CN105635688A - 无人水陆两栖车水下环境探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无人水陆两栖车水下环境探测系统，适用于无人水陆两栖车的水下环境探测系统，为驾驶人提供丰富的水下视野，改善无人水陆两栖车的水上行驶效率，提高其总体作战性能。该系统包括分布在无人水陆两栖车的车体和远程控制端的视频采集模块、视频传输模块、视频显示模块和控制开关模块；在视频采集模块中，两个的水下摄像头和前视声纳安装在车底前部中间，它们的探测区域朝向车前下方向，探测区域前边缘与车底平面平行；两个侧扫声呐安装在车辆底部正中，探测角度朝向车前下方向，探测区域后边缘与车底平面垂直。探测器采集的视频信号无线传输到远程控制端的显示器上显示；控制开关模块将远程控制端的操作传递到车上，控制探测器工作与否。

Description

无人水陆两栖车水下环境探测系统

技术领域

本发明涉及运输工具的水下探测系统，特别涉及无人水陆两栖车水上行驶环境的水下探测系统，属于两栖车辆系统的无人驾驶技术领域。

背景技术

无人水陆两栖车在战场上应用广泛，其应用的地形较为复杂，包括了河流、湖泊以及近海等环境，需要经常面对水上行驶和抢滩登陆等情况。在行驶过程中，水陆两栖车如果具备水下的视野，就能够对水底的起伏、礁石的位置等进行探测和预判，以进行主动的调整避让，从而安全快速地完成作战任务。目前传统的水陆两栖车上并没有配备相应的装置，在水上行驶过程中，经常会出现因对水下情况无法知悉而导致行驶效率降低的情况。因此针对无人水陆两栖车开发一款水下环境探测系统是必要的。

目前，水下探测技术在民用和军用领域均有应用，例如民用方面的渔业和航海业和军用方面的反潜探测等。但是将这种水下探测技术应用于水陆两栖车领域并在真实的战场上发挥出有效功能，并没有过深入的研究。主要表现在：首先是探测角度的优化设计和视频显示模块的设计，目前应用于渔业和航海业的水下探测均是根据其行业需求来设计的，主要用于探测鱼群和海底地质地貌勘测，通常仅采用单独的水下探测器来进行，应用场景比较简单，而水陆两栖车有其特有的技术要求，在战场上情况复杂多变，需要对多个合适角度具备探测能力来保证探测效果，如果探测角度设计的不好，将很难有效提高行驶效率；其次是多种探测系统的匹配和优化，在渔业和航海业，在进行鱼群探测和海底地质地貌勘测时，通常要求具有较远的探测距离，所以一般主要单独采用声纳探测技术，而在反潜探测中，对成像的清晰度要求较高，探测距离要求也较远，所以一般单独采用激光探测技术，而在无人水陆两栖车领域，应用水下探测技术是为了为驾驶人提供水下视野，防止两栖车在水上行驶时触碰到水下的礁石或其他障碍物，提升其水上行驶的安全性。

那么，如何因地制宜地选择和匹配不同的探测技术，以达到优良的使用效果，在这方面还存在较大的空白。

发明内容

有鉴于此，本发提供一种无人水陆两栖车水下环境探测系统，适用于无人水陆两栖车的水下环境探测系统，为驾驶人提供丰富的水下视野，改善无人水陆两栖车的水上行驶效率，提高其总体作战性能；同时通过结合不同的水下探测技术，实现优势互补，充分发挥驾驶人的操作能力，使得适用于水陆两栖车的水下环境探测系统更加简单有效。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

该无人水陆两栖车水下环境探测系统，包括分布在无人水陆两栖车的车体和远程控制端的视频采集模块、视频传输模块、视频显示模块和控制开关模块；

所述视频采集模块由探测器组成，包括前视左侧水下摄像头、前视右侧水下摄像头、前视声纳、左侧扫声纳和右侧扫声纳；

前视左侧水下摄像头和前视右侧摄像头安装在水下摄像头支架上，水下摄像头支架安装在车底前部中间位置；前视左侧水下摄像头和前视右侧水下摄像头的拍摄角度均为60°；水下摄像头支架提供的安装面角度使得两个水下摄像头的主光轴均向车底下方偏转并与车底平面夹角为30°，且两个水下摄像头的主光轴夹角为60°，该60°主光轴夹角的角平分线平行于车辆前进方向；

前视声纳安装在车底前部中间位置，且位于水下摄像头的后部；所述前视声纳的探测角度为60°，该前视声纳的探测区域的横向角平分面与车底平面夹角为30°；

左侧扫声纳和右侧扫声呐均安装在车辆底部正中的位置；两个侧扫声纳的探测角度均为60°；左侧扫声纳和右侧扫声呐的探测区域的横向角平分面与车底平面夹角为60°，并且探测区域的后边缘与车底平面垂直；左侧扫声纳和右侧扫声呐的探测区域的纵向角平分面之间的夹角为60°；

视频传输模块包括布置于车体的视频发射装置、以及布置于远程控制端的视频接收装置，实现视频采集模块所采集视频信号的无线传输；

视频显示模块由布置在远程控制端的显示器组和视频格式转换器组成；所述显示器组包括前视左侧摄像头显示器、前视右侧摄像头显示器、前视声纳显示器、左侧扫声呐显示器和右侧扫声纳显示器；所有显示器布置在远程控制端中驾驶位的正前方；视频格式转换器将经过视频传输模块传输的视频信号进行适配后显示在显示器上；

控制开关模块包括布置在远程控制端的开关操作装置和开关信号发生发射装置，以及布置在车体的开关信号接收装置和开关动作装置；其中，开关操作装置由一系列开关组成，开关信号发生发射装置将开关操作装置上产生的操作转换成开关信号发送给开关信号接收装置；

所述开关动作装置根据所述开关信号接收装置所接收的开关信号，控制视频采集模块中探测器的工作与否。

优选地，所述开关操作装置由三个开关组成，包括所有探测器总开关、前视左侧水下摄像头和前视右侧水下摄像头的共用开关，以及前视声呐的单独开关。

优选地，所述视频传输模块中每路视频信号对应一路传输通道，每路传输通道由一个视频发射装置和一个视频接收装置组成；则5个视频发射装置均匀布置在车顶四周。

优选地，视频传输模块中的视频接收装置、视频显示模块中的视频格式转换器和控制开关模块中的开关信号发生发射装置均布置在视频显示模块中的显示器组的后方，整齐排列，所述控制开关模块中的开关信号接收装置布置在车顶中部。

优选地，所述视频传输模块中设置供电装置，从车内发电机取电，经过整流变压处理后为视频传输模块中的视频发射装置供电。

本发明技术方案与现有技术相比，具有如下特点：

(1)针对无人水陆两栖车的作业环境，从多个有效的角度对水下环境进行探测，为驾驶人提供丰富真实的视野，减少盲区，防止两栖车在水上行驶时触碰到水下的礁石或其他障碍物，提升驾驶人驾驶时的安全感，提升其水上行驶的安全性。

(2)针对无人水陆两栖车的特点，系统中综合了水下摄像头、声纳成像等不同的探测方式，使系统最大限度地发挥出探测效果。

(3)为驾驶人提供可自主调节的探测方式控制开关，增强了驾驶人的驾驶参与性，充分发挥其操作能力。

(4)系统的布置经过优化，除水下摄像头和声纳设备外，其余装置均安装于车辆顶部，能有效改善其使用环境。

(5)本系统设计方案，可以采用成熟的产品进行系统集成实现，体积小、在车辆上布置方便、可靠性高、寿命长、成本低、容易维护。

附图说明

图1为本发明实施例的系统模块连接原理图；

图2为本发明实施例的探测器布置图；(a)为立体视图；(b)为侧视图；

图3为前视声纳探测区域示意图；(a)为车底视图；(b)为侧视图；

图4为水下摄像头和侧扫声纳探测区域示意图；(a)为车底视图；(b)为侧视图；

图5为本发明实施例的视频显示器组布置图；

图6为本发明实施例的水下环境探测控制流程图；

其中：

1-前视右侧水下摄像头、2-水下摄像头支架、3-前视左侧水下摄像头、4-前视声纳、5-右侧扫声呐、6-左侧扫声纳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

无人水陆两栖车在水上行驶时，障碍物主要来自于车辆的前方和下方，因此探测系统的探测角度应该包括车辆前方视野和车辆下方视野，这两部分视野能基本保证预计的探测效果；车辆前方视野作为驾驶人的主要视野，需要具有良好的成像质量和成像的可靠性，考虑到激光探测技术在水下应用过于复杂，因此选择水下摄像头和前视声纳的组合型式，水下摄像头在水质清澈时成像清晰，前视声纳能在水质浑浊时保证前方视野的可靠性；此外，车辆下方视野需要具有较远的探测距离，这一点在车辆进行深水行驶时比较重要，因此选择侧扫声呐的型式。

根据上述对无人水陆两栖车水下探测系统应用目的的分析，如图1所示，本发明的无人水陆两栖车水下环境探测系统由视频采集模块、视频传输模块、视频显示模块、远程操控模块和控制开关模块组成。

视频采集模块有探测器组成，布置在车体上，用于两栖车行驶时水下环境的采集，为驾驶人提供各个方向的探测角度。视频采集模块中各角度探测器的布置设计方案如图2所示。前视左侧水下摄像头3和前视右侧摄像头1安装在水下摄像头支架2上，水下摄像头支架2安装在车底前部中间位置。此两个水下摄像头的拍摄角度均为60°。如图4所示，对水下摄像头支架2的安装面角度进行设计，使得满足如下两个条件：条件1、保证两个水下摄像头的主光轴均向车底下方偏转，并与车底平面夹角为30°，使得探测区域的上边缘与车底平行；条件2、保证前视左侧水下摄像头3和前视右侧摄像头1主光轴夹角为60°，该60°主光轴夹角的角平分线平行于车辆前进方向，从而实现对水下摄像头探测区域的充分利用。

前视声纳4安装在车底前部中间位置，临近水下摄像头位于其后部。如图3所示，此前视声纳的探测角度为60°，为了充分利用前视声纳的探测区域，安装时保证其探测区域的横向角平分面与车底平面夹角为30°，使得探测区域的上边缘与车底平行。

左侧扫声纳6和右侧扫声呐5均安装在车辆底部正中的位置。如图4所示，此两个侧扫声纳的探测角度为60°。安装时保证左侧扫声纳6和右侧扫声呐5探测区域的纵向角平分面之间的夹角为60°。此外，为了保证侧扫声纳车辆下方角度的探测能够预先把水底情况提供给驾驶人，使其探测车底下方偏前的区域，安装时保证左侧扫声纳6和右侧扫声呐5的探测区域的横向角平分面与车底平面夹角均为60°，而且两个侧扫声呐探测区域的后边缘与车底垂直。

视频传输模块包括视频发射装置和视频接收装置，实现视频的无线传输。视频发射装置布置于车体，视频接收装置布置于远程控制端。本实施例中，每路视频对应一路传输通道，共5路。每路传输通道由一个视频发射装置和一个视频接收装置组成，则5个视频发射装置均匀布置在车顶四周。优选地，本实施例的视频传输模块采用供电装置从车辆发电机取电，经过整流变压处理后进行视频发射装置的供电。5路传输通道的5个视频接收装置整齐摆放在驾驶人所在区域。视频采集模块采集到的视频信号传输到视频发射装置进行无线发射，再由视频接收装置实现远端接收。

视频显示模块包括视频格式转换器和显示器组，它们均布置在远程控制端。车体上安装的每个探测器均对应一个显示器，具体包括左侧扫声呐显示器、前声呐显示器、右侧扫声呐显示器、前视左侧摄像头显示器、前视右侧摄像头显示器。其中，所有显示器布置在驾驶位正前方，显示器通过视频格式转换器与各摄像头和声呐输出的视频信号相匹配。视频格式转换器将经过视频传输模块传输的视频信号进行适配后显示在显示器上。

如图5所示，为了方便监视，可以将显示器布置为两行，其中，在上面一行中，前视声呐显示器布置在正中间，左侧扫声呐显示器和右侧扫声呐显示器布置在其两侧。前视左侧摄像头显示器和前视右侧摄像头显示器相邻布置在以上三个显示器的正下方，两个摄像头显示器分列在中间线的左侧和右侧。以上显示器的屏幕比例均为4:3，屏幕对角线尺寸为19英寸。

控制开关模块包括开关操作装置、开关信号发生发射装置、开关信号接收装置和开关动作装置。其中，开关操作装置和开关信号发生发射装置布置在远程控制端，开关信号接收装置和开关动作装置布置在车体。

其中，开关操作装置由一系列开关组成，这些开关布置在驾驶人方便操作的前方位置；开关信号发生发射装置布置在驾驶人所在区域，以不影响驾驶人的操作为宜。开关信号发生发射装置将开关操作装置上产生的操作转换成开关信号发送给开关信号接收装置。开关动作装置根据所述开关信号接收装置所接收的开关信号，控制视频采集模块中探测器的工作与否。本优选实施例中，开关操作装置包括三个开关，分别为所有探测器总开关、前视左侧水下摄像头和前视右侧水下摄像头的共用开关、前视声呐的单独开关，分别用于控制所有探测器的开/关，前视左侧水下摄像头和前视右侧水下摄像头的开/关，前视声呐的开/关。

此外，视频传输模块中的各视频接收装置、视频显示模块中的视频格式转换器和控制开关模块中的开关信号发生发射装置均布置在视频显示模块显示器组的后方，整齐排列。控制开关模块中的开关信号接收装置布置在车顶中部。

本发明实施例采用了无人水陆两栖车1:5模型作为安装平台。

前视左侧水下摄像头和前视右侧水下摄像头采用的是一款18:1变焦透镜、540TVL/H的水下探测器；前视声纳为480x380的低分辨率声纳设备；左、右侧扫声纳采用装备CHIRP调频技术的800x600的高分辨率声纳设备。

本实施例中，视频传输模块采用功率为5W的1.2GHz无线图像传输设备，在较为空旷的自然环境传输距离能够达到300米以上。

在开始进行水下环境探测时，通过开关的控制，可以首先同时开启前视左侧和前视右侧水下摄像头、前视声纳和左、右侧扫声纳，令所有探测器工作。

然后，根据摄像头拍摄画面所显示的水质情况进行判断：若水质很好，水下摄像头可以对十米之外的目标进行水下探测，则通过开关的控制，可以关闭前视声纳；若水的浑浊度过高，摄像头能见度低于1米时，可改用前视声纳进行探测；在行驶过程中，驾驶人可根据水下情况进行实时切换；如果水陆两栖车前方或下方有影响其行驶的目标，可通过侧扫声呐进行粗略识别并进行避障行驶。

当结束水下环境探测时，通过开关控制，关闭所有探测器。

上述利用水下环境探测系统进行控制的流程如图6所示。

综上所述，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 (5)

1.一种无人水陆两栖车水下环境探测系统，其特征在于：包括分布在无人水陆两栖车的车体和远程控制端的视频采集模块、视频传输模块、视频显示模块和控制开关模块；

所述视频采集模块由探测器组成，包括前视左侧水下摄像头(3)、前视右侧水下摄像头(1)、前视声纳(4)、左侧扫声纳(6)和右侧扫声纳(5)；

前视左侧水下摄像头(3)和前视右侧摄像头(1)安装在水下摄像头支架(2)上，水下摄像头支架(2)安装在车底前部中间位置；前视左侧水下摄像头(3)和前视右侧水下摄像头(1)的拍摄角度均为60°；水下摄像头支架(2)提供的安装面角度使得两个水下摄像头的主光轴均向车底下方偏转并与车底平面夹角为30°，且两个水下摄像头的主光轴夹角为60°，该60°主光轴夹角的角平分线平行于车辆前进方向；

前视声纳(4)安装在车底前部中间位置，且位于水下摄像头的后部；所述前视声纳(4)的探测角度为60°，该前视声纳(4)的探测区域的横向角平分面与车底平面夹角为30°；

左侧扫声纳(6)和右侧扫声呐(5)均安装在车辆底部正中的位置；两个侧扫声纳的探测角度均为60°；左侧扫声纳(6)和右侧扫声呐(5)的探测区域的横向角平分面与车底平面夹角为60°，并且探测区域的后边缘与车底平面垂直；左侧扫声纳(6)和右侧扫声呐(5)的探测区域的纵向角平分面之间的夹角为60°；

视频传输模块包括布置于车体的视频发射装置、以及布置于远程控制端的视频接收装置，实现视频采集模块所采集视频信号的无线传输；

视频显示模块由布置在远程控制端的显示器组和视频格式转换器组成；所述显示器组包括前视左侧摄像头显示器、前视右侧摄像头显示器、前视声纳显示器、左侧扫声呐显示器和右侧扫声纳显示器；所有显示器布置在远程控制端中驾驶位的正前方；视频格式转换器将经过视频传输模块传输的视频信号进行适配后显示在显示器上；

控制开关模块包括布置在远程控制端的开关操作装置和开关信号发生发射装置，以及布置在车体的开关信号接收装置和开关动作装置；其中，开关操作装置由一系列开关组成，开关信号发生发射装置将开关操作装置上产生的操作转换成开关信号发送给开关信号接收装置；

所述开关动作装置根据所述开关信号接收装置所接收的开关信号，控制视频采集模块中探测器的工作与否。

2.如权利要求1所述的无人水陆两栖车水下环境探测系统，其特征在于：所述开关操作装置由三个开关组成，包括所有探测器总开关、前视左侧水下摄像头和前视右侧水下摄像头的共用开关，以及前视声呐的单独开关。

3.如权利要求1所述的无人水陆两栖车水下环境探测系统，其特征在于：所述视频传输模块中每路视频信号对应一路传输通道，每路传输通道由一个视频发射装置和一个视频接收装置组成；则5个视频发射装置均匀布置在车顶四周。

4.如权利要求1所述的无人水陆两栖车水下环境探测系统，其特征在于：视频传输模块中的视频接收装置、视频显示模块中的视频格式转换器和控制开关模块中的开关信号发生发射装置均布置在视频显示模块中的显示器组的后方，整齐排列，所述控制开关模块中的开关信号接收装置布置在车顶中部。

5.如权利要求1所述的无人水陆两栖车水下环境探测系统，其特征在于：所述视频传输模块中设置供电装置，从车内发电机取电，经过整流变压处理后为视频传输模块中的视频发射装置供电。