CN104210629B - 一种水下路障躲避方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下路障躲避方法，该方法包括：1)提供智能化水下机器人系统，系统包括红外线测距传感器、水下摄像机、图像处理器和TMS320C6000系列DSP，红外线测距传感器用于检测前方障碍物到系统的纵向距离，水下摄像机用于采集前方障碍物图像，图像处理器与水下摄像机连接，用于对前方障碍物图像进行图像处理，TMS320C6000系列DSP与红外线测距传感器和图像处理器分别连接；以及2)使用系统基于纵向距离和图像处理结果实现对前方障碍物的躲避。通过本发明，能够实现水下障碍物的不同躲避模式，提高了水下机器人系统的智能化程度。

Description

一种水下路障躲避方法

技术领域

本发明涉及水下探测领域，尤其涉及一种水下路障躲避方法。

背景技术

水下机器人也称无人遥控潜水器，是一种工作于水下的极限作业机器人。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。水下机器人主要可分有，有缆水下机器人和无缆水下机器人两种，其中有缆水下机器人又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。

水下机器人可在高度危险环境、被污染环境以及零可见度的水域代替人工在水下长时间作业，水下机器人上一般配备声呐系统、摄像机、照明灯和机械臂等装置，能提供实时视频、声呐图像，能够使用机械臂抓起重物，水下机器人在安全搜救、管道检查、科研教学、水下娱乐、能源产业、考古、渔业等领域得到广泛应用。例如在安全搜救方面，主要应用场合包括检查大坝、桥墩上是否安装爆炸物以及结构好坏情况；遥控侦察、危险品靠近检查；水下基阵协助安装和拆卸；船侧、船底走私物品检测；水下目标观察，废墟、坍塌矿井搜救；搜寻水下证据；海上救助打捞、近海搜索。

由于水下机器人工作环境的特殊性，即在水下工作且无人现场控制，对水下机器人的智能化要求比较高。而水下最有可能出现的事故为，水下机器人在运行过程中，与障碍物碰撞引起的事故，对水下机器人的结构造成严重损坏。现有技术中，水下机器人基本上能够检测到前方是否存在障碍物，并根据无线通信网络接收水上控制台的避让指令以完成障碍物避让，无法实现自动避让，更不能根据障碍物的具体情况制定不同的避让措施。

因此，需要一种水下路障躲避方法，携带自动避让装置，并能够对障碍物进行识别，根据识别到的不同障碍物的实际情况，确定具体的不同躲避措施，从而保证水下机器人水下工作的顺利进行。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种水下路障躲避方法，引入无线通信网络实现水下机器人与水上控制平台的双向数据通信，引入水下摄像机和图像处理设备对前方障碍物进行智能识别，根据不同的识别结果控制水下机器人提供进入跨越模式、绕行模式或报警模式，在保证水下机器人不受损坏的同时，实现对障碍物的自动躲避。

根据本发明的一方面，提供了一种水下路障躲避方法，该方法包括：1)提供智能化水下机器人系统，所述系统包括红外线测距传感器、水下摄像机、图像处理器和TMS320C6000系列DSP，所述红外线测距传感器用于检测前方障碍物到所述系统的纵向距离，所述水下摄像机用于采集前方障碍物图像，所述图像处理器与所述水下摄像机连接，用于对所述前方障碍物图像进行图像处理，所述TMS320C6000系列DSP与所述红外线测距传感器和所述图像处理器分别连接；以及2)使用所述系统基于所述纵向距离和所述图像处理结果实现对前方障碍物的躲避。

更具体地，在所述智能化水下机器人系统中，所述系统还包括存储器，根据用户的输入，预先存储目标上限灰度阈值、目标下限灰度阈值、纵向距离阈值、竖向尺寸阈值和横向尺寸阈值；横向直流电机，用于驱动横向螺旋桨，为所述系统提供横向方向的动力，控制所述系统横向方向左右移动；纵向直流电机，用于驱动纵向螺旋桨，为所述系统提供纵向方向的动力，控制所述系统纵向方向前后移动；竖向直流电机，用于驱动竖向螺旋桨，为所述系统提供竖向方向的动力，控制所述系统竖向方向上下移动；所述红外线测距传感器位于所述系统的正前方，还包括红外线发射二极管、红外线接收二极管和运算设备，所述红外线发射二极管发射红外线信号，当在纵向方向遇到前方障碍物时，将红外线信号反射回来被所述红外线接收二极管接收，所述运算设备与所述红外线发射二极管和红外线接收二极管分别连接，基于红外线信号发射接收的时间差和红外线信号的传播速度，计算距离前方障碍物的纵向距离；所述水下摄像机位于所述系统的正前方，还包括密封抗压外壳，用于为所述水下摄像机提供水下防护；所述图像处理器还包括图像滤波单元、目标识别单元和尺寸计算单元，所述图像滤波单元与所述水下摄像机连接以接收所述前方障碍物图像，基于小波滤波算法对所述前方障碍物图像执行滤波处理以输出滤波图像，所述目标识别单元与所述图像滤波单元和所述存储器分别连接，将所述滤波图像中灰度值在所述目标上限灰度阈值和所述目标下限灰度阈值之间的像素识别并组成目标图像，所述尺寸计算单元与所述目标识别单元连接，以基于所述目标图像计算所述目标图像中前方障碍物的横向尺寸和竖向尺寸，所述图像处理器采用现场可编程门阵列FPGA芯片来实现，该FPGA芯片为ALTERA公司的EP2C5Q208C8N；所述TMS320C6000系列DSP与所述无线数据传输接口、所述存储器、所述横向直流电机、所述纵向直流电机、所述竖向直流电机、所述红外线测距传感器、所述水下摄像机和所述图像处理器分别连接，当接收到所述红外线测距传感器发送的纵向距离小于等于所述纵向距离阈值时，启动所述水下摄像机和所述图像处理器，并在接收到的竖向尺寸小于等于所述竖向尺寸阈值时，进入机器跨越模式，在接收到的竖向尺寸大于所述竖向尺寸阈值时且接收到的横向尺寸小于等于所述横向尺寸阈值时，进入机器绕过模式，在接收到的竖向尺寸大于所述竖向尺寸阈值时且接收到的横向尺寸大于所述横向尺寸阈值时，发送障碍物报警信号；无线数据传输接口，通过无线通信网络与水上控制平台连接，将所述目标图像和所述目标图像中前方障碍物的横向尺寸和竖向尺寸发送给所述水上控制平台，在接收到所述障碍物报警信号时将所述障碍物报警信号转发给所述水上控制平台，并接收所述水上控制平台发送的控制指令以将所述控制指令转发给所述TMS320C6000系列DSP；其中，在所述机器跨越模式中，所述TMS320C6000系列DSP先控制所述竖向直流电机为所述系统提供竖向方向的动力，随后控制所述纵向直流电机为所述系统提供纵向方向的动力；在所述机器绕过模式中，所述TMS320C6000系列DSP先控制所述横向直流电机为所述系统提供横向方向的动力，随后控制所述纵向直流电机为所述系统提供纵向方向的动力；其中，所述横向螺旋桨、所述纵向螺旋桨和所述竖向螺旋桨都位于所述系统的尾部。

更具体地，在所述智能化水下机器人系统中，还包括供电设备，为所述系统提供供电电源，并与所述TMS320C6000系列DSP连接以在所述TMS320C6000系列DSP控制下为所述系统提供节电管理。

更具体地，在所述智能化水下机器人系统中，所述供电设备为可充电锂电池。

更具体地，在所述智能化水下机器人系统中，所述存储器为SDRAM(SynchronousDynamicRandomAccessMemory)，即同步动态随机存储器。

更具体地，在所述智能化水下机器人系统中，所述TMS320C6000系列DSP在发出所述障碍物报警信号后，控制所述横向直流电机、所述纵向直流电机和所述竖向直流电机停止为所述系统提供动力，并等待接收所述控制指令。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的智能化水下机器人系统的结构方框图。

图2为根据本发明实施方案示出的智能化水下机器人系统的红外线测距传感器的结构方框图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的智能化水下机器人系统的实施方案进行详细说明。

水下机器人即无人遥控潜水器，其发展过程可分为三个阶段。

从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。先后研制出20多艘潜水器。其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘无人遥控潜水器。特别是1974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。

在第二阶段，无人有缆潜水器的研制80年代进入了较快的发展时期。1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。到1981年，无人遥控潜水器发展到了400佘艘，其中90％以上是直接或间接为海洋石油开采业服务的。海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。无人遥控潜水器(包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器)在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。

在第三阶段，即1985年以来，这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器，大约为800艘上下，其中420佘艘是直接为海上池气开采用的。无人遥控潜水器的发展相对慢一些，只研制出26艘，其中工业用的8艘，其他的均用于军事和科学研究。另外，载人和无人混合理潜水器在这个时期也得到发展，已经研制出32艘，其中28用于工业服务。

在水下机器人的水下操作过程中，最常见的问题是，由于海下环境的复杂性，经常会遇到不同形状的障碍物，需要对这些障碍物进行有效的躲避，以保证水下工作的正常开展。当前的水下机器人都能识别到障碍物，但需要根据水上控制平台的控制指令才能完成躲避动作，而且躲避模式过于单一，有时甚至需要绕过很宽但其实很低的障碍物才能到达目的地。

本发明的智能化水下机器人系统，能够通过无线通信网络与水上控制平台实现信息交互，并能够识别出障碍物的不同形状，基于障碍物的形状确定多种躲避模式，提高水下机器人的工作效率。

图1为根据本发明实施方案示出的智能化水下机器人系统的结构方框图，所述系统包括红外线测距传感器3、水下摄像机2、图像处理器1和数字信号处理器DSP4，DSP4为TMS320C6000系列，所述红外线测距传感器3用于检测前方障碍物到所述系统的纵向距离，所述水下摄像机2用于采集前方障碍物图像，所述图像处理器1与所述水下摄像机2连接，用于对所述前方障碍物图像进行图像处理，所述TMS320C6000系列DSP4与所述红外线测距传感器3和所述图像处理器1分别连接，用于基于所述纵向距离和所述图像处理结果实现对前方障碍物的躲避。

接着，继续对本发明的智能化水下机器人系统的具体结果进行进一步的说明。

所述智能化水下机器人系统还包括存储器，根据用户的输入，预先存储目标上限灰度阈值、目标下限灰度阈值、纵向距离阈值、竖向尺寸阈值和横向尺寸阈值；横向直流电机，用于驱动横向螺旋桨，为所述系统提供横向方向的动力，控制所述系统横向方向左右移动；纵向直流电机，用于驱动纵向螺旋桨，为所述系统提供纵向方向的动力，控制所述系统纵向方向前后移动；竖向直流电机，用于驱动竖向螺旋桨，为所述系统提供竖向方向的动力，控制所述系统竖向方向上下移动。

参照图2所示，所述红外线测距传感器3位于所述系统的正前方，还包括红外线发射二极管31、红外线接收二极管32和运算设备33，所述红外线发射二极管31发射红外线信号，当在纵向方向遇到前方障碍物时，将红外线信号反射回来被所述红外线接收二极管接收32，所述运算设备33与所述红外线发射二极管31和红外线接收二极管32分别连接，基于红外线信号发射接收的时间差和红外线信号的传播速度，计算距离前方障碍物的纵向距离。

所述水下摄像机2位于所述系统的正前方，还包括密封抗压外壳，用于为所述水下摄像机2提供水下防护。

所述图像处理器1还包括图像滤波单元、目标识别单元和尺寸计算单元，所述图像滤波单元与所述水下摄像机2连接以接收所述前方障碍物图像，基于小波滤波算法对所述前方障碍物图像执行滤波处理以输出滤波图像，所述目标识别单元与所述图像滤波单元和所述存储器分别连接，将所述滤波图像中灰度值在所述目标上限灰度阈值和所述目标下限灰度阈值之间的像素识别并组成目标图像，所述尺寸计算单元与所述目标识别单元连接，以基于所述目标图像计算所述目标图像中前方障碍物的横向尺寸和竖向尺寸，所述图像处理器采用现场可编程门阵列FPGA芯片来实现，该FPGA芯片为ALTERA公司的EP2C5Q208C8N。

所述TMS320C6000系列DSP4与所述无线数据传输接口、所述存储器、所述横向直流电机、所述纵向直流电机、所述竖向直流电机、所述红外线测距传感器3、所述水下摄像机2和所述图像处理器1分别连接，当接收到所述红外线测距传感器3发送的纵向距离小于等于所述纵向距离阈值时，启动所述水下摄像机2和所述图像处理器1，并在接收到的竖向尺寸小于等于所述竖向尺寸阈值时，进入机器跨越模式，在接收到的竖向尺寸大于所述竖向尺寸阈值时且接收到的横向尺寸小于等于所述横向尺寸阈值时，进入机器绕过模式，在接收到的竖向尺寸大于所述竖向尺寸阈值时且接收到的横向尺寸大于所述横向尺寸阈值时，发送障碍物报警信号。

所述智能化水下机器人系统还包括无线数据传输接口，通过无线通信网络与水上控制平台连接，将所述目标图像和所述目标图像中前方障碍物的横向尺寸和竖向尺寸发送给所述水上控制平台，在接收到所述障碍物报警信号时将所述障碍物报警信号转发给所述水上控制平台，并接收所述水上控制平台发送的控制指令以将所述控制指令转发给所述TMS320C6000系列DSP4。

其中，在所述机器跨越模式中，所述TMS320C6000系列DSP4先控制所述竖向直流电机为所述系统提供竖向方向的动力，随后控制所述纵向直流电机为所述系统提供纵向方向的动力；在所述机器绕过模式中，所述TMS320C6000系列DSP4先控制所述横向直流电机为所述系统提供横向方向的动力，随后控制所述纵向直流电机为所述系统提供纵向方向的动力；所述横向螺旋桨、所述纵向螺旋桨和所述竖向螺旋桨都位于所述系统的尾部。

其中，在所述智能化水下机器人系统中，还可以包括供电设备，为所述系统提供供电电源，并与所述TMS320C6000系列DSP4连接以在所述TMS320C6000系列DSP4控制下为所述系统提供节电管理，所述供电设备可选择为可充电锂电池，所述存储器可选择为SDRAM(SynchronousDynamicRandomAccessMemory)，即同步动态随机存储器，所述TMS320C6000系列DSP4在发出所述障碍物报警信号后，可以控制所述横向直流电机、所述纵向直流电机和所述竖向直流电机停止为所述系统提供动力，并等待接收所述控制指令。

另外，数字信号处理器(DSP，即DigitalSignalProcessor)是进行数字信号处理的专用芯片，是伴随着微电子学、数字信号处理技术、计算机技术的发展而产生的新器件。数字信号处理器并非只局限于音视频层面，他广泛的应用于通信与信息系统、信号与信息处理、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器等许多领域。以往是采用通用的微处理器来完成大量数字信号处理运算，速度较慢，难以满足实际需要；而同时使用位片式微处理器和快速并联乘法器，曾经是实现数字信号处理的有效途径，但此方法器件较多，逻辑设计和程序设计复杂，耗电较大，价格昂贵。数字信号处理器DSP的出现，很好的解决了上述问题。DSP可以快速的实现对信号的采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。

另外，FPGA(FieldProgrammableGateArray)，即现场可编程门阵列，是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。他是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(LogicCellArray)这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB(ConfigurableLogicBlock)、输入输出模块IOB(InputOutputBlock)和内部连线(Interconnect)三个部分。现场可编程门阵列(FPGA)是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列(如PAL，GAL及CPLD器件)相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。

采用本发明的智能化水下机器人系统，针对现有水下机器人系统的识别障碍物的信息较少、无法完成有效自动躲避的技术问题，利用无线通信网络达成与水上控制平台的双向通信，关键的是，通过水下摄像设备和图像处理设备完成对前方障碍物的尺寸的识别，根据具体尺寸制定不同的躲避策略，防止躲避策略单一而引起的躲避效率较低的现象出现。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (1)

1.一种水下路障躲避方法，该方法包括：

1)提供智能化水下机器人系统，所述系统包括红外线测距传感器、水下摄像机、图像处理器和TMS320C6000系列DSP，所述红外线测距传感器用于检测前方障碍物到所述系统的纵向距离，所述水下摄像机用于采集前方障碍物图像，所述图像处理器与所述水下摄像机连接，用于对所述前方障碍物图像进行图像处理，所述TMS320C6000系列DSP与所述红外线测距传感器和所述图像处理器分别连接；以及

2)使用所述系统基于所述纵向距离和所述图像处理结果实现对前方障碍物的躲避；

所述系统还包括：

存储器，根据用户的输入，预先存储目标上限灰度阈值、目标下限灰度阈值、纵向距离阈值、竖向尺寸阈值和横向尺寸阈值；

横向直流电机，用于驱动横向螺旋桨，为所述系统提供横向方向的动力，控制所述系统横向方向左右移动；

纵向直流电机，用于驱动纵向螺旋桨，为所述系统提供纵向方向的动力，控制所述系统纵向方向前后移动；

竖向直流电机，用于驱动竖向螺旋桨，为所述系统提供竖向方向的动力，控制所述系统竖向方向上下移动；

所述红外线测距传感器位于所述系统的正前方，还包括红外线发射二极管、红外线接收二极管和运算设备，所述红外线发射二极管发射红外线信号，当在纵向方向遇到前方障碍物时，将红外线信号反射回来被所述红外线接收二极管接收，所述运算设备与所述红外线发射二极管和红外线接收二极管分别连接，基于红外线信号发射接收的时间差和红外线信号的传播速度，计算距离前方障碍物的纵向距离；

所述水下摄像机位于所述系统的正前方，还包括密封抗压外壳，用于为所述水下摄像机提供水下防护；

所述图像处理器还包括图像滤波单元、目标识别单元和尺寸计算单元，所述图像滤波单元与所述水下摄像机连接以接收所述前方障碍物图像，基于小波滤波算法对所述前方障碍物图像执行滤波处理以输出滤波图像，所述目标识别单元与所述图像滤波单元和所述存储器分别连接，将所述滤波图像中灰度值在所述目标上限灰度阈值和所述目标下限灰度阈值之间的像素识别并组成目标图像，所述尺寸计算单元与所述目标识别单元连接，以基于所述目标图像计算所述目标图像中前方障碍物的横向尺寸和竖向尺寸，所述图像处理器采用现场可编程门阵列FPGA芯片来实现，该FPGA芯片为ALTERA公司的EP2C5Q208C8N；

所述TMS320C6000系列DSP与无线数据传输接口、所述存储器、所述横向直流电机、所述纵向直流电机、所述竖向直流电机、所述红外线测距传感器、所述水下摄像机和所述图像处理器分别连接，当接收到所述红外线测距传感器发送的纵向距离小于等于所述纵向距离阈值时，启动所述水下摄像机和所述图像处理器，并在接收到的竖向尺寸小于等于所述竖向尺寸阈值时，进入机器跨越模式，在接收到的竖向尺寸大于所述竖向尺寸阈值时且接收到的横向尺寸小于等于所述横向尺寸阈值时，进入机器绕过模式，在接收到的竖向尺寸大于所述竖向尺寸阈值时且接收到的横向尺寸大于所述横向尺寸阈值时，发送障碍物报警信号；

无线数据传输接口，通过无线通信网络与水上控制平台连接，将所述目标图像和所述目标图像中前方障碍物的横向尺寸和竖向尺寸发送给所述水上控制平台，在接收到所述障碍物报警信号时将所述障碍物报警信号转发给所述水上控制平台，并接收所述水上控制平台发送的控制指令以将所述控制指令转发给所述TMS320C6000系列DSP；

其中，在所述机器跨越模式中，所述TMS320C6000系列DSP先控制所述竖向直流电机为所述系统提供竖向方向的动力，随后控制所述纵向直流电机为所述系统提供纵向方向的动力；在所述机器绕过模式中，所述TMS320C6000系列DSP先控制所述横向直流电机为所述系统提供横向方向的动力，随后控制所述纵向直流电机为所述系统提供纵向方向的动力；

其中，所述横向螺旋桨、所述纵向螺旋桨和所述竖向螺旋桨都位于所述系统的尾部。