一种基于海天线检测的船体水平姿态测量方法

摘要

本发明涉及一种基于海天线检测的船体水平姿态角测量方法。该方法利用上一时刻相机水平姿态信息预测海天线投影直线，在已预测的海天线投影的附近区域内检测图像边缘；然后，利用检测的图像边缘坐标，通过反复选取内点拟合直线的方法确定候选的直线；接着，利用比较区域灰度统计值的方法选择出正确的海天线投影直线，计算出相机水平姿态角作为观测量；最后，利用卡尔曼滤波获得相机水平姿态角的最优估计值，最终通过安装关系获得船体水平姿态角。与传统的海天线提取方法相比，能极大的减少图像处理面积，提高检测速度和鲁棒性，减小误检测的概率；此外相机安装更加灵活，且具有更高的测量精度。

主权项

1.一种基于海天线检测的船体水平姿态测量方法，利用视觉成像的方法实现船体水平姿态的测量，其特征在于，包括以下步骤：第一步，建立坐标系1.1 建立相机水平基准坐标系F和成像面坐标系如下：坐标系F记为XYZ，Z轴为相机水平放置状态下的光轴方向，Y轴垂直水平面指向天空，X轴由右手定则确定；坐标系的坐标原点为光电探测器像面左上角顶点，和分别对应光电探测器像面的行坐标和列坐标，坐标单位为像素；1.2 建立船体甲板坐标系F1如下：坐标系F1记为X1Y1Z1，Z1轴为船体水平状态下的沿船体艏尾线方向指向船艏，Y1轴垂直水平面指向天空，X1轴由右手定则确定；第二步，获取初始时刻的相机水平姿态角2.1 对初始图像进行边缘检测令，采集初始时刻的海天线图像，利用图像边缘检测算法，提取图像轮廓坐标，记为集合，其中为由相邻的图像轮廓坐标构成的子集，N为相邻的图像轮廓坐标子集的个数，定义子集所含轮廓坐标数目为的长度，中子集按照长度由大至小进行排序；2.2 对初始图像进行海天线检测；2.2.1从中长度大于L的子集构成集合，其中；并对中的每个轮廓坐标子集，利用最小二乘法拟合得到一条直线，共计M条；2.2.2 分别计算集合中所有图像轮廓坐标到M条直线的距离，将距离小于的作为内点，对于每条直线可以得到其内点集合；取中的图像轮廓坐标进行最小二乘拟合，得到M条新的直线；2.2.3重复步骤2.2.2，直到内点距离均值小于阈值；2.2.4 利用比较区域灰度统计值的方法，在M条候选直线中选择出正确的海天线投影直线，记为（1）其中，和分别表示时刻海天线投影直线的斜率和截距，和分别为表示和方向上的等效焦距；2.3计算相机水平姿态角和，公式为：（2）式中， （3）（4）其中，为地球半径，为相机距离海平面的高度；第三步，初始化滤波器3.1 设置估计噪声协方差矩阵初值，其中为6×6的单位矩阵，为非0常数；3.2 设置卡尔曼滤波器的状态量的初值，其中表示矩阵转置；第四步，预测海天线投影直线的斜率和截距4.1令，其中为相机采样时间间隔，估计时刻卡尔曼滤波器的预测状态量，公式如式5所示：（5）其中（6a）（6b）（6c）和分别为相机水平姿态角和方向的机动时间常数的倒数；4.2 估计时刻海天线投影直线的参数的预测值斜率和截距，计算公式如式7所示：（7）其中，为预测状态量的第个元素值；；第五步，获取相机水平姿态角测量值和5.1 对时刻局部图像进行边缘检测图像坐标满足和满足式8的时刻图像区域，利用步骤2.1描述的图像边缘检测算法，提取图像轮廓坐标，记为集合，（8）式8中，为图像边缘检测的区域阈值；5.2 对时刻局部图像进行海天线检测，方法如2.2所述；5.3 根据步骤5.2的海天线检测结果，计算获取时刻的相机姿态水平姿态角测量值和，方法如步骤2.3所述；第六步，更新滤波器状态量利用第四步获得的状态量预测值和第五步获得的相机姿态角测量值和，采用公式9更新估计，获得时刻对应的卡尔曼滤波器状态量的最优估计值（9）其中，（10a）（10b）（10c）式10中，为测量噪声协方差矩阵，表征和的测量误差；和分别为和的过程噪声方差，以为例，其表达式为：(11)式11中，为角加速度方差，(12a)(12b)(12c)(12d)(12e)(12f)第七步，更新估计噪声协方差矩阵更新时刻的估计噪声协方差矩阵，计算公式如下：（13）第八步，计算船体水平姿态角和利用公式14，计算时刻船体依次绕X1轴和Z1轴的水平姿态角和，转第四步；（14）式14中，；；、分别满足式15和式16；、、为相机在船体甲板坐标系中的安装姿态矩阵的中的元素，满足式17（15）（16）（17）。