CN102252671A - 核电水下机器人定位控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种核电水下机器人定位控制系统。它包括：一个水下机器人、一块定位控制主板、一束脐带线缆、一个顶视摄像机、一个水压力传感器、一个水下机器人顶部指示灯、一个底视摄像机、一束视频电缆和一个中心计算机，定位控制主板安装于水下机器人内部，分别与水压力传感器和水下机器人顶部指示灯相连，通过脐带线缆与中心计算机相连，脐带线缆通过密封螺纹与水下机器人侧上方连接，内含有视频电缆、电源线和数据通讯线，顶视摄像机通过支架安装在核电站反应堆水池正上方，顶视摄像机通过视频电缆连接中心计算机，水压力传感器安装于水下机器人侧面，底视摄像机安装于水下机器人底面，与垂直面成一定监测夹角，中心计算机用于根据堆芯栅格边界图像识别数据和深度数据进行三角计算，用于补偿顶视摄像机对水下机器人图像监测实现的水平位置，进而获得核电水下机器人的精确三维定位，为水下机器人在核电站反应堆水池中的检修工作提供可靠保证。

Description

核电水下机器人定位控制系统
技术领域
本发明涉水下机器人定位控制领域，特别是涉及一种用于核电站反应堆水池检修的水下机器人的定位控制系统。
背景技术
水下机器人在水下环境探测、监控、水中目标捕获及水下设施作业等方面取得巨大的实际应用成果，水下机器人开始被应用于核电站反应堆水池的检修工作。在核电站反应堆水池检修作业过程中，需要获得水下机器人的精确定位信息，以保证检修数据的精确性和防止壁碰。
目前核电站反应堆水池检修水下机器人一般顶部视频定位方式和无线定位方式，但是水下机器人在作业过程中顶部图像不可避免受到脐带线缆的干扰，无线定位受到水波影响存在一定的定位误差，这样就无法获得水下机器人精确定位。
发明内容
本发明的目的在于要解决现有技术存在的问题，提供一种核电水下机器人定位控制系统，实现对水下机器人的三维精确定位。
为解决上述技术问题，本发明的构思是：由于核电站反应堆水池的堆芯栅格以确定，可以精确获得每个栅格的位置信息，本系统通过安装于水下机器人底部并与垂直成一定监测夹角的底视摄像机获得水下机器人的底部图像数据信息，通过图像识别技术和水下机器人深度信息进行三角计算获得水下机器人的精确栅格偏移，并结合和修正顶部图像定位获得水下机器人的精确定位。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种核电水下机器人定位控制系统，包括：一个水下机器人、一块定位控制主板、一束脐带线缆、一个顶视摄像机、一个水压力传感器、一个水下机器人顶部指示灯、一个底视摄像机、一束视频电缆和一个中心计算机，其所述定位控制主板安装于水下机器人内部，分别与水压力传感器、水下机器人顶部指示灯相连，通过脐带线缆与中心计算机相连，实现水下机器人深度数据的读取、顶部指示灯控制和中心数据交互功能；所述脐带线缆通过密封螺纹与所述水下机器人侧上方连接，内含有视频电缆、电源线和数据通讯线，用于实现水下机器人与控制中心计算机控制命令、图像数据和系统供电的一组线缆；所述顶视摄像机通过支架安装在核电站反应堆水池正上方，用于通过监测水下机器人顶部指示灯在核电站反应堆水池中的图像，通过图像识别技术，进而实现监测水下机器人在核电站反应堆水池中的水平位置，顶视摄像机通过视频电缆实现顶视摄像机与中心计算机之间的图像传输；所述视频电缆连接顶视摄像机与中心计算机，用于实现顶视摄像机与中心计算机之间的图像传输；水压力传感器安装于水下机器人侧面，用于检测水下机器人当前所在水位的压力，通过水压力与水深度的转换公式，进而实现对水下机器人的深度进行监测；所述底视摄像机安装于水下机器人底面，与垂直面成一定监测夹角，用于监测核电站反应堆水池的堆芯栅格边界图像；所述中心计算机用于根据堆芯栅格边界图像识别数据和深度数据进行三角计算，用于补偿顶视摄像机对水下机器人图像监测实现的水平位置，进而获得核电水下机器人的精确三维定位，为水下机器人在核电站反应堆水池中的检修工作提供可靠保证。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：本发明采用一个安装在水下机器人底部并与垂直成一定监测角度的底视摄像机获得核电站反应堆水池的堆芯栅格边界图像，通过图像识别技术和深度数据进行三角计算获得水下机器人的精确栅格偏移，并结合和修正顶部图像定位获得水下机器人的精确定位。
本发明的定位控制系统可广泛适用于核电水下机器人的定位控制。
附图说明
附图1是本发明一个实施例的结构框图。
附图2是本发明一个实施例的水下机器人定位控制主板系统电路结构图。
附图3是本发明的水下机器人定位控制系统的栅格偏移三角计算图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：
如图1所示，在本核电水下机器人定位控制系统中, 包括一个水下机器人（101）、一块定位控制主板（100）、一束脐带线缆（108）、一个顶视摄像机（105）、一个水压力传感器（103）、一个水下机器人顶部指示灯（102）、一个底视摄像机（104）、一束视频电缆（107）和一个中心计算机（106）。
定位控制主板（100）安装于水下机器人（101）内部，分别与水压力传感器（103）、水下机器人顶部指示灯（102）相连，通过脐带线缆（108）与中心计算机（106）相连，实现水下机器人（101）深度数据的读取、顶部指示灯控制和中心数据交互功能。
脐带线缆（108）通过密封螺纹与水下机器人（101）侧上方连接，内含有视频电缆、电源线和数据通讯线，用于实现水下机器人（101）与控制中心计算机（106）控制命令、图像数据连接和系统供电的一组线缆。
顶视摄像机（105）通过支架安装在核电站反应堆水池正上方，采用ZH-5006摄像机，用于通过监测水下机器人（101）的顶部指示灯（102）在核电站反应堆水池中的图像，通过图像识别技术，进而实现监测水下机器人（101）在核电站反应堆水池中的水平位置。
视频电缆（107）连接顶视摄像机(105)与中心计算机(106),用于实现顶视摄像机（105）与中心计算机（106）之间的图像传输。
水压力传感器（103）安装于水下机器人(101)侧面，采用NS-I/300K传感器，用于检测水下机器人当前所在水位的压力，通过水压力与水深度的转换公式，进而实现对水下机器人（101）的深度进行监测。
底视摄像机（104）安装于水下机器人（101）底面，并与垂直面成一定监测夹角，采用GLF-UWTV-2摄像机，用于监测核电站反应堆水池的堆芯栅格边界图像。
中心计算机（106）用于根据堆芯栅格边界图像识别数据和深度数据进行三角计算，用于补偿顶视摄像机（104）对水下机器人（101）图像监测实现的水平位置，进而获得核电水下机器人的精确三维定位，为水下机器人在核电站反应堆水池中的检修工作提供可靠保证。
如图2所示，水下机器人（101）的定位控制主板（100）由控制器（201）ATmega8L、通讯接口（203）SP3485、运放电路（202）、复位电路（205）和电源电路（204）等。
所述控制器（201）采用美国Atmel公司的ATmega8L微处理器，内含模拟-数字转换器、具有内嵌EEPROM存储器和内置RC振荡时钟电路，可实现姿态角信息的模数转换，获得姿态角数值，控制器（201）内含全双工硬件串口，可实现与上位机通讯。所述控制器（201）的信号脚AD0与运放电路（202）的信号输出脚相连；所述控制器（201）的信号脚PD4、PD5、PD6和PD7分别连接顶部指示灯（102）；所述控制器（201）的信号脚RXD、TXD和PD3分别连接通讯接口（203），实现RS485通讯；所述控制器201的复位信号RST与上电复位电路（205）相连。
所述通讯接口（203）SP3485是一个RS485接口芯片，连接控制器201实现通讯功能。
所述运放电路（202）连接水压力传感器（103），实现水压力的电信号放大整形功能。
所述电源电路（204）采用直流电源给系统供电。
所述中心计算机（106）通过RS-232转RS485模块连接水下机器人，获得水下机器人深度数据。
栅格偏移三角计算图如图3所示。具体过程如下：
（a）固定摄像机焦距和摄像机的垂直监测夹角；测定核电站反应堆水池的堆芯栅格的各边长；根据深度传感器可以测得水下机器人的深度。
（b）通过底视摄像机获得底视图像，测得图像中多个栅格点之间的距离。
（c）图3（A）中表示O点表示摄像机透镜镜头中点，CCD表示摄像机成像面，图3（B）中X轴、Y轴表示水平面，Z轴表示垂直深度。
（d）根据透镜成像原理：                                               
Figure 2011100960784100002DEST_PATH_IMAGE002
，其中u表示物距，v表示像距，f表示焦距，结合图3（A）中，已知AB、BC和图像中A’B’和B’C’的距离，可以获得A，B，C到摄像头的距离OAP、OBP、OCP，即 图3（B）中的TA，TB，TC。
（e）根据水下机器人的深度和整个水池深度，可获得水下机器人道池底的距离H，即图3（B）中的TT’。
（f）根据图3（B），已知A、B、C的各点坐标、距离TA，TB，TC和高度H，通过三维坐标投影和三角形计算就可以获得水下机器人的水平面坐标即T’的X、Y坐标。
（g）返回（d）运行。
以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种核电水下机器人定位控制系统, 包括：一个水下机器人、一块定位控制主板、一束脐带线缆、一个顶视摄像机、一个水压力传感器、一个水下机器人顶部指示灯、一个底视摄像机、一束视频电缆和一个中心计算机，其特征在于： 
1）所述定位控制主板安装于所述水下机器人内部，分别与所述水压力传感器、水下机器人顶部指示灯相连，并通过脐带线缆与中心计算机相连，实现水下机器人深度数据的读取、顶部指示灯控制和中心数据交互功能；
2）所述脐带线缆通过密封螺纹与所述水下机器人侧上方连接，内含有视频电缆、电源线和数据通讯线，用于实现水下机器人与控制中心计算机控制命令、图像数据连接和系统供电的一组线缆；
3）所述顶视摄像机通过支架安装在核电站反应堆水池正上方，用于通过监测水下机器人顶部指示灯在核电站反应堆水池中的图像，通过图像识别技术，进而实现监测水下机器人在核电站反应堆水池中的水平位置，顶视摄像机通过所述视频电缆实现顶视摄像机与中心计算机之间的图像传输；
4）所述水压力传感器安装于所述水下机器人侧面，用于检测水下机器人当前所在水位的压力，通过水压力与水深度的转换公式，进而实现对水下机器人的深度进行监测；
5）所述底视摄像机安装于所述水下机器人底面，与垂直面成一定监测夹角，用于监测核电站反应堆水池的堆芯栅格边界图像。
2.根据权利要求1所述的核电水下机器人定位控制系统，其特征在于所述中心计算机用于根据堆芯栅格边界图像识别数据和深度数据进行三角计算，用于补偿所述顶视摄像机对水下机器人图像监测实现的水平位置，进而获得核电水下机器人的精确三维定位，为水下机器人在核电站反应堆水池中的检修工作提供可靠保证。
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