CN105834618A - 潜水员便携系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Marr小波滤波的潜水员便携系统，包括头部安装支架、清晰化处理设备和焊缝识别设备，所述清晰化处理设备和所述焊缝识别设备都位于所述头部安装支架上，用于分别对水下图像执行散射光消除和焊缝识别处理。通过本发明，能够为潜水员的水下焊接提供更智能化的电子辅助手段。

Description

潜水员便携系统

本发明是申请号为201510471064.4、申请日为2015年8月4日、发明名称为“潜水员便携系统”的专利的分案申请。

技术领域

本发明涉及小波滤波领域，尤其涉及一种潜水员便携系统。

背景技术

现有技术中，一般采用潜水员携带焊接设备前往水下设备的焊缝位置实施焊接，水下设备的焊接质量一方面取决于水下焊接工艺，另一方面取决于焊缝的准确识别和定位，然而，由于水下环境的复杂性，水下散射光干扰严重，凭借潜水员通过肉眼寻找焊缝，可靠性不高，间接导致水下焊接质量不稳定。

为此，需要一种水下潜水员能够佩戴的焊缝准确定位系统，在潜水员身上安装各种能够适应水下环境的焊缝定位装置乃至自动焊接装置，解放潜水员的焊接操作，去除水下散射光干扰，提高焊接的准确性，从而保证水下设备能够长期立于水面下。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种基于Marr小波滤波的潜水员便携系统，利用包括Marr小波滤波子设备、中值滤波子设备、尺度变换增强子设备、目标分割子设备和目标识别子设备的焊缝识别设备对焊缝进行准确识别，并进而自动完成焊接操作。

根据本发明的一方面，提供了一种基于Marr小波滤波的潜水员便携系统，所述便携系统包括头部安装支架、清晰化处理设备和焊缝识别设备，所述清晰化处理设备和所述焊缝识别设备都位于所述头部安装支架上，用于分别对水下图像执行散射光消除和焊缝识别处理。

更具体地，在所述基于Marr小波滤波的潜水员便携系统中，还包括：电焊钳，用于固定焊条，所述焊条为湿法涂料焊条，材料为低碳钢；安全开关，其负极导线连接到所述电焊钳；接地夹，被固定在待焊接工件上；电焊机，负极连接至所述电焊钳，正极接地；电焊钳驱动设备，与所述电焊钳连接，用于根据电焊钳驱动信号驱动所述电焊钳前往待焊接工件的焊缝位置；电焊钳驱动电机，为一直流电机，为所述电焊钳驱动设备对所述电焊钳的驱动提供动力；GPS定位设备，设置在浮标上，由电力供应设备提供电力供应，用于接收GPS卫星发送的GPS定位数据；声纳探测设备，设置在浮标上，由电力供应设备提供电力供应，用于探测所述潜水员到浮标的相对距离，并作为第一相对距离输出；超声波检测仪，设置在所述头部安装支架上，用于测量所述潜水员距离前方焊缝的距离，并作为第二相对距离输出；移动硬盘，预先存储了焊缝灰度范围和各类焊缝基准模版，所述焊缝灰度范围用于将图像中的焊缝与背景分离，所述各类焊缝基准模版为对各类基准焊缝预先进行拍摄所得到的各个图像；浮标，设置在所述潜水员的上方水面上；电力供应设备，设置在所述浮标上，包括防水密封罩、太阳能供电器件、蓄电池、切换开关和电压转换器，所述防水密封罩用于容纳所述太阳能供电器件、所述蓄电池、所述切换开关和所述电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述蓄电池分别连接，根据蓄电池的剩余电量决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压；水下拍摄设备，包括半球形防水透明罩、辅助照明子设备和CCD视觉传感器，所述半球形防水透明罩用于容纳所述辅助照明子设备和所述CCD视觉传感器，所述辅助照明子设备为所述CCD视觉传感器的水下拍摄提供辅助照明，所述CCD视觉传感器对前方目标拍摄以获得包含前方目标的水下图像；所述清晰化处理设备与所述CCD视觉传感器、所述超声波检测仪和所述辅助照明子设备分别连接，以获得所述第二相对距离和所述辅助照明亮度，并基于所述第二相对距离和所述辅助照明亮度去除所述水下图像中因为辅助照明子设备照射而在前方目标上形成的散射光成份，以获得清晰化水下图像；所述焊缝识别设备与所述清晰化处理设备和所述移动硬盘分别连接，包括Marr小波滤波子设备、中值滤波子设备、尺度变换增强子设备、目标分割子设备和目标识别子设备；所述Marr小波滤波子设备与所述CCD视觉传感器连接，用于对所述清晰化水下图像采用基于2阶Marr小波基的小波滤波处理，以滤除所述水下图像中的高斯噪声，获得小波滤波图像；所述中值滤波子设备与所述Marr小波滤波子设备连接，用于对所述小波滤波图像执行中值滤波处理，以滤除所述小波滤波图像中的水粒子散射成分，获得中值滤波图像；所述尺度变换增强子设备与所述中值滤波子设备连接，用于对所述中值滤波图像执行尺度变换增强处理，以增强图像中目标与背景的对比度，获得增强图像；所述目标分割子设备与所述尺度变换增强子设备连接，将所述增强图像中像素灰度值在所述焊缝灰度范围内的所有像素组成焊缝子图像；所述目标识别子设备与所述目标分割子设备和所述移动硬盘分别连接，将所述焊缝子图像与各类焊缝基准模版逐一匹配，输出匹配成功的焊缝基准模版对应的焊缝类型作为目标焊缝类型；ARM11处理芯片，设置在所述头部安装支架上，与所述GPS定位设备、所述声纳探测设备、所述超声波检测仪、所述水上处理设备和所述焊缝识别设备分别连接，用于在接收到所述目标焊缝类型时，启动所述GPS定位设备、所述声纳探测设备和所述超声波检测仪以接收所述GPS定位数据、所述第一相对距离和所述第二相对距离，基于所述GPS定位数据、所述第一相对距离和所述第二相对距离计算并输出焊缝定位数据，并通过电缆将所述焊缝定位数据、所述焊缝子图像和所述目标焊缝类型传输到所述水上处理设备；其中，所述ARM11处理芯片在接收到所述目标焊缝类型时，根据焊缝子图像在水下图像的相对位置确定电焊钳驱动信号。

更具体地，在所述基于Marr小波滤波的潜水员便携系统中：所述ARM11处理芯片在未接收到所述目标焊缝类型时，关闭所述GPS定位设备、所述声纳探测设备和所述超声波检测仪。

更具体地，在所述基于Marr小波滤波的潜水员便携系统中：所述Marr小波滤波子设备、所述中值滤波子设备、所述尺度变换增强子设备、所述目标分割子设备和所述目标识别子设备被集成在一块集成电路板上。

更具体地，在所述基于Marr小波滤波的潜水员便携系统中：所述头部安装支架上设置防水罩，用于容纳所述ARM11处理芯片、所述清晰化处理设备和所述焊缝识别设备。

更具体地，在所述基于Marr小波滤波的潜水员便携系统中：所述电焊钳、所安全开关、所接地夹、所电焊机、所电焊钳驱动设备和所电焊钳驱动电机都设置在所述头部安装支架上。

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基于Marr小波滤波的潜水员便携系统的结构方框图。

附图标记：1头部安装支架；2清晰化处理设备；3焊缝识别设备

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的基于Marr小波滤波的潜水员便携系统的实施方案进行详细说明。

当前，对于从事焊接工作的潜水员来说，由于水下作业的特殊环境，水下散射光干扰严重，很难通过肉眼识别到准确的焊缝位置，同时，现有技术中也缺少能够适应水下工作环境的焊缝识别设备，焊缝位置识别不准确，焊接的结果自然不够理想。

为了克服上述不足，本发明搭建了一种基于Marr小波滤波的潜水员便携系统，通过一系列能够适应水下环境的图像识别设备、图像定位设备完成水下焊缝的准确识别工作。

图1为根据本发明实施方案示出的基于Marr小波滤波的潜水员便携系统的结构方框图，所述便携系统包括头部安装支架、清晰化处理设备和焊缝识别设备，所述清晰化处理设备和所述焊缝识别设备都位于所述头部安装支架上，用于分别对水下图像执行散射光消除和焊缝识别处理。

接着，继续对本发明的基于Marr小波滤波的潜水员便携系统的具体结构进行进一步的说明。

所述便携系统还包括：电焊钳，用于固定焊条，所述焊条为湿法涂料焊条，材料为低碳钢。

所述便携系统还包括：安全开关，其负极导线连接到所述电焊钳。

所述便携系统还包括：接地夹，被固定在待焊接工件上。

所述便携系统还包括：电焊机，负极连接至所述电焊钳，正极接地。

所述便携系统还包括：电焊钳驱动设备，与所述电焊钳连接，用于根据电焊钳驱动信号驱动所述电焊钳前往待焊接工件的焊缝位置。

所述便携系统还包括：电焊钳驱动电机，为一直流电机，为所述电焊钳驱动设备对所述电焊钳的驱动提供动力。

所述便携系统还包括：GPS定位设备，设置在浮标上，由电力供应设备提供电力供应，用于接收GPS卫星发送的GPS定位数据。

所述便携系统还包括：声纳探测设备，设置在浮标上，由电力供应设备提供电力供应，用于探测所述潜水员到浮标的相对距离，并作为第一相对距离输出。

所述便携系统还包括：超声波检测仪，设置在所述头部安装支架上，用于测量所述潜水员距离前方焊缝的距离，并作为第二相对距离输出。

所述便携系统还包括：移动硬盘，预先存储了焊缝灰度范围和各类焊缝基准模版，所述焊缝灰度范围用于将图像中的焊缝与背景分离，所述各类焊缝基准模版为对各类基准焊缝预先进行拍摄所得到的各个图像。

所述便携系统还包括：浮标，设置在所述潜水员的上方水面上。

所述便携系统还包括：电力供应设备，设置在所述浮标上，包括防水密封罩、太阳能供电器件、蓄电池、切换开关和电压转换器，所述防水密封罩用于容纳所述太阳能供电器件、所述蓄电池、所述切换开关和所述电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述蓄电池分别连接，根据蓄电池的剩余电量决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压。

所述便携系统还包括：水下拍摄设备，包括半球形防水透明罩、辅助照明子设备和CCD视觉传感器，所述半球形防水透明罩用于容纳所述辅助照明子设备和所述CCD视觉传感器，所述辅助照明子设备为所述CCD视觉传感器的水下拍摄提供辅助照明，所述CCD视觉传感器对前方目标拍摄以获得包含前方目标的水下图像。

所述清晰化处理设备与所述CCD视觉传感器、所述超声波检测仪和所述辅助照明子设备分别连接，以获得所述第二相对距离和所述辅助照明亮度，并基于所述第二相对距离和所述辅助照明亮度去除所述水下图像中因为辅助照明子设备照射而在前方目标上形成的散射光成份，以获得清晰化水下图像。

所述焊缝识别设备与所述清晰化处理设备和所述移动硬盘分别连接，包括Marr小波滤波子设备、中值滤波子设备、尺度变换增强子设备、目标分割子设备和目标识别子设备；所述Marr小波滤波子设备与所述CCD视觉传感器连接，用于对所述清晰化水下图像采用基于2阶Marr小波基的小波滤波处理，以滤除所述水下图像中的高斯噪声，获得小波滤波图像；所述中值滤波子设备与所述Marr小波滤波子设备连接，用于对所述小波滤波图像执行中值滤波处理，以滤除所述小波滤波图像中的水粒子散射成分，获得中值滤波图像；所述尺度变换增强子设备与所述中值滤波子设备连接，用于对所述中值滤波图像执行尺度变换增强处理，以增强图像中目标与背景的对比度，获得增强图像；所述目标分割子设备与所述尺度变换增强子设备连接，将所述增强图像中像素灰度值在所述焊缝灰度范围内的所有像素组成焊缝子图像；所述目标识别子设备与所述目标分割子设备和所述移动硬盘分别连接，将所述焊缝子图像与各类焊缝基准模版逐一匹配，输出匹配成功的焊缝基准模版对应的焊缝类型作为目标焊缝类型。

所述便携系统还包括：ARM11处理芯片，设置在所述头部安装支架上，与所述GPS定位设备、所述声纳探测设备、所述超声波检测仪、所述水上处理设备和所述焊缝识别设备分别连接，用于在接收到所述目标焊缝类型时，启动所述GPS定位设备、所述声纳探测设备和所述超声波检测仪以接收所述GPS定位数据、所述第一相对距离和所述第二相对距离，基于所述GPS定位数据、所述第一相对距离和所述第二相对距离计算并输出焊缝定位数据，并通过电缆将所述焊缝定位数据、所述焊缝子图像和所述目标焊缝类型传输到所述水上处理设备；其中，所述ARM11处理芯片在接收到所述目标焊缝类型时，根据焊缝子图像在水下图像的相对位置确定电焊钳驱动信号。

可选地，在所述基于Marr小波滤波的潜水员便携系统中：所述ARM11处理芯片在未接收到所述目标焊缝类型时，关闭所述GPS定位设备、所述声纳探测设备和所述超声波检测仪；所述Marr小波滤波子设备、所述中值滤波子设备、所述尺度变换增强子设备、所述目标分割子设备和所述目标识别子设备被集成在一块集成电路板上；所述头部安装支架上设置防水罩，用于容纳所述ARM11处理芯片、所述清晰化处理设备和所述焊缝识别设备；所述电焊钳、所安全开关、所接地夹、所电焊机、所电焊钳驱动设备和所电焊钳驱动电机都设置在所述头部安装支架上。

可选地，所述Marr小波滤波子设备、所述中值滤波子设备、所述尺度变换增强子设备、所述目标分割子设备和所述目标识别子设备分别由不同的FPGA芯片来实现。

另外，FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，他是在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。

以硬件描述语言(Verilog或VHDL)所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flip－flop)或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

FPGA一般来说比ASIC(专用集成电路)的速度要慢，实现同样的功能比ASIC电路面积要大。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD(Complex Programmable LogicDevice，复杂可编程逻辑器件)。FPGA的开发相对于传统PC、单片机的开发有很大不同。FPGA以并行运算为主，以硬件描述语言来实现；相比于PC或单片机(无论是冯诺依曼结构还是哈佛结构)的顺序操作有很大区别。

早在1980年代中期，FPGA已经在PLD设备中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相对大数量的可编辑逻辑单元。CPLD逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间，而FPGA通常是在几万到几百万。CPLD和FPGA的主要区别是他们的系统结构。CPLD是一个有点限制性的结构。这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少量的锁定的寄存器组成。这样的结果是缺乏编辑灵活性，但是却有可以预计的延迟时间和逻辑单元对连接单元高比率的优点。而FPGA却是有很多的连接单元，这样虽然让他可以更加灵活的编辑，但是结构却复杂的多。

采用本发明的基于Marr小波滤波的潜水员便携系统，针对现有技术中水下复杂环境导致焊接困难的技术问题，以潜水员的头部安装支架为设备载体，引入清晰化处理设备去除水下散射光干扰，引入有针对性的焊缝识别设备准确识别焊缝位置，并改造水下焊接设备以实施自动焊接，从而提高水下焊接的自动化程度。

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 (2)

1.一种基于Marr小波滤波的潜水员便携系统，所述便携系统包括头部安装支架、清晰化处理设备和焊缝识别设备，所述清晰化处理设备和所述焊缝识别设备都位于所述头部安装支架上，用于分别对水下图像执行散射光消除和焊缝识别处理。

2.如权利要求1所述的基于Marr小波滤波的潜水员便携系统，其特征在于，所述便携系统还包括：

电焊钳，用于固定焊条，所述焊条为湿法涂料焊条，材料为低碳钢；

安全开关，其负极导线连接到所述电焊钳；

接地夹，被固定在待焊接工件上；

电焊机，负极连接至所述电焊钳，正极接地；

电焊钳驱动设备，与所述电焊钳连接，用于根据电焊钳驱动信号驱动所述电焊钳前往待焊接工件的焊缝位置；

电焊钳驱动电机，为一直流电机，为所述电焊钳驱动设备对所述电焊钳的驱动提供动力；

GPS定位设备，设置在浮标上，由电力供应设备提供电力供应，用于接收GPS卫星发送的GPS定位数据；

声纳探测设备，设置在浮标上，由电力供应设备提供电力供应，用于探测所述潜水员到浮标的相对距离，并作为第一相对距离输出；

超声波检测仪，设置在所述头部安装支架上，用于测量所述潜水员距离前方焊缝的距离，并作为第二相对距离输出；

移动硬盘，预先存储了焊缝灰度范围和各类焊缝基准模版，所述焊缝灰度范围用于将图像中的焊缝与背景分离，所述各类焊缝基准模版为对各类基准焊缝预先进行拍摄所得到的各个图像；

浮标，设置在所述潜水员的上方水面上；

电力供应设备，设置在所述浮标上，包括防水密封罩、太阳能供电器件、蓄电池、切换开关和电压转换器，所述防水密封罩用于容纳所述太阳能供电器件、所述蓄电池、所述切换开关和所述电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述蓄电池分别连接，根据蓄电池的剩余电量决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压；

水下拍摄设备，包括半球形防水透明罩、辅助照明子设备和CCD视觉传感器，所述半球形防水透明罩用于容纳所述辅助照明子设备和所述CCD视觉传感器，所述辅助照明子设备为所述CCD视觉传感器的水下拍摄提供辅助照明，所述CCD视觉传感器对前方目标拍摄以获得包含前方目标的水下图像；

所述清晰化处理设备与所述CCD视觉传感器、所述超声波检测仪和所述辅助照明子设备分别连接，以获得所述第二相对距离和所述辅助照明亮度，并基于所述第二相对距离和所述辅助照明亮度去除所述水下图像中因为辅助照明子设备照射而在前方目标上形成的散射光成份，以获得清晰化水下图像；

所述焊缝识别设备与所述清晰化处理设备和所述移动硬盘分别连接，包括Marr小波滤波子设备、中值滤波子设备、尺度变换增强子设备、目标分割子设备和目标识别子设备；所述Marr小波滤波子设备与所述CCD视觉传感器连接，用于对所述清晰化水下图像采用基于2阶Marr小波基的小波滤波处理，以滤除所述水下图像中的高斯噪声，获得小波滤波图像；所述中值滤波子设备与所述Marr小波滤波子设备连接，用于对所述小波滤波图像执行中值滤波处理，以滤除所述小波滤波图像中的水粒子散射成分，获得中值滤波图像；所述尺度变换增强子设备与所述中值滤波子设备连接，用于对所述中值滤波图像执行尺度变换增强处理，以增强图像中目标与背景的对比度，获得增强图像；所述目标分割子设备与所述尺度变换增强子设备连接，将所述增强图像中像素灰度值在所述焊缝灰度范围内的所有像素组成焊缝子图像；所述目标识别子设备与所述目标分割子设备和所述移动硬盘分别连接，将所述焊缝子图像与各类焊缝基准模版逐一匹配，输出匹配成功的焊缝基准模版对应的焊缝类型作为目标焊缝类型；

ARM11处理芯片，设置在所述头部安装支架上，与所述GPS定位设备、所述声纳探测设备、所述超声波检测仪、水上处理设备和焊缝识别设备分别连接，用于在接收到所述目标焊缝类型时，启动所述GPS定位设备、所述声纳探测设备和所述超声波检测仪以接收所述GPS定位数据、所述第一相对距离和所述第二相对距离，基于所述GPS定位数据、所述第一相对距离和所述第二相对距离计算并输出焊缝定位数据，并通过电缆将所述焊缝定位数据、所述焊缝子图像和所述目标焊缝类型传输到所述水上处理设备；

其中，所述ARM11处理芯片在接收到所述目标焊缝类型时，根据焊缝子图像在水下图像的相对位置确定电焊钳驱动信号；

所述ARM11处理芯片在未接收到所述目标焊缝类型时，关闭所述GPS定位设备、所述声纳探测设备和所述超声波检测仪；

所述Marr小波滤波子设备、所述中值滤波子设备、所述尺度变换增强子设备、所述目标分割子设备和所述目标识别子设备被集成在一块集成电路板上。