行性能测试系统，其特征在于，所述可设定温度的标志模块安装在被测无人艇上，由球形标志物和温度控制模块组成；球形标志物竖立安装于无人艇高处，便于观测；温度控制模块用于设定和控制球形标志物的表面温度，以使热成像摄像机从环境温度中区分出标志物的形状和位置。5.如权利要求1所述的无人艇自主航行性能测试系统，其特征在于，所述岸基数据处理及控制可视化平台包括无人艇航行位置解算模块、自主航行性能评价模块和三维可视化模块；所述无人艇航行位置解算模块通过测试场布置的四个热成像摄像机对被测无人艇的球形标志物进行图像信息采集，并根据采集到图像求解出无人艇的实际位置；自主航行性能评价模块，根据无人艇航行位置解算模块获得的数据，对无人艇的路径跟踪性能和自主避障性能进行评价，其中路径跟踪方面的评价指标为实际航迹与期望航迹的交叉误差和艏向角误差；自主避障方面的评价指标为反应距离、回归距离和避障时间；三维可视化模块，基于无人艇航行位置解算模块的信息，对无人艇的实际航行轨迹进行实时显示，同时对比设定的期望航迹，实现路径跟踪的航迹误差可视化。6.一种无人艇自主航行性能测试方法，其特征在于，包括：在测试场四角布置热成像摄像机；在被测无人艇上布置球形标志物；设定球形标志物温度，使其温度有异于环境温度；无人艇按测试预设测试航线行驶，各热成像摄像机对航行中的无人艇球形标志物进行连续拍摄；利用球形标志物在各热成像摄像机拍摄到的图像中的像片坐标来求解无人艇的实际
位置坐标，并通过连续拍摄来跟踪和获取无人艇实际航行轨迹；通过分析无人艇实际航行轨迹来评价无人艇自主航行性能的优劣。7.如权利要求6所述的无人艇自主航行性能测试方法，其特征在于，利用球形标志物在各热成像摄像机拍摄到的图像中的像片坐标来求解无人艇的实际位置坐标，并通过连续拍摄来跟踪和获取无人艇实际航行轨迹，具体包括：根据热成像摄像机的光路方程有：根据热成像摄像机的光路方程有：式中，x、y为标志物在热成像摄像机拍摄到的图像中的像片坐标；x、y、z为标志物在测试场中的实际位置坐标；δx、δy为热成像摄像机物镜的非线性畸变；l1,l2,...,l
11
为光路方程系数；可取δx＝k1(x-x0)r2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)δy＝k1(y-y0)r2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，k1为畸变比例系数，x0、y0为像主点在图像中的坐标，其可由如下公式求得：为像主点在图像中的坐标，其可由如下公式求得：在测试场不同位置放置多个已知实际坐标的标志点，各热成像摄像机对已知实际坐标的标志点进行拍摄，并获取其像片坐标；将各标志点的像片坐标和实际坐标分别代入(1)-(7)式中，求解出l1,l2,
…
,l
11
和k1这12个系数的具体数值，从而完成热成像摄像机的光路标定；标定后，由(1)～(7)式便可确定像片坐标x、y和实际位置坐标x、y、z间的一一对应关系；各热成像摄像机对无人艇上的标志物进行拍摄，并获取其像片坐标；将像片坐标代入标定好的式(1)-(7)式中，便可求解出标志物的实际坐标；通过连续拍摄获取无人艇的实际航行轨迹。

技术总结
本发明公开了一种无人艇自主航行性能测试系统及方法，所述系统由基于热成像图像采集模块的测试场、可设定温度的标志模块和岸基数据处理及控制可视化平台组成。首先通过在测试场四角布置热成像摄像机和在被测无人艇上布置球形标志物；然后设定球形标志物温度，使其温度有异于环境温度，便于热成像摄像机能清晰拍摄到其形状；接着，无人艇按测试预设航线行驶，各热成像摄像机对航行中的无人艇球形标志物进行连续拍摄；之后，利用球形标志物在各热成像摄像机拍摄到的图像中的像片坐标的改变来求解无人艇实际位置的改变，并记录无人艇实际航行轨迹；最后通过分析无人艇实际航行轨迹来评价无人艇自主航行性能的优劣。来评价无人艇自主航行性能的优劣。


技术研发人员：洪晓斌 彭荣发 崔彬 饶银辉 罗浩 陈远明
受保护的技术使用者：广船国际有限公司
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/4