CN104267643A - 水下机器人目标定位识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下机器人目标定位识别系统，包括浮标子系统、声呐子系统、目标识别子系统和控制子系统，浮标子系统悬浮在水下机器人上方的水面上，目标识别子系统、声呐子系统和控制子系统设置在水下机器人上，浮标子系统用于确定浮标GPS位置，声呐子系统用于确定浮标距离水下机器人的浮标相对位置，目标识别子系统用于确定水下目标类型，并用于确定水下目标距离水下机器人的目标相对距离，控制子系统根据浮标GPS位置、浮标相对位置和目标相对距离确定水下机器人GPS位置和水下目标GPS位置。通过本发明，能够在水下GPS信号无法无线传送的情况下，采用有效方式准确确定水下机器人和水下目标的GPS位置，同时能够识别出水下目标的类型。

Description

水下机器人目标定位识别系统

技术领域

本发明涉及水下检测领域，尤其涉及一种水下机器人目标定位识别系统。

背景技术

机器人技术是集运动学与动力学理论、机械设计与制造技术、计算机硬件与软件技术、控制理论、电动伺服随动技术、传感器技术、人工智能理论等科学技术为一体的综合技术。他的研究与开发标志着一个国家科学技术的发展水平，而其在各种机械领域的普及应用，则显示了这个国家的经济和科技发展的实力。

世界上许多国家为了推进本国的机器人开发事业，打入竞争日益激烈的国际高科技市场，不惜投入巨大的人力、财力来推动机器人技术的发展，开发出了许多类型的机器人。机器人的应用领域也逐渐从人工环境扩展到了水下和宇宙。

随着人口数量的增长和科学技术水平的不断提高，人类已把海洋作为生存和发展的新领域，海洋的开发与利用已经成为决定一个国家兴衰的基本因素之一，从而使水下机器人具有更加广阔的应用前景。水下机器人设计是一项综合性的复杂工程，技术密集度高，是公认的高科技。他的研制水平体现了一个国家的综合技术力量。

水下机器人一般可以分为两大类：一类是有缆水下机器人，习惯称为遥控潜水器(Remote Operated Vehicle，简称ROV)；另一类是无缆水下机器人，习惯称为自治潜水器(Autonomous UnderwaterVehicle，简称AUV)。此外，按使用的目的分，有水下调查机器人(观测、测量、试验材料的收集等)和水下作业机器人(水下焊接、拧管子、水下建筑、水下切割等作业)；按活动场所分，有海底机器人和水中机器人。

但是，无论水下机器人工作在哪一种应用领域，水下机器人的定位对操控方来说，非常重要，同时水下机器人在遇到水下目标时，对水下目标类型的判断也相当关键。水下机器人的定位信息能够帮助操控方了解水下机器人的工作进度，从而对当前的工作进展和未来的工作安排有一个提前判断，水下目标类型的判断能够帮助操控方了解水下状况，从而确定是否寻找到期望目标。但是，由于水下无线传输的局限性，GPS信号无法传送到水下，现有技术中缺少水下机器人定位的有效手段，更缺少将水下机器人定位和水下目标类型判断有机结合的智能化控制系统。

因此，需要一种新的水下机器人控制系统，帮助水下机器人的操控方及时了解到水下机器人的GPS位置，实现对水下机器人的定位，还能对遇到的物体实现水下目标类型，为操控方提供更多有价值的参考数据。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种水下机器人目标定位识别系统，引入浮标子系统、声呐子系统、目标识别子系统和控制子系统四个子系统，将浮标子系统与控制子系统通过有线电缆连接，并在浮标子系统上安装太阳能供电设备，用于为所述目标定位识别系统供电，另外，基于浮标GPS位置、浮标与水下机器人相对位置和目标与水下机器人的相对距离确定水下目标GPS位置，以及通过摄像装置和图像处理装置完成对目标类型的图像识别，使得水下机器人控制系统得到进一步的完善。

根据本发明的一方面，提供了一种水下机器人目标定位识别系统，所述系统包括浮标子系统、声呐子系统、目标识别子系统和控制子系统，所述浮标子系统悬浮在水下机器人上方的水面上，所述目标识别子系统、所述声呐子系统和所述控制子系统设置在水下机器人上，所述浮标子系统用于确定浮标GPS位置，所述声呐子系统用于确定浮标距离水下机器人的浮标相对位置，所述目标识别子系统用于确定水下目标类型，并用于确定水下目标距离水下机器人的目标相对距离，所述控制子系统根据所述浮标GPS位置、所述浮标相对位置和所述目标相对距离确定水下目标GPS位置。

更具体地，在所述水下机器人目标定位识别系统中，所述控制子系统分别与所述声呐子系统和所述目标识别子系统电性连接；所述浮标子系统与所述控制子系统通过有线电缆连接，所述浮标子系统通过所述有线电缆将所述浮标GPS位置转发到所述控制子系统，并通过所述有线电缆为所述声呐子系统、所述目标识别子系统和所述控制子系统提供太阳能供电；所述浮标子系统还包括浮标，悬浮在水下机器人上方的水面上；光伏板，固定在浮标上方，用于接收太阳能辐射；太阳能蓄电池，设置在浮标内并具有密封防水外壳，连接所述光伏板，用于为所述目标定位识别系统供电；GPS定位设备，用于接收GPS卫星实时发送的浮标GPS位置；第一有线电缆接口，用于连接所述控制子系统，所述第一有线电缆接口还与所述太阳能蓄电池和所述GPS定位设备分别连接；无线通信接口，与所述第一有线电缆接口连接，用于与水上控制平台实现双向无线通信；所述声呐子系统还包括发射换能器，用于在水下发射声波，发射声波遇到所述浮标时，将声波反射回来；接收换能器，用于在水下接收所述浮标反射的声波；微控制器，与所述发射换能器和所述接收换能器分别连接，基于发射声波特性和接收声波特性计算所述浮标相对位置；所述目标识别子系统还包括水下摄像机，用于实时拍摄水下机器人的前方图像；第一存储器，预存了目标特征数据库，所述目标特征数据库中包括了各种水下目标的图像特征，所述第一存储器还存储了预设目标距离阈值；图像处理器，包括图像滤波单元、目标识别单元和目标确定单元，所述图像滤波单元与所述水下摄像机连接，对所述前方图像进行基于中值算法的图像滤波以获得滤波图像，所述目标识别单元与所述图像滤波单元连接，用于从所述滤波图像中划分出目标子图像，所述目标确定单元分别与所述第一存储器和所述目标识别单元连接，确定所述目标子图像的目标图像特征，并在所述目标特征数据库中寻找匹配所述目标图像特征的水下目标类型；红外线测距传感器，用于确定水下目标距离水下机器人的目标相对距离；所述控制子系统还包括第二有线电缆接口，用于通过所述有线电缆连接所述浮标子系统；ARM11处理器，与所述第二有线电缆接口连接以接收所述浮标GPS位置，与所述微控制器连接以接收所述浮标相对位置，与所述红外线测距传感器连接以获得所述目标相对距离，并基于所述浮标GPS位置、所述浮标相对位置确定水下机器人GPS位置，基于所述浮标GPS位置、所述浮标相对位置和所述目标相对距离确定水下目标GPS位置，所述ARM11处理器还与所述水下摄像机、所述第一存储器和所述图像处理器分别连接，在所述目标相对距离小于等于所述预设目标距离阈值时，启动所述水下摄像机和所述图像处理器；其中，所述第二有线电缆接口将所述水下目标GPS位置、所述水下机器人GPS位置和所述水下目标类型通过所述有线电缆发送给所述浮标子系统的无线通信接口，以便于无线转发到所述水上控制平台。

更具体地，在所述水下机器人目标定位识别系统中，所述无线通信接口通过GPRS移动通信网络、3G移动通信网络或4G移动通信网络与所述水上控制平台实现双向无线通信。

更具体地，在所述水下机器人目标定位识别系统中，所述太阳能蓄电池为铅酸电池。

更具体地，在所述水下机器人目标定位识别系统中，所述声呐子系统位于所述水下机器人的外壳顶部，所述目标识别子系统和所述控制子系统都位于所述水下机器人的外壳前部。

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水下机器人目标定位识别系统的结构方框图。

图2为根据本发明实施方案示出的水下机器人目标定位识别系统的声呐子系统的结构方框图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的水下机器人目标定位识别系统的实施方案进行详细说明。

水下机器人在20世纪50年代初诞生时，由于所涉及的新技术还不够成熟，电子设备的故障率高，通信的匹配以及起吊回收等问题没有很好解决，因此发展不快，没有受到人们的重视。到了60年代，国际上开始两大开发技术，即宇宙和海洋开发，促使远距离操纵型机器人得到了很快的发展。

在最近的20多年内，由于海洋开发与军事上的需要，尤其是水下机器人本体所需的各种材料及技术已得到了较好的解决，水下机器人才得到了很大发展，开发出了一批能工作在各种不同深度、进行多种作业的机器人，可用于石油开采、海底矿藏调查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和检查、海上养殖、江河水库的大坝检查及军事等领域。随着开发海洋的需要及技术的进步，适应各种需要的水下机器人将会得到更大的发展。

水下机器人在工作中存在两种需求：(1)需要及时确定水下机器人的定位信息，最好是国际通用的GPS定位信息；(2)对水下机器人所遇到的各个水下物体，需要及时确定他们的类型，为水下机器人的操作提供参考。

本发明的水下机器人目标定位识别系统，能够通过浮标辅助定位的方式，借用浮标的GPS信息定位水下机器人的GPS信息，同时，采取基于图像处理的目标识别模式，将识别到的物体特征与预存各种物体特征进行逐一匹配，以获得水下目标的类型。

图1为根据本发明实施方案示出的水下机器人目标定位识别系统的结构方框图，所述系统包括浮标子系统1、声呐子系统2、目标识别子系统4和控制子系统3，所述控制子系统3与所述浮标子系统1、所述声呐子系统2和所述目标识别子系统4分别连接，所述浮标子系统1悬浮在水下机器人上方的水面上，所述目标识别子系统4、所述声呐子系统2和所述控制子系统3设置在水下机器人上，所述浮标子系统3用于确定浮标GPS位置，所述声呐子系统2用于确定浮标距离水下机器人的浮标相对位置，所述目标识别子系统4用于确定水下目标类型，并用于确定水下目标距离水下机器人的目标相对距离，所述控制子系统3根据所述浮标GPS位置、所述浮标相对位置和所述目标相对距离确定水下目标GPS位置。

接着，对本发明的水下机器人目标定位识别系统的结构进行更具体的说明。

在所述水下机器人目标定位识别系统中，所述控制子系统3分别与所述声呐子系统2和所述目标识别子系统4电性连接；所述浮标子系统1与所述控制子系统3通过有线电缆连接，所述浮标子系统1通过所述有线电缆将所述浮标GPS位置转发到所述控制子系统3，并通过所述有线电缆为所述声呐子系统2、所述目标识别子系统4和所述控制子系统3提供太阳能供电。

所述浮标子系统1还包括浮标，悬浮在水下机器人上方的水面上；光伏板，固定在浮标上方，用于接收太阳能辐射；太阳能蓄电池，设置在浮标内并具有密封防水外壳，连接所述光伏板，用于为所述目标定位识别系统供电；GPS定位设备，用于接收GPS卫星实时发送的浮标GPS位置；第一有线电缆接口，用于连接所述控制子系统3，所述第一有线电缆接口还与所述太阳能蓄电池和所述GPS定位设备分别连接；无线通信接口，与所述第一有线电缆接口连接，用于与水上控制平台实现双向无线通信。

如图2所示，所述声呐子系统2还包括发射换能器21，用于在水下发射声波，发射声波遇到所述浮标时，将声波反射回来；接收换能器22，用于在水下接收所述浮标反射的声波；微控制器23，与所述发射换能器21和所述接收换能器23分别连接，基于发射声波特性和接收声波特性计算所述浮标相对位置。

所述目标识别子系统4还包括水下摄像机，用于实时拍摄水下机器人的前方图像；第一存储器，预存了目标特征数据库，所述目标特征数据库中包括了各种水下目标的图像特征，所述第一存储器还存储了预设目标距离阈值；图像处理器，包括图像滤波单元、目标识别单元和目标确定单元，所述图像滤波单元与所述水下摄像机连接，对所述前方图像进行基于中值算法的图像滤波以获得滤波图像，所述目标识别单元与所述图像滤波单元连接，用于从所述滤波图像中划分出目标子图像，所述目标确定单元分别与所述第一存储器和所述目标识别单元连接，确定所述目标子图像的目标图像特征，并在所述目标特征数据库中寻找匹配所述目标图像特征的水下目标类型；红外线测距传感器，用于确定水下目标距离水下机器人的目标相对距离。

所述控制子系统3还包括第二有线电缆接口，用于通过所述有线电缆连接所述浮标子系统1；ARM11处理器，与所述第二有线电缆接口连接以接收所述浮标GPS位置，与所述微控制器连接以接收所述浮标相对位置，与所述红外线测距传感器连接以获得所述目标相对距离，并基于所述浮标GPS位置、所述浮标相对位置和所述目标相对距离确定水下目标GPS位置。

所述ARM11处理器还与所述水下摄像机、所述第一存储器和所述图像处理器分别连接，在所述目标相对距离小于等于所述预设目标距离阈值时，启动所述水下摄像机和所述图像处理器。

其中，所述第二有线电缆接口将所述水下目标GPS位置和通过所述ARM11处理器接收到的所述水下目标类型通过所述有线电缆转发给所述浮标子系统1的无线通信接口，所述无线通信接口将所述水下目标GPS位置和所述水下目标类型无线发送到所述水上控制平台。

其中，在所述水下机器人目标定位识别系统中，所述无线通信接口可选择通过GPRS移动通信网络、3G移动通信网络或4G移动通信网络与所述水上控制平台实现双向无线通信，所述太阳能蓄电池可选用铅酸电池，所述声呐子系统2位于所述水下机器人的外壳顶部，所述目标识别子系统4和所述控制子系统3都位于所述水下机器人的外壳前部。

另外，声呐是英文缩写“SONAR”的音译，其中文全称为：声音导航与测距，Sound Navigation And Ranging，是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通讯任务的电子设备。他有主动式和被动式两种类型，属于声学定位的范畴。本发明所使用的声呐子系统2为主动式声呐系统。声呐是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。

另外，声呐装置一般由基阵、电子机柜和辅助设备三部分组成。基阵由水声换能器以一定几何图形排列组合而成，其外形通常为球形、柱形、平板形，有接收基阵、发射机阵或收发合一基阵之分。电子机柜一般有发射、接收、显示和控制等分系统。辅助设备包括电源设备、连接电缆、水下接线箱和增音机、与声呐基阵的传动控制相配套的升降、回转、俯仰、收放、拖曳、吊放、投放等装置，以及声呐导流罩等。

换能器是声呐中的重要器件，他是声能与其它形式的能如机械能、电能、磁能等相互转换的装置。他有两个用途：一是在水下发射声波，称为“发射换能器”，相当于空气中的扬声器；二是在水下接收声波，称为“接收换能器”，相当于空气中的传声器。换能器在实际使用时往往同时用于发射和接收声波，专门用于接收的换能器又称为“水听器”。换能器的工作原理是利用某些材料在电场或磁场的作用下发生伸缩的压电效应或磁致伸缩效应。

另外，浮标，指浮于水面的一种航标，是锚定在指定位置，用以标示航道范围、指示浅滩、碍航物或表示专门用途的水面助航标志。浮标在航标中数量最多，应用广泛，设置在难以或不宜设立固定航标之处。浮标，其功能是标示航道浅滩或危及航行安全的障碍物。装有灯具的浮标称为灯浮标，在日夜通航水域用于助航。有的浮标还装雷达应答器、无线电指向标、雾警信号和海洋调查仪器等设备。

采用本发明的水下机器人目标定位识别系统，针对现有水下机器人控制系统无法进行GPS定位和目标类型匹配的技术问题，利用浮标GPS位置和浮标相对于水下机器人的相对距离确定水下机器人的GPS位置，利用浮标GPS位置、浮标和目标相对于水下机器人的相对距离确定水下目标的GPS位置，同时引入图像处理技术对水下目标特征进行识别，并进一步利用目标特征数据库匹配出水下目标的类型，从而方便水上控制平台控制水下机器人的水下工作。

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 (5)

1.一种水下机器人目标定位识别系统，其特征在于，所述目标定位识别系统包括浮标子系统、声呐子系统、目标识别子系统和控制子系统，所述浮标子系统悬浮在水下机器人上方的水面上，所述目标识别子系统、所述声呐子系统和所述控制子系统设置在水下机器人上，所述浮标子系统用于确定浮标GPS位置，所述声呐子系统用于确定浮标距离水下机器人的浮标相对位置，所述目标识别子系统用于确定水下目标类型，并用于确定水下目标距离水下机器人的目标相对距离，所述控制子系统根据所述浮标GPS位置、所述浮标相对位置和所述目标相对距离确定水下机器人GPS位置和水下目标GPS位置。

2.如权利要求1所述的水下机器人目标定位识别系统，其特征在于：

所述控制子系统分别与所述声呐子系统和所述目标识别子系统电性连接；

所述浮标子系统与所述控制子系统通过有线电缆连接，所述浮标子系统通过所述有线电缆将所述浮标GPS位置转发到所述控制子系统，并通过所述有线电缆为所述声呐子系统、所述目标识别子系统和所述控制子系统提供太阳能供电；

所述浮标子系统还包括：

浮标，悬浮在水下机器人上方的水面上；

光伏板，固定在浮标上方，用于接收太阳能辐射；

太阳能蓄电池，设置在浮标内并具有密封防水外壳，连接所述光

伏板，用于为所述目标定位识别系统供电；

GPS定位设备，用于接收GPS卫星实时发送的浮标GPS位置；

第一有线电缆接口，用于连接所述控制子系统，所述第一有线电缆接口还与所述太阳能蓄电池和所述GPS定位设备分别连接；

无线通信接口，与所述第一有线电缆接口连接，用于与水上控制平台实现双向无线通信；

所述声呐子系统还包括：

发射换能器，用于在水下发射声波，发射声波遇到所述浮标时，将声波反射回来；

接收换能器，用于在水下接收所述浮标反射的声波；

微控制器，与所述发射换能器和所述接收换能器分别连接，基于发射声波特性和接收声波特性计算所述浮标相对位置；

所述目标识别子系统还包括：

水下摄像机，用于实时拍摄水下机器人的前方图像；

第一存储器，预存了目标特征数据库，所述目标特征数据库中包括了各种水下目标的图像特征，所述第一存储器还存储了预设目标距离阈值；

图像处理器，包括图像滤波单元、目标识别单元和目标确定单元，所述图像滤波单元与所述水下摄像机连接，对所述前方图像进行基于中值算法的图像滤波以获得滤波图像，所述目标识别单元与所述图像滤波单元连接，用于从所述滤波图像中划分出目标子图像，所述目标确定单元分别与所述第一存储器和所述目标识别单元连接，确定所述目标子图像的目标图像特征，并在所述目标特征数据库中寻找匹配所述目标图像特征的水下目标类型；

红外线测距传感器，用于确定水下目标距离水下机器人的目标相对距离；

所述控制子系统还包括：

第二有线电缆接口，用于通过所述有线电缆连接所述浮标子系统；

ARM11处理器，与所述第二有线电缆接口连接以接收所述浮标GPS位置，与所述微控制器连接以接收所述浮标相对位置，与所述红外线测距传感器连接以获得所述目标相对距离，并基于所述浮标GPS位置、所述浮标相对位置确定水下机器人GPS位置，基于所述浮标GPS位置、所述浮标相对位置和所述目标相对距离确定水下目标GPS位置，所述ARM11处理器还与所述水下摄像机、所述第一存储器和所述图像处理器分别连接，在所述目标相对距离小于等于所述预设目标距离阈值时，启动所述水下摄像机和所述图像处理器；

其中，所述第二有线电缆接口将所述水下目标GPS位置、所述水下机器人GPS位置和所述水下目标类型通过所述有线电缆发送给所述浮标子系统的无线通信接口，以便于无线转发到所述水上控制平台。

3.如权利要求2所述的水下机器人目标定位识别系统，其特征在于：

所述无线通信接口通过GPRS移动通信网络、3G移动通信网络或4G移动通信网络与所述水上控制平台实现双向无线通信。

4.如权利要求2所述的水下机器人目标定位识别系统，其特征在于：

所述太阳能蓄电池为铅酸电池。

5.如权利要求2所述的水下机器人目标定位识别系统，其特征在于：

所述声呐子系统位于所述水下机器人的外壳顶部，所述目标识别子系统和所述控制子系统都位于所述水下机器人的外壳前部。