采用PLA材料3D打印制造两个支架，分别搭载光信标阵列和AR Marker，设计图分别如图10-6和图10-7所示。

图10-6　灯光支架设计图

图10-7　AR Marker支架设计图

灯光支架呈“X”形，圆环直径为150 mm，横梁长度为130 mm，四个横梁的端部固定着一个带颜色的半透明亚克力材料制成的球体光信标，相邻光信标之间的距离为290 mm。光信标内部采用一个5 W小型玉米灯提供光源，由领航者AUV负责供电，其结构如图10-8所示。在任意角度观察时，球体光信标所成的像均为圆形，使得其在相机中的成像具有三维各向同性，如图10-9所示，从而保证识别的鲁棒性。

图10-8　球体光信标内部结构

图10-9　点亮后的光信标

AR Marker支架呈“一”字形，方便跟随者AUV从不同角度观察。支架的内径为150 mm，臂长为150 mm，二维码区域边长为80 mm。AR Marker的边长为57 mm，采用PVC材质打印，背面覆盖不干胶，能够牢固地粘贴在支架上。为了避免水下过暗的试验环境对AR Marker的识别产生不利影响，另外设计了补光灯支架为AR Marker补光，如图10-10所示。补光灯支架顶端与底座之间呈70°夹角，臂长为50 mm，使用一枚5 W玉米灯作为光源。

图10-10　AR Marker补光灯支架

补光灯安装在AR Marker支架的横臂上，与灯光支架并行安装在雷体外壳上，安装到位并点亮后的效果如图10-11所示。

图10-11　灯光支架与AR Marker支架并行安装实物图

光信标阵列用于相对较远距离下的识别和位姿信息提取。在运行过程中，为了保证AUV的平稳运行，领航者还是跟随者AUV都应当始终保持俯仰角目标为0。另外，由前文所述的航行器的介绍可知，航行器在相机坐标系的Z轴上并无主动旋转作用力，因此无法主动控制横滚角度。因此，在实际使用中，我们不关心视觉位姿解算得到的俯仰角和横滚角，而只关心位姿解算得到的三轴位移距离和偏航角。

在跟随者相机坐标系Z轴距离光信标阵列1．5～10 m处分15次进行基于求解P4P问题的光信标位姿估计试验。在每个试验点处取10次估计结果，以平均值作为最终结果。部分试验过程如图10-12所示，部分试验结果列于表10-1。

图10-12　光信标阵列Z轴距离试验图像

表10-1　光信标阵列Z轴距离试验数据（15组数据中的5组统计结果）

真实值与测量平均值的比较、平均值的绝对误差曲线、测量值方差曲线见图10-13。

从图10-13中能够看出，光信标阵列在相机坐标系的Z轴方向距离信息提取方面，当真实值越大，测量值的离散程度越高，同时测量值的均值的绝对误差也越大，其中，最大绝对误差出现在10 m处。因此，在实际使用中，为了防止跳变的测量值对控制精度产生影响，应当对测量值进行均值滤波或中值滤波，以消除噪声干扰。

图10-13　光信标阵列Z轴距离试验数据分析结果

令跟随者AUV与领航者AUV处于同样深度，并使光信标阵列在其相机坐标系下的Z轴距离保持在4 m处，并与领航者AUV艏向一致，以正对领航者AUV为零点，在－2 m～＋2 m处取9个采样点，测量相机坐标系X轴方向上使用光信标阵列进行距离信息提取的效果。每个采样点取10次数据并求平均值。试验过程如图10-14所示，部分数据的统计结果在表10-2中列出。

图10-14　光信标阵列X轴距离试验图像

表10-2　光信标阵列X轴距离试验数据（9组数据中的5组统计结果）

（续表）

真实值与测量平均值的比较、平均值的绝对误差曲线、测量值方差曲线见图10-15。

图10-15　光信标阵列X轴距离试验数据分析结果

从图表中可以看出，当相机在正对光信标阵列时，测量均值的误差较低，并且此时测量均值的方差最低，表明数次测量值的跳变不大。距离真实值越远，误差越高，这是因为球形光信标的亮度不是理想均匀的，然而在图像预处理算法中，为了避免距离较近时将光晕纳入阈值范围，而将明度值下阈值设得较高，从而导致在非正对光信标时的识别面积偏小，导致解算位置也出现了一些偏差。

Y轴距离（深度差）测量试验如下：零点位置和采样点个数、测量次数与X轴距离测量试验相同，不再赘述；试验过程如图10-16所示，部分数据的统计结果在表10-3中列出。

表10-3　光信标阵列Y轴距离试验数据（9组数据中的5组统计结果）

（续表）

图10-16　光信标阵列Y轴距离试验图像

真实值与测量值的平均值的比较、平均值的绝对误差曲线、测量值方差曲线见图10-17。

图10-17　光信标阵列Y轴距离试验数据分析结果

从数据和图表中可以看出，与X轴距离测量试验类似，当相机在正对光信标阵列时，测量均值的误差较低，并且此时测量均值的方差最低。距离真实值越远，则误差越高，方差也随之增大。(www.daowen.com)

最后进行了偏航角估计试验。在跟随者的相机坐标系下，令领航者在其Z轴上的距离固定为4 m，X、Y方向上距离为0，艏向相同并作为零点。固定跟随者的艏向并记录领航者和跟随者的初始航向。然后，令领航者转动，将其IMU输出作为偏航角的真值，与视觉算法估计结果进行对比。在－45°～45°范围内取11个测量点，检测光信标阵列的偏航角提取算法的性能。试验过程如图10-18所示，部分数据的统计结果在表10-4中列出。

图10-18　光信标阵列偏航角试验图像

表10-4　光信标阵列偏航角试验数据（11组数据中的5组的统计结果）

真实值与测量平均值的比较、平均值的绝对误差曲线、测量值方差曲线见图10-19。

从图10-19中能够看出，总体而言，偏航角测量均值与真实值偏差并不大。越接近0°，测量值的方差越大，表明结果较不稳定；越接近45°，方差越小，表明结果的波动较小。同时可以看出，测量均值的绝对误差在不同位置的差异不明显。

图10-19　光信标阵列偏航角试验数据分析结果

AR Marker用于在较近距离时对领航者的目标位姿进行估计。与光信标阵列类似，输出的俯仰和横滚不是研究重点，重点主要集中在AR Marker输出的偏航和三轴位移上。使AUV正对AR Marker并使其处在视野中心，在相机坐标系Z轴上0．4～3 m取11个采样点放置AR Marker，每个位置测量10次Z轴距离输出，并求出均值和方差。试验过程如图10-20所示，部分采样点的统计结果列于表10-5中。

图10-20　AR Marker Z轴距离试验图像

表10-5　AR Marker Z轴距离试验数据（11组数据中的5组统计结果）

真实值与测量值均值的比较、平均值的绝对误差曲线、测量值方差曲线见图10-21。

图10-21　AR Marker Z轴距离试验数据分析结果

从以上结果可知，总体上讲，方差和绝对误差均随着真实值的增大而增大，也就是说，当距离的真值增大时，使用AR Marker测量的Z轴距离的离散程度将会增加，并且其若干次测量的平均值与真值误差也会增加。

使AUV正对AR Marker，在相机坐标系的Z轴距离为0．7 m处的X轴方向上取7个采样点，每个位置测量10次X轴距离输出，并求出均值和方差。试验过程如图10-22所示。

图10-22　AR Marker X轴距离试验图像

部分采样点的统计结果列于表10-6中。

表10-6　AR Marker X轴距离试验数据（仅统计结果）

真实值与测量值的平均值的比较、平均值的绝对误差曲线、测量值方差曲线见图10-23。

图10-23　AR Marker X轴距离试验数据分析结果

从图10-23中能够看出，X方向上越靠近中心位置，则其测量值的方差越小，测量过程的跳变越小。并且总体上看，越靠近中心，测量均值的绝对误差越小。总体来讲，AR Marker在X轴方向上的输出误差能够满足协同运动任务的需求。

使AUV正对AR Marker，在相机坐标系的Z轴距离为0．7 m处的Y轴方向上取7个采样点，每个位置测量10次Y轴距离输出，并求出均值和方差。试验过程如图10-24所示。部分采样点的统计结果列于表10-7中。

图10-24　AR Marker Y轴距离试验图像

表10-7　AR Marker Y轴距离试验数据（仅统计结果）

真实值与测量平均值的比较、平均值的绝对误差曲线、测量值方差曲线见图10-25。

图10-25　AR Marker Y轴距离试验数据分析结果

由以上数据及图表可知，测量值在Y轴位置偏移中心时跳变较大。同时，从整体上说，越接近中心，均值的绝对误差越小。然而能够看出，即使有跳变，AR Marker在Y轴距离上仍然能够获得较高的测量精度。

最后，将AR Marker放在AUV视野的中心位置，并令Z轴距离为0．7 m，转动AR Marker，通过视觉信息测量偏航角，并与真实值做对比。在－45°～45°范围内取31个采样点，每个位置测量10次偏航角输出，并求出均值和方差。试验过程如图10-26所示。部分采样点的统计结果列于表10-8中。

图10-26　AR Marker偏航角测量试验图像

表10-8　AR Marker偏航角试验数据（11组数据中的5组的统计结果）

真实值与测量值的平均值的比较、平均值的绝对误差曲线、测量值方差曲线见图10-27。

图10-27　AR Marker偏航角试验数据分析结果

从图中能够看出，AR Marker识别偏航角时，在0°左右跳变较大，并且误差也较大。当接近45°时，跳变减小，反映在图上即为方差减小；同时均值的绝对误差也在减小，精度提高。总的来说，AR Marker对位姿估计的总体精度能够满足协同运动任务需要。