CN104567692B - 一种水下拖曳作业宽度自动监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下拖曳作业宽度自动监测系统由2个部分组成，分别是操控台和光电测量装置。操控台安装在监控室，为人工操控及显示设备，由通用计算机系统构成，用于操作人员遥控操纵光电测量装置和作业宽度自动计算。光电测量装置安装在无人遥控艇桅杆高处、测量方向上无遮挡的位置，由第一壳体、可见光摄像机、红外摄像机、激光测距仪、转动平台构成，能够实现对水面指示浮体的实时拍摄、目标轨迹监视。操控台与光电测量装置之间的通信由无线电台实现。本系统可在电磁干扰或灯光管制的情况下完成全天候测量，具有抗干扰能力强，被动探测和数据精确度高的特点。

Description

一种水下拖曳作业宽度自动监测系统

技术领域

本发明涉及一种应用于无人遥控艇的水下拖曳作业宽度自动监测系统，属于无人遥控装备及自动测量系统技术领域。

背景技术

一条拖曳工作舰船通常拖曳2套水下拖曳装备进行作业，其作业宽度是系统工作过程中最为重要的指标，准确测量作业宽度对于实时标识安全通航区域，减少疏漏作业区和重叠区，提高作业效率，有着十分重要的意义。

水下拖曳设备工作时位于水下，除非额外增加水声定位装置，否则难以对其进行定位，然而水声定位装置价格昂贵、系统复杂，带来很大的系统设计工作；通常水下拖曳设备都可附带一个水面指示浮体，假设稳定拖曳工况下，水面指示浮体与水下拖曳设备位置一致，仅存在深度上的差异，将作业宽度的测量转化为2个指示浮体之间宽度的测量。

在有人员作业的舰船上，通常采用六分仪和手持式激光测距仪，同时测量两个指示浮体夹角和其距艇尾的斜线距离，通过人工计算得到水下装备的作业宽度。由于存在偶然误差和测量误差，其测量精度低、实时性差，在晚间及气象条件恶劣时效率低下，甚至无法使用。

目前，通常使用无人遥控艇代替拖曳工作舰船拖曳2套水下拖曳装备进行作业，由于无人遥控艇上无工作人员在场，因此传统的人工测量方法无法使用，需将上述功能应用自动控制和测量技术，并结合远程遥控技术予以实现。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种水下拖曳作业宽度自动监测系统，适用于多种恶劣海况的自动测量系统，用于实现指示浮体宽度的自动测量。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：该自动监测系统用于在监控室内利用水上的无人遥控艇进行水面指示浮体的监测，其特征在于，该系统包括操控台和光电测量装置，其中操控台位于监控室内，光电测量装置位于无人遥控艇的桅杆上，操控台和光电测量装置之间通过无线电台进行通信；操控台为通用计算机。

光电测量装置包括第一壳体、可见光摄像机、红外摄像机、激光测距仪、视频控制器、转动平台以及连接轴；第一壳体为一个封密的长方体空壳，在第一壳体的一个侧面、沿其长度方向的中轴上分布有3个透光视窗，将可见光摄像机、红外摄像机和激光测距仪置于第一壳体内部，并分别位于3个透光视窗对应位置处，视频控制器置于第一壳体内部；连接轴一端固连在第一壳体上，另一端固连在转动平台的第二壳体上，连接轴的轴线处于3个透光视窗所在直线的延长线上，且与转动平台的平面垂直。

视频控制器分别与可见光摄像机、红外摄像机以及激光测距仪相连，同时视频控制器与无人遥控艇端的无线电台保持电气连接，视频控制器接收可见光摄像机、红外摄像机发送的视频信号，接收激光测距仪发送的距离信号，将上述信号转换为网络格式；利用无人遥控艇端的无线电台将网络格式的视频图像和距离信息发送给操控台。

转动平台固定安装在无人遥控艇端的桅杆上，转动平台由第二壳体、联轴器、直流电机、转动控制器以及角度传感器组成；第二壳体为长方体空壳，联轴器、直流电机、转动控制器以及角度传感器均位于第二壳体内部；联轴器用于连接直流电机的输出轴与连接轴；直流电机在转动控制器的控制下实现角度调节；转动控制器与无人遥控艇端的无线电台连接，接收来自操控台的转动指令，驱动直流电机旋转；角度传感器用于在直流电机旋转过程中实时地测量光电测量装置当前角度，并将角度测量值发送给转动控制器，转动控制器再将该角度值通过无线电台发送到操控台。

操控台通过监控室端的无线电台发出转动命令，控制转动平台转动连接轴，从而带动第一壳体旋转，实现对可见光摄像机和红外摄像机照射范围的调整，对水面上指示浮体的进行搜索；操控台通过监控室端的无线电台接收视频图像，当在该视频图像中搜索到一个指示浮体时，操控台通过监控室端的无线电台发出停止命令，转动平台停止，角度传感器输出当前的角度测量值α，同时激光测距仪测量无人遥控艇距离当前指示浮体的距离b，α与b均发送至操控台；操控台继续通过监控室端的无线电台发出转动命令，并接收视频图像，当在该视频图像中搜索到另外一个指示浮体时，操控台通过监控室端的无线电台发出停止命令，转动平台停止，角度传感器输出当前的角度测量值β，同时激光测距仪测量无人遥控艇距离当前指示浮体的距离c，β与c均发送至操控台；操控台依据两指示浮体的两组数据α与b、β与c计算获得两指示浮体之间的宽度a：a²＝b²+c²-2bccos(β-α)。

优选地，可见光摄像机为1/4″彩色CCD，其规格指标为：工作波段为0.4～0.9μm，像元数为752×576，视场为水平57°×垂直43°，作用距离为目标对比度30％，能见度大于25km.

优选地，红外摄像机为制冷焦平面阵列探测器，其规格指标为：光谱带宽为3～5μm，像元数为：320×256，噪声等效温差为35mk，视场为水平24°×垂直18°，制冷时间小于或者等于8min。

优选地，激光测距仪用于测量指示浮体的距离，其规格指标为：工作波段为1.57μm；束散角为0.5mrad；重复频率为1Hz；测距精度为5米；最小测量距离为100米。

有益效果：

1、本发明适用于多种恶劣海况的自动测量系统，用于实现指示浮体宽度的自动测量；能够在夜间、高海况等环境下长时间工作正常，实现对水面指示浮标实时、连续地搜索、测距和作业宽度自动解算，该系统无需人工干预，使人员远离战场威胁，符合未来武器装备发展趋势。

2、本发明中的位于无人遥控艇上的光电测量装置置于一个密封的壳体中，能够保证内部器件的密封性，适应艇上工作环境，防止水汽进入影响电子设备工作。

3、本发明中针对可见光摄像机与红外摄像机的选型均是依照其作用环境、并基于精度的考虑进行选型，其中可见光摄像机应当在白天、光线较好的情况下成像效果最佳，红外摄像机在应当在夜间、能见度差的情况下使用，因此本发明中的选型使得更能够适应于艇上环境并具有一定的精度。

4、本发明通过无线电台联通操控台以及光电测量装置，所使用的指令简单直接，在恶劣海况下也能够达到指令控制的目的，而且计算方法简洁，同时具备一定的精度。

附图说明

图1水下拖曳作业宽度自动监测系统示意图；

图2光电测量装置示意图；

图3转动平台构成示意图；

图4宽度计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种水下拖曳作业宽度自动监测系统由2个部分组成，分别是操控台和光电测量装置，如图1所示。操控台安装在监控室，为人工操控及显示设备，由通用计算机系统构成，用于操作人员遥控操纵光电测量装置和作业宽度自动计算。光电测量装置安装在无人遥控艇桅杆高处、测量方向上无遮挡的位置，由第一壳体、可见光摄像机、红外摄像机、激光测距仪、转动平台构成，能够实现对水面指示浮体的实时拍摄、目标轨迹监视。操控台与光电测量装置之间的通信由无线电台实现。本系统可在电磁干扰或灯光管制的情况下完成全天候测量，具有抗干扰能力强，被动探测和数据精确度高的特点。

操控台

操控台为通用计算机系统，提供显示器，供监控室内操作人员控制无人遥控艇航行，以及观测光电测量装置的图像信息和操控其进行测量。

操作人员首先操作光电测量装置对艇后方水面进行搜索，可见光摄像机或红外摄像机发现指示浮体后，操作人员用鼠标点击指示浮体图像后，光电测量装置停止转动，图像稳定地监视指示浮体的位置，再启动激光测距仪对指示浮体的距离进行测量；再次操作光电测量装置对另一个指示浮体进行搜索、锁定和距离测量；最后由操控台按照宽度计算方法对作业宽度自动进行计算。

光电测量装置

光电测量装置构成如图2所示，其中1为壳体，2为可见光摄像机，3为红外摄像机，4为激光测距仪，5为视频控制器、6为转动平台，7为连接轴。连接轴受转动平台控制，可带动壳体旋转，调整可见光摄像机和红外摄像机的观测角度。

1)壳体

壳体用于安装可见光摄像机、红外摄像机和激光测距仪，采用密封结构设计，防止水汽进入影响电子设备工作。壳体上分别开3个透光视窗，使可见光摄像机、红外摄像机和激光测距仪可正常接收和发射光线。三个透光视窗尺寸满足各传感器相应的镜头尺寸，布置在壳体的中轴上，布置图如图2所示，自上至下依次为可见光摄像机视窗、激光测距仪视窗和红外传感器视窗。

2)可见光摄像机

可见光摄像机在白天、光线较好的情况下成像效果最佳，可选择日本sony公司高清摄像机产品，规格指标通常如下：

1)工作波段：0.4～0.9μm；

2)类型：1/4″彩色CCD；

3)像元数：752×576；

4)视场：57°×43°(水平×垂直)；

5)作用距离：目标对比度30％，能见度大于25km。

3)红外摄像机

红外摄像机在夜间、能见度差的情况下使用，其规格指标通常如下：

1)类型：制冷焦平面阵列探测器

2)光谱带宽：3～5μm；

3)像元数：320×256(640×480)；

4)噪声等效温差(NETD)：35mk；

5)视场：24°×18°(水平×垂直)；

6)制冷时间：≤8min。

4)激光测距仪

激光测距仪用于测量指示浮体的距离，其规格指标通常如下：

1)工作波段：1.57μm；

2)束散角：0.5mrad；

3)重复频率：1Hz；

4)测距精度：5米；

5)最小测量距离：100米。

5)视频控制器

视频控制接收可见光摄像机、红外摄像机发送的视频信号，接收激光测距仪发送的距离信号，将上述信号转换为网络信号；视频控制器与图1所示的无人遥控艇端的无线电台保持电气连接，将无线电台将视频图像和距离信息发送给操控台，供操作人员观测。

6)转动平台

6为转动平台，固定安装在桅杆上，与壳体1通过连接轴7连接，转动平台收到操控台发送的转动命令后，转动连接轴7，从而带动壳体1旋转，实现可见光摄像机和红外摄像机照射范围的调整，对水面上指示浮体的进行搜索。

转动平台构成如图3所示，其中8为联轴器，9为直流电机，10为转动控制器，11为角度传感器，12为转动平台壳体。联轴器8用于连接直流电机9的输出轴与连接轴6；直流电机在转动控制器9的控制下实现摄像机角度调节；转动控制器与图1中无人遥控艇端无线电台连接，接收来自操控台的旋转指令，驱动直流电机旋转；在电机旋转过程中，角度传感器实时地测量光电测量装置当前角度，将角度测量值发送给转动控制器，转动控制器再将该角度值通过无线电台发送到操控台，供操作人员观测。

宽度计算方法

无人遥控艇、指示浮体相对位置如图4所示，其中A代表无人遥控艇，B、C均代表指示浮体，由于无人遥控艇需要拖曳两套水下拖曳装备，每套水下拖曳装备具有一个指示浮体，a代表指示浮体之间的宽度，是本发明的待求解数值，b代表指示浮体B到光电测量装置的测量距离，c代表指示浮体C到光电测量装置的测量距离。∠A(即∠CAB)为指示浮体B和指示浮体C相对与无人遥控艇A的夹角。

以上各物理量的测量方法：首先由操控台控制摄像机旋转搜索指示浮体B，发现指示浮体B后，微调整摄像机的角度，使指示浮体B的成像效果最佳，转动平台停止，记录此时角度传感器输出的角度值α，同时启动激光测距仪测量指示浮体B的距离b；再次控制摄像机旋转搜索指示浮体C，发现指示浮体C后，微调整摄像机的角度，使指示浮体C的成像效果最佳，转动平台停止，记录此时角度传感器输出的角度值β，同时启动激光测距仪测量指示浮体C的距离c，此时∠A即为(β-α)的绝对值。

操控台获取上述物理量后，作业宽度值a可由余弦定理得到，即公式(1)。

a²＝b²+c²-2bccosA (1)

上述计算过程由操控台软件自动计算，无需人工干预。

系统工作步骤

水下拖曳作业宽度自动监测系统的使用步骤如下：

①无人遥控艇状态检查完毕，启航进行试验；

②在监控室的观察无人遥控艇的各项状态指标；

③遥控指挥无人遥控艇到达布放作业地点；

④遥控布放水下拖曳装备及其指示浮体；

⑤启动无人遥控艇拖曳航行至作业地点开始作业；

⑥拖曳状态稳定后，启动光电测量装置搜索指示浮体B，发现指示浮体B后，启动激光测距仪测量距离b，并记录当前转角α；

⑦控制光电测量装置转动，搜索指示浮体C，发现指示浮体C后，启动激光测距仪测量距离c，并记录当前转角β；

⑧操作台应用公式(1)，计算得到当前作业宽度a；

⑨无人遥控艇航行至下一作业点，继续作业，作业宽度计算重复步骤⑥-⑧，直到作业过程结束。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种水下拖曳作业宽度自动监测系统，用于在监控室内利用水上的无人遥控艇进行水面指示浮体的监测，其特征在于，该系统包括操控台和光电测量装置，其中操控台位于监控室内，光电测量装置位于无人遥控艇的桅杆上，操控台和光电测量装置之间通过无线电台进行通信；所述操控台为通用计算机；

所述光电测量装置包括第一壳体(1)、可见光摄像机(2)、红外摄像机(3)、激光测距仪(4)、视频控制器(5)、转动平台(6)以及连接轴(7)；所述第一壳体(1)为一个封密的长方体空壳，在第一壳体(1)的一个侧面、沿其长度方向的中轴上分布有3个透光视窗，将所述可见光摄像机(2)、红外摄像机(3)和激光测距仪(4)置于第一壳体(1)内部，并分别位于所述3个透光视窗对应位置处，视频控制器(5)置于第一壳体(1)内部；所述连接轴(7)一端固连在第一壳体(1)上，另一端固连在转动平台(6)的第二壳体(12)上，连接轴(7)的轴线处于3个透光视窗所在直线的延长线上，且与转动平台的平面垂直；

所述视频控制器(5)分别与可见光摄像机(2)、红外摄像机(3)以及激光测距仪(4)相连，同时视频控制器(5)与无人遥控艇端的无线电台保持电气连接，视频控制器接收可见光摄像机(2)、红外摄像机(3)发送的视频信号，接收激光测距仪(4)发送的距离信号，将上述信号转换为网络格式；利用无人遥控艇端的无线电台将网络格式的视频图像和距离信息发送给操控台；

所述转动平台(6)固定安装在无人遥控艇端的桅杆上，所述转动平台(6)由第二壳体(12)、联轴器(8)、直流电机(9)、转动控制器(10)以及角度传感器(11)组成；所述第二壳体为长方体空壳(12)，联轴器(8)、直流电机(9)、转动控制器(10)以及角度传感器(11)均位于第二壳体(12)内部；所述联轴器(8)用于连接直流电机(9)的输出轴与所述连接轴(7)；所述直流电机(9)在转动控制器的控制下实现角度调节；所述转动控制器(10)与无人遥控艇端的无线电台连接，接收来自操控台的转动指令，驱动直流电机(9)旋转；所述角度传感器(11)用于在直流电机(9)旋转过程中实时地测量光电测量装置当前角度，并将角度测量值发送给转动控制器(10)，转动控制器(10)再将该角度值通过无线电台发送到操控台；

所述操控台通过监控室端的无线电台发出转动命令，控制转动平台转动连接轴，从而带动第一壳体(1)旋转，实现对可见光摄像机(2)和红外摄像机(3)照射范围的调整，对水面上指示浮体的进行搜索；操控台通过监控室端的无线电台接收视频图像，当在该视频图像中搜索到一个指示浮体时，操控台通过监控室端的无线电台发出停止命令，转动平台停止，角度传感器输出当前的角度测量值α，同时激光测距仪测量无人遥控艇距离当前指示浮体的距离b，α与b均发送至操控台；操控台继续通过监控室端的无线电台发出转动命令，并接收视频图像，当在该视频图像中搜索到另外一个指示浮体时，操控台通过监控室端的无线电台发出停止命令，转动平台停止，角度传感器输出当前的角度测量值β，同时激光测距仪测量无人遥控艇距离当前指示浮体的距离c，β与c均发送至操控台；操控台依据两指示浮体的两组数据α与b、β与c计算获得两指示浮体之间的宽度a：a²＝b²+c²-2bccos(β-α)。

2.如权利要求1所述的一种水下拖曳作业宽度自动监测系统，其特征在于，所述可见光摄像机(2)为1/4″彩色CCD，其规格指标为：工作波段为0.4～0.9μm，像元数为752×576，视场为水平57°×垂直43°，作用距离为目标对比度30％，能见度大于25km。

3.如权利要求1所述的一种水下拖曳作业宽度自动监测系统，其特征在于，所述红外摄像机(3)为制冷焦平面阵列探测器，其规格指标为：光谱带宽为3～5μm，像元数为：320×256，噪声等效温差为35mk，视场为水平24°×垂直18°，制冷时间小于或者等于8min。

4.如权利要求1所述的一种水下拖曳作业宽度自动监测系统，其特征在于，所述激光测距仪(4)用于测量指示浮体的距离，其规格指标为：工作波段为1.57μm；束散角为0.5mrad；重复频率为1Hz；测距精度为5米；最小测量距离为100米。