CN105197207A - 一种具有双目视觉的搜救水下机器人装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双目视觉的搜救水下机器人装置，其包含：水面控制单元；水下本体，其电子舱设置在一框架内，其通过一脐带缆与所述的水面控制单元通信连接和电力供给；其中，所述的水下本体包含：传感器系统，其包含设置在水下本体前方的用于采集水下目标的视频信息的左右摄像机；水下主控系统，其分别连接所述的传感器系统和水面控制单元；水下主控系统将视频信息和水下本体状态相关的传感器信息上传给水面控制单元，水面控制单元解析这些信息数据并结合人为操控，输出远程控制指令至水下主控系统以控制水下本体完成精细作业。其优点是：其通过左右摄像机对空间目标进行三维重建，可完成更精准的进行水下现场作业，提高作业的精度和效率。

Description

一种具有双目视觉的搜救水下机器人装置

技术领域

本发明涉及水下作业设备，具体涉及一种具有双目视觉的搜救水下机器人装置。

背景技术

作为人类研究和开发海洋的得力助手，水下机器人在海洋工程领域正扮演着越来越重要的角色，尤其在海底电缆铺设、海底搜救和海底军事设施维护等工程领域，水下机器人能够在潜水员不可能到达的深度进行综合考察和研究，并能完成各种作业任务，在海洋开发中发挥着极其重要的作用。

但是未知多变的海洋环境比陆地环境复杂得多，加上水下机器人自身存在强耦合、非线性、欠驱动及模型不确定性，使得有效控制成为技术难点。

水下机器人按控制方式划分，主要有遥控水下机器人ROV（RemotelyOperatedVehicle）和自治水下机器人AUV（AutonomousUnderwaterVehicle），凭借遥控水下机器人的低成本、控制简便性和信息交互实时性好，以及能满足作业机械手和复杂水下探测设备的电力需求，从而在决策和作业水平上，仍是当今使用最广且最为重要的水下勘探和侦查设备。

就遥控水下机器人而言，包括水面控制单元和水下本体两部分，水面控制单元主要用于执行水面操作人员的手动操控，控制水下本体的运动和具体水下作业任务的执行，水下本体能将水下环境的局部信息和自身的所有状态信息上传至水面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有双目视觉的搜救水下机器人装置，其增加了左右摄像机，使得可以通过视频信息构建双目视觉，并更具三维坐标信息对空间目标进行三维重建，从而更精准的进行水下现场作业，提高作业效率和精度。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种具有双目视觉的搜救水下机器人装置，其特征是，包含：

水面控制单元；

水下本体，其电子舱设置在一框架内，其通过一脐带缆与所述的水面控制单元通信连接和电力供给；

其中，所述的水下本体包含：

传感器系统，其包含设置在水下本体前方的用于采集水下目标的视频信息的左右摄像机；

水下主控系统，其分别连接所述的传感器系统和水面控制单元；水下主控系统将视频信息和水下本体状态相关的传感器信息上传给水面控制单元，水面控制单元解析这些信息数据并结合人为操控，输出远程控制指令至水下主控系统以控制水下本体完成精细作业。

上述的具有双目视觉的搜救水下机器人装置，其中：

所述的传感器系统还包含：实时采集水下本体周围水下环境信息的声纳组件；

所述的水下本体还包含：用于驱动水下本体运动的动力驱动系统，其连接所述的水下主控系统；水下主控系统也可根据水下环境信息，输出运动控制指令至动力驱动系统，实现水下本体的自主避障。

上述的具有双目视觉的搜救水下机器人装置，其中，所述的声纳组件包含：

测距声纳，其设置于水下本体前端上方，其在水下作业时测量前方目标或障碍物的距离数据，并将距离数据通过水下主控系统传送给水面控制单元进行处理；

前视声纳，其设置于水下本体前端上方，其在水下作业时测量同一水平面周围目标或障碍物的状况，并将图像数据通过水下主控系统传送给水面控制单元进行处理。

上述的具有双目视觉的搜救水下机器人装置，其中,所述的动力驱动系统包含：

垂向推进器，其设置于水下本体框架横剖面的左右两侧，控制水下本体进行潜浮和横摇运动；

艉部推进器，其设置于水下本体框架艉部的左右两侧，控制水下本体进行进退和艏向运动。

上述的具有双目视觉的搜救水下机器人装置，其中，所述的水下本体还包含：

抓斗，其连接所述的水下主控系统，水下主控系统根据水面控制单元的远程控制指令控制其进行各种精细操作。

上述的具有双目视觉的搜救水下机器人装置，其中，所述的水面控制单元包含：

水面主控系统，其包含：可编程逻辑控制器、工控机以及电源模组；可编程逻辑控制器连接所述的工控机，用于接收并处理操纵面板的操纵数据，并将获得的数据传送给工控机；工控机用于接收可编程逻辑控制器采集的操控面板的操纵数据，并按通讯协议，由脐带缆下传至水下本体；

第一脐带缆接口板，其输出端通过所述的脐带缆与水下本体的输入端连接，其输入端与水面主控系统的输出端连接；

LCD显示器，其输入端连接所述工控机的VGA输出端，工控机解析由脐带缆发送过来的水下本体状态信息，并传送给LCD显示器进行实时显示；

操控面板，其包含数字开关、模拟操控组件和输出接口组件，数字开关和模拟操控组件分别连接所述的可编程逻辑控制器，输出接口组件分别连接所述的第一脐带缆接口板与工控机；

水面功率分配板，其输出端分别连接所述的水面主控系统、LCD显示器和操控面板，其输入端连接所述的第一脐带缆接口板；所述的电源模组通过水面功率分配板和水下功率分配板为整个系统提供动力源。

上述的具有双目视觉的搜救水下机器人装置，其中，所述的水下本体还包含：

第二脐带缆接口板，其输入端通过所述的脐带缆连接所述水面控制单元的输出端，其输出端与所述水下主控系统和水下功率分配板的输入端连接；

LED照明，其连接所述的水下主控系统，用于为水下本体执行作业任务提供照明；

水下功率分配板，其输出端分别连接所述的水下主控系统、LED照明、抓斗、动力驱动系统以及传感器系统。

本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明水下机器人装置在水下搜救，操作人员不仅可以根据普通视频图像进行判断，还能通过左右摄像机的视频信息构建双目视觉，根据获得的三维坐标信息，对空间目标进行三维重建，获取目标的几何外形及参数，尤其在进行精细作业时，可更精准的进行水下现场作业，提高作业的精度和效率；

另外，本发明的水下本体的水下主控系统能根据前视声纳和测距声纳所探测的图像和距离数据，判断出水下机器人在水下作业时周围环境的障碍物分布，并输出运动控制指令，从而实现自主避障。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示；一种具有双目视觉的搜救水下机器人装置，其包含：水面控制单元以及水下本体。

水下本体的电子舱设置在一框架内，其通过一脐带缆与所述的水面控制单元通信连接和电力供给；其具体包含：传感器系统10，其包含设置在水下本体前方的用于采集水下目标的视频信息的左右摄像机105、实时采集水下本体周围水下环境信息的声纳组件；水下主控系统7，其分别连接所述的传感器系统10和水面控制单元，水下主控系统7将视频信息和水下本体状态相关的传感器信息上传给水面控制单元，水面控制单元解析这些信息数据并结合人为操控，输出远程控制指令至水下主控系统7以控制水下本体完成精细作业；用于驱动水下本体运动的动力驱动系统9，其连接所述的水下主控系统7，水下主控系统7也可根据水下环境信息，输出运动控制指令至动力驱动系统9，实现水下本体的自主避障；抓斗76，其连接所述的水下主控系统7，水下主控系统7根据水面控制单元的远程控制指令控制其进行各种精细操作；第二脐带缆接口板6，其输入端通过所述的脐带缆连接所述水面控制单元的输出端，其输出端与所述水下主控系统7的输入端连接；LED照明75，其连接所述的水下主控系统，用于为水下本体执行作业任务提供照明；水下功率分配板8，其输出端分别连接所述的水下主控系统7、LED照明75、抓斗76、动力驱动系统9以及传感器系统10，其输入端连接所述的第二脐带缆接口板6。

本发明的具体工作原理是，左右摄像机105对水下目标进行扫描，获得水下目标的视频信息；水面主控系统1的工控机11根据左右摄像机105采集的视频信息包括双目视觉信号以及三维坐标信息对空间目标进行三维重建，获得目标的几何外形及参数；操作人员可根据获得的目标几何外形及参数，通过操控面板4向水面主控系统1发送操作指令，远程控制水下本体进行精细作业，整个过程中，水下本体都可在传感器系统10、水下主控系统7以及动力驱动系统9的配合下实现自主避障，避免作业时的机体受损。

上述声纳组件具体包含：测距声纳101，其设置于水下本体前端上方，其在水下作业时测量前方目标或障碍物的距离数据，并将距离数据通过水下主控系统7传送给水面控制单元进行处理；前视声纳103，其设置于水下本体前端上方，其在水下作业时测量同一水平面周围目标或障碍物的状况，并将图像数据通过水下主控系统7传送给水面控制单元进行处理。

上述动力驱动系统9具体包含：垂向推进器91，其设置于水下本体框架横剖面的左右两侧，控制水下本体进行潜浮和横摇运动；艉部推进器92，其设置于水下本体框架艉部的左右两侧，控制水下本体进行进退和艏向运动。

本实施例中，所述的传感器系统10还包含：压力传感器102，其设置于水下本体的后端下方，检测水下本体所处深度，将深度数据通过水下主控系统7上传至水面控制单元；陀螺仪104，其设置于水下本体的舱体内部，测量水下本体的艏向角速度，并将所获得的角速度数据通过水下主控系统7上传至水面控制单元；电子罗盘106，其设置于水下本体的舱体内部，测量水下本体的艏向角、纵倾角和横摇角，并将所获得的方位数据通过水下主控系统7上传至水面控制单元；电压电流传感器107，其设置于水下本体的舱体内部，实时测量水下本体各部分工作的电压和电流信息，通过水下主控系统7上传至水面控制单元；高度计108，其实时测量水下本体所处高度，将高度数据通过水下主控系统7上传至水面控制单元。

本实施例中，所述的水下主控系统7具体包含：嵌入式主控板71，其上传传感器系统10的传感器数据至水面控制单元，接收水面的远程控制指令，进行解析后输出相应的运动控制指令到数据采集板72，数据采集板72连接嵌入式主控板71，接收传感器系统10的数字和模拟的传感器数据并传送至嵌入式主控板71，并将运动控制指令输出至水下本体的动力驱动系统9；多串口板73，其连接嵌入式主控板71，接收传感器系统10的RS485和RS232的传感器数据并传送至嵌入式主控板71，并通过脐带缆连接水面控制单元；电源板74，用于嵌入式主控板71的供电。

所述的水面控制单元包含：水面主控系统1、第一脐带缆接口板2、水面功率分配板5、LCD显示屏3以及控制面板4。

水面主控系统由可编程逻辑控制器12、工控机11以及电源模组13组成；可编程逻辑控制器12连接所述的工控机11，用于接收并处理操纵面板4的操纵数据，并将获得的数据传送给工控机11；工控机11用于接收可编程逻辑控制器12采集的操控面板4的操纵数据，并按通讯协议，由脐带缆下传至水下本体。

第一脐带缆接口板2的输出端通过所述的脐带缆与水下本体的输入端连接，输入端与水面主控系统1的输出端连接。

LCD显示器3的输入端连接所述工控机11的VGA输出端，工控机11解析由脐带缆发送过来的水下本体状态信息，并传送给LCD显示器3进行实时显示。

操控面板4包含数字开关41、模拟操控组件42和输出接口组件43，数字开关41和模拟操控组件42分别连接所述的可编程逻辑控制器12，输出接口组件43分别连接所述的第一脐带缆接口板2与工控机11；水面功率分配板5，其输出端分别连接所述的水面主控系统1、LCD显示器3和操控面板4，其输入端连接所述的第一脐带缆接口板2。

电源模组13通过水面功率分配板5和水下功率分配板8为整个系统提供动力源。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种具有双目视觉的搜救水下机器人装置，其特征在于，包含：

水面控制单元；

水下本体，其电子舱设置在一框架内，其通过一脐带缆与所述的水面控制单元通信连接和电力供给；

其中，所述的水下本体包含：

传感器系统（10），其包含设置在水下本体前方的用于采集水下目标的视频信息的左右摄像机（105）；

水下主控系统（7），其分别连接所述的传感器系统（10）和水面控制单元；水下主控系统（7）将视频信息和水下本体状态相关的传感器信息上传给水面控制单元，水面控制单元解析这些信息数据并结合人为操控，输出远程控制指令至水下主控系统（7）以控制水下本体完成精细作业。

2.如权利要求1所述的具有双目视觉的搜救水下机器人装置，其特征在于，其中：

所述的传感器系统（10）还包含：实时采集水下本体周围水下环境信息的声纳组件；

所述的水下本体还包含：用于驱动水下本体运动的动力驱动系统（9），其连接所述的水下主控系统（7）；水下主控系统（7）也可根据水下环境信息，输出运动控制指令至动力驱动系统（9），实现水下本体的自主避障。

3.如权利要求2所述的具有双目视觉的搜救水下机器人装置，其特征在于，所述的声纳组件包含：

测距声纳（101），其设置于水下本体前端上方，其在水下作业时测量前方目标或障碍物的距离数据，并将距离数据通过水下主控系统（7）传送给水面控制单元进行处理；

前视声纳（103），其设置于水下本体前端上方，其在水下作业时测量同一水平面周围目标或障碍物的状况，并将图像数据通过水下主控系统（7）传送给水面控制单元进行处理。

4.如权利要求2所述的具有双目视觉的搜救水下机器人装置，其特征在于,所述的动力驱动系统（9）包含：

垂向推进器（91），其设置于水下本体框架横剖面的左右两侧，控制水下本体进行潜浮和横摇运动；

艉部推进器（92），其设置于水下本体框架艉部的左右两侧，控制水下本体进行进退和艏向运动。

5.如权利要求2所述的具有双目视觉的搜救水下机器人装置，其特征在于，所述的水下本体还包含：

抓斗（76），其连接所述的水下主控系统（7），水下主控系统（7）根据水面控制单元的远程控制指令控制其进行各种精细操作。

6.如权利要求1或2所述的具有双目视觉的搜救水下机器人装置，其特征在于，所述的水面控制单元包含：

水面主控系统（1），其包含：可编程逻辑控制器（12）、工控机（11）以及电源模组（13）；可编程逻辑控制器（12）连接所述的工控机（11），用于接收并处理操纵面板（4）的操纵数据，并将获得的数据传送给工控机（11）；工控机（11）用于接收可编程逻辑控制器（12）采集的操控面板（4）的操纵数据，并按通讯协议，由脐带缆下传至水下本体；

第一脐带缆接口板（2），其输出端通过所述的脐带缆与水下本体的输入端连接，其输入端与水面主控系统（1）的输出端连接；

LCD显示器（3），其输入端连接所述工控机（11）的VGA输出端，工控机（11）解析由脐带缆发送过来的水下本体状态信息，并传送给LCD显示器（3）进行实时显示；

操控面板（4），其包含数字开关（41）、模拟操控组件（42）和输出接口组件（43），数字开关（41）和模拟操控组件（42）分别连接所述的可编程逻辑控制器（12），输出接口组件（43）分别连接所述的第一脐带缆接口板（2）与工控机（11）；

水面功率分配板（5），其输出端分别连接所述的水面主控系统（1）、LCD显示器（3）和操控面板（4），其输入端连接所述的第一脐带缆接口板（2）；

所述的电源模组（13）通过水面功率分配板（5）和水下功率分配板（8）为整个系统提供动力源。

7.如权利要求5所述的具有双目视觉的搜救水下机器人装置，其特征在于，所述的水下本体还包含：

第二脐带缆接口板（6），其输入端通过所述的脐带缆连接所述水面控制单元的输出端，其输出端与所述水下主控系统（7）和水下功率分配板（8）的输入端连接；

LED照明（75），其连接所述的水下主控系统，用于为水下本体执行作业任务提供照明；

水下功率分配板（8），其输出端分别连接所述的水下主控系统（7）、LED照明（75）、抓斗（76）、动力驱动系统（9）以及传感器系统（10）。