CN108945321A - 一种利用激光导航的水上无人设备 - Google Patents

Abstract

本发明的水上无人设备通过对摄像头获取的图像进行处理，排除了导引激光在水下的折射干扰或其他激光源的干扰，并通过导引激光器投射的光斑或图案识别导引指令，能够对无人设备传送复杂指令，大大提高了水上无人设备的导航精度和灵活度。

Description

一种利用激光导航的水上无人设备

技术领域

本发明涉及到水上救援技术领域，特别涉及一种利用激光导航的水上无人设备。

背景技术

目前在水上救援技术领域，通常会面对面积巨大的搜救区域，可能会遇见无法预见的恶劣环境和险情，在这种情况下，无人水上救援机器人可以替代人类实施搜救的工作，增加搜救的效率以及救援成功的可能性。现有技术中已经出现一些水上救援机器人，例如中国专利CN106240766A公开了一种水上救援机器人，装备有螺旋桨和摄像机，能够快速达到落水者前进行施救。

目前海上的无人船一般都是用遥控的方式，或者用人力去控制，由于GPS定位有误差，要达到某一准确位置时只能先用GPS引导到附近区域，再由人力遥控的方式进行更精确的控制，但是这些方式对于要控制船只到达一个目标点通常都要考验一个人的操作，有一定经验的人才能去控制好船的走向。另外，目前市面上有一些带有动力的浮板，用于海上救援，其控制方式大多也用遥控的方式。但是，如果发现海上有落水者，将浮板遥控到落水者身边并不是一件简单的事，因为风大浪大的原因，整个过程会很考验操作能力。

在陆地上，激光投射在地面上会形成较为稳定的光斑，而在海上，激光投射在水上会因为激光在水下的折射形成折射光线，该折射光线在获取的图像中会对光斑位置的判读形成很大干扰。同时，由于波浪的运动，激光投射在水上的光斑是动态而不稳定的，其形状、亮度时刻在改变，再加上可能有其他干扰光源产生的光斑，普通的激光导引设备难以在海上获得令人满意的导引效果。同时，单纯依靠激光进行导引难以实现复杂指令或组合指令的传达。

发明内容

本发明提出一种水上无人设备，包括：控制单元，所述控制单元用于对整个水上无人设备进行控制；供电单元，所述供电单元用于向水上无人设备其他单元提供电能；动力单元，所述驱动电机从所述供电单元获取电能，驱动螺旋桨前进；充气防撞单元，所述充气防撞单元布置在所述水上无人设备的外侧面，用于提高所述水上无人设备的浮力，并且以可以缓冲碰撞产生的冲击力；载重单元，所述载重单元用于存放或固定物资；定位单元，所述定位单元用于确定当前的坐标位置，并将该坐标位置发送给控制单元或通信单元；通信单元，所述通信单元与所述控制单元连接，将接收到的信号或数据传输给控制单元，并可以对外发送信号或数据。

所述水上无人设备包括图像采集单元，所述图像采集单元用于采集水上无人设备前方海面的图像，并将所述图像发送给图像处理单元。

具体地，所述图像采集单元包括摄像头和云台，所述摄像头设置在所述云台上。优选地，所述云台为自平衡云台，所述云台使得所述摄像头的视角朝向前方偏下，这样使得所述摄像头能够获取所述水上无人设备前方海面上的图像。

所述水上无人设备包括图像处理单元，用于处理所述图像采集单元发送的图像，并识别图像中的导引激光在水面上产生的光斑或图案，再通过所述光斑或图案识别导引指令。所述导引激光可以是点激光、线激光、点阵激光或者激光图案。发射导引激光的激光器安装在指挥船或者飞机上。所述导引激光的颜色为红色、桔色、亮黄色等。

所述图像处理单元包括图像预处理子单元和激光点识别子单元。所述图像预处理子单元用于识别所述导引点激光在水面上的光斑，具体地，所述图像预处理子单元保留导引激光在水面形成的光斑或图案，滤除导引激光在水下产生的折射光线。

所述激光识别子单元根据所述图像预处理子单元处理后的图像判断所述图像中水面上的光斑是否为导引激光形成的光斑，并排除非导引激光的干扰。所述导引激光器将经过编码的激光投射到所述水上无人设备前方的海面上，所述激光识别子单元通过摄像头获取的图像识别所述经过编码的导引激光，并滤除干扰激光光源形成的光斑后形成处理过后的图像。

所述导引激光器对发出的导引激光的闪烁频率进行编码。或者，所述导引激光器对发出的导引激光的光斑图案进行编码。或者，所述导引激光器对发出的导引激光的光斑运动模式进行编码。

所述图像识别单元还包括导引指令识别子单元。所述指令识别子单元将激光识别子单元处理后的图像进行处理，以识别所述图像中的导引激光在水面形成的光斑所代表的控制指令。优选地，所述指令例如包括“直行”、“向左”、“向右”、“加速”、“减速”或“停止”以及上述指令的组合。

具体地，所述导引指令识别子单元根据所述激光光斑在所述图像中的位置识别所述控制指令。或者，所述导引指令识别子单元根据所述激光光斑的图案和/或文字识别所述控制指令。

本发明的水上无人设备通过对摄像头获取的图像进行处理，排除了导引激光在水下的折射干扰或其他激光源的干扰，并通过导引激光器投射的光斑或图案识别导引指令，能够对无人设备传送复杂指令，大大提高了水上无人设备的导航精度和灵活度。

附图说明

图1是本发明的水上无人设备的导引激光照射在水面示意图；

图2是本发明的水上无人设备的激光导引示意图；

图3是本发明的水上无人设备的图像视野示意图；

图4是本发明的水上无人设备的激光投影图案示例图。

具体实施方式

以下结合具体实施例和说明书附图对本发明进行进一步解释。

在一个实施例中，本发明的水上无人设备的激光导引示意图如图2，所述水上无人设备包括水上无人船、水上救援机器人等，以水上救援机器人为例，所述水上救援机器人包括控制单元4，所述控制单元具有控制电路和存储器，在优选的实施例中，所述控制电路包括具有数据处理和计算能力的处理芯片或处理器，例如AP、MCU以及其他具有可编程功能的控制芯片，所述存储器用于对数据或指令进行存储。控制单元用于对整个水上救援机器人进行控制，接收其他单元发送的状态数据或检测数据，并对该数据进行存储或处理，并控制动力单元的动作以及通信单元的数据传输。

所述水上救援机器人还包括供电单元8，所述供电单元用于向救援机器人其他单元提供电能。本发明的供电单元包括蓄电池，所述蓄电池为可充电式蓄电池，优选地，本发明的供电单元还包括太阳能电池板，所述太阳能电池板铺设在所述救援机器人的水上部分，也可采用专门的太阳能电池板支架，所述太阳能电池板用于收集光能，产生的电流输送到所述蓄电池进行保存，以延长电池的续航时间。

所述水上救援机器人还包括动力单元，所述动力单元包括驱动电机、螺旋桨，所述驱动电机从所述供电单元获取电能，驱动所述螺旋桨前进。所述驱动单元与控制单元连接，所述控制单元发送控制指令控制驱动电机的转速和启停。进一步地，所述驱动单元至少包括两组螺旋桨，所述两组螺旋桨分为左螺旋桨6和右螺旋桨7，两组螺旋桨对称设置，所述控制单元分别控制驱动所述两组螺旋桨的驱动电机的转速和/或启停，以实现水上救援机器人的前进、停止和转向。

所述水上救援机器人还包括充气防撞单元，所述充气防撞单元布置在所述水上救援机器人的外侧面(未示出)，用于提高所述水上救援机器人的浮力，并且以可以缓冲碰撞产生的冲击力。特别地，所述充气防撞单元可以为环形的充气防撞圈或者圆形的充气防撞球。

所述水上救援机器人还包括定位单元9。所述定位单元用于确定当前的坐标位置，并将该坐标位置发送给控制单元或通信单元。具体地，所述定位单元可依赖GPS系统和/或北斗系统。

所述水上救援机器人还包括载重单元11，所述载重单元用于固定或储存物资。

所述水上救援机器人还包括无线通信单元10，所述无线通信单元与所述控制单元连接，将接收到的信号或数据传输给控制单元，同时对外发送信号或数据。所述无线通信单元可采用电磁波通信、激光通信或蓝牙通信与控制中心进行通信和数据交换。进一步地，所述无线通信单元包括天线，所述救援机器人采用无线电遥控进行操纵，用户通过无线遥控器向所述救援机器人发出无线电指令，所述救援机器人的天线接收所述无线电指令传输给控制单元，所述控制单元执行所述无线电指令。所述通信单元与控制单元连接，所述控制单元向所述通信单元发送控制指令以控制所述通信单元。

所述水上救援机器人包括图像采集单元，所述图像采集单元用于采集水上救援机器人前方海面的图像，并将所述图像发送给图像处理单元。具体地，所述图像采集单元包括摄像头1和云台2，所述摄像头设置在所述云台上。优选地，所述云台为自平衡云台，所述自平衡云台能够维持所述摄像头的视野3朝向指定方向。所述控制单元能够通过控制所述云台的转动调节所述摄像头的视角。优选地，所述云台使得所述摄像头的视角朝向前方偏下，这样使得所述摄像头能够获取所述水上救援机器人前方海面上的图像。

所述水上救援机器人包括图像处理单元5，用于处理所述图像采集单元发送的图像，并识别图像中的导引激光在水面上产生的光斑。在本实施例中，所述图像处理单元不仅要识别水面上的光斑，还需要识别该光斑是否由导引激光形成。在实际的实施过程中，所述导引激光由导引激光器发出，如图2，所述导引激光器安装在指挥船或者飞机(无人机或有人驾驶飞机)上，所述导引激光可以是点激光、线激光、点阵激光或者激光图案。所述导引激光的颜色需要与海水或天空的颜色产生显著对比，优选地，所述导引激光的颜色为红色、桔色、亮黄色等。

具体地，所述图像处理单元包括图像预处理子单元和激光点识别子单元。所述图像预处理子单元用于识别所述导引点激光在水面上的光斑。以导引激光为红色点光源为例，在实际的实施过程中，当导引激光器将导引激光投射在水上救援机器人前方的海面时，水上救援机器人的图像获取单元获取的图像中不仅仅包括导引激光在水面上的光斑，还会明显地看见导引激光在水下产生的折射光线，尤其在海水透明度较高的时候，所述水面下的折射光线会更加明显(如图1所示)，所述折射光线在图像中会随着水深逐渐消失，如果海面波浪较大，所述折射光线产生较强的畸变，对光斑的识别带来很大的干扰。所述图像预处理子单元识别所述导引激光在水面形成的光斑，并滤除所述导引激光在水中折射产生的光线，具体地，所述图像预处理子单元通过检索所述图像中的所有像素点的颜色，由于导引激光的颜色是已知的，并且与海水颜色具有显著的对比度，因此图像预处理子单元可筛选出与导引激光颜色相符的像素点，所述像素点形成一条逐渐变细的光线，进一步地，由于在图像中，所述导引激光在水中折射的光线亮度都低于所述导引激光在水面产生的光斑的亮度，因此所述图像预处理子单元可从上述筛选出的导引激光颜色相符的光线中找到亮度最大的点，并确定该亮度最大的点在图像中的像素坐标，并滤除其他剩余像素点。如果导引激光发射的是线激光、阵列激光或激光图案，其处理方式也相同，保留导引激光在水面形成的光斑或图案，滤除导引激光在水下产生的折射光线。

所述激光识别子单元根据所述图像预处理子单元处理后的图像判断所述图像中水面上的光斑是否为导引激光形成的光斑。由于在实际实施过程中，摄像头获取的图像中可能包括杂散激光或干扰激光产生的光斑，避免所述水上救援机器人受到其他光源的干扰，因为水下折射和波涛的原因，不相干光投射在水面上产生的干扰比陆地更加明显，因此经过图像预处理子单元处理过的图像能够显著提高激光识别子单元的识别效果。在优选的实施方式中，所述导引激光器将经过编码的激光投射到所述水上机器人前方的海面上，所述激光识别子单元通过摄像头获取的图像识别所述经过编码的导引激光，并滤除干扰激光光源形成的光斑后形成处理过后的图像。所述导引激光的编码可以通过以下实施方式实现。

在激光编码的第一实施例中，所述导引激光器对发出的导引激光的闪烁频率进行编码。例如，导引激光器设定闪烁频率为5Hz，由于该闪烁频率对于图像处理单元是已知的，所述激光识别子单元可以根据获取的多幅图像，例如几十幅图像中分析出导引激光闪烁的频率，以滤除其他频率闪烁或者长亮的干扰激光源。

在激光编码的第二实施例中，所述导引激光器对发出的导引激光的光斑图案进行编码。以点激光源为例，所述导引激光器可以发出3个点激光作为导引激光，所述3个点激光呈一个固定的角度关系，而该角度关系对于图像处理单元是已知的，所述激光识别子单元可以根据获取的图像分析出呈已知角度关系的3个激光点作为导引激光产生的光斑，以滤除其他频率闪烁或者长亮的干扰激光源。或者，所述导引激光器可以发出3*3的点阵激光作为导引激光，所述激光识别子单元可以根据获取的图像分析出呈已知点阵位置关系的3*3个激光点作为导引激光产生的光斑，以滤除其他频率闪烁或者长亮的干扰激光源。

在激光编码的第三实施例中，所述导引激光器对发出的导引激光的光斑运动进行编码。以点激光源为例，所述导引激光器可以让所述点激光以特殊运动轨迹在水面产生光斑，例如圆圈运动，而该运动轨迹对于图像处理单元是已知的，所述激光识别子单元可以根据获取的图像分析出作圆圈运动的激光点作为导引激光产生的光斑，以滤除其他频率闪烁或者长亮的干扰激光源。或者，所述导引激光器可以发出呈环状的线激光，所述线激光以已知的速率所外扩或缩小的运动，所述激光识别子单元可以根据获取的图像分析出该模式运动的环状激光作为导引激光产生的光斑，以滤除其他频率闪烁或者长亮的干扰激光源。

进一步地，所述图像识别单元还包括导引指令识别子单元。所述指令识别子单元将激光识别子单元处理后的图像进行处理，以识别所述图像中的导引激光在水面形成的光斑所代表的控制指令。由于去除了杂散干扰光以及激光在水下的折射，判读光斑的形状或位置以识别控制指令成为可能。优选地，所述指令例如包括“直行”、“向左”、“向右”、“加速”、“减速”或“停止”以及上述指令的组合。

在一个实施例中，所述导引指令识别子单元根据所述激光光斑在所述图像中的位置识别所述控制指令。如图3所示，所述导引指令识别子单元将摄像头的视野(即所述图像)分为左部、中部和右部，并判断所述导引激光在水面形成的光斑在所述左部、中部和右部，当所述光斑位于左部时，所述导引指令识别子单元判断所述控制指令为“向左”；当所述光斑位于右部时，所述导引指令识别子单元判断所述控制指令为“向右”；当所述光斑位于中部时，所述导引指令识别子单元判断所述控制指令为“直行”。当所述导引指令识别子单元识别出所述控制指令后，将所述控制指令发送给控制单元，所述控制单元控制所述动力单元执行所述控制指令。

另外，所述导引指令子单元还可以将摄像头的视野(即所述图像)分为上部、中部和下部，并判断所述导引激光在水面形成的光斑在所述上部、中部和下部，当所述光斑位于上部时，所述导引指令识别子单元判断所述控制指令为“加速”；当所述光斑位于下部时，所述导引指令识别子单元判断所述控制指令为“减速”；当所述光斑位于中部时，所述导引指令识别子单元判断所述控制指令为“均速”。当所述导引指令识别子单元识别出所述控制指令后，将所述控制指令发送给控制单元，所述控制单元控制所述动力单元执行所述控制指令。

进一步地，所述导引指令子单元还可以将所述图像分为更多的区域位置，以实现更复杂的组合控制指令识别，例如所述导引指令子单元将所述图像划分为3*3一共九个格，分为左上部、左中部、左下部、中上部、中部、中下部、右上部、右中部、右下部，光斑在上述位置分别代表的控制指令分别为“向左加速”、“向左均速”、“向左减速”、“直行加速”、“直行均速”、“直行减速”、“向右加速”、“向右均速”、“向右减速”，当所述导引指令识别子单元识别出所述控制指令后，将所述控制指令发送给控制单元，所述控制单元控制所述动力单元执行所述控制指令。

在一个实施例中，所述导引指令识别子单元根据所述激光光斑的图案识别所述控制指令。如图4所示，所述导引激光器投射在海面的光斑图案可以为不同方向的箭头，例如向上、向下、向左和向右的箭头，所述导引指令识别子单元将所述光斑图案与预存的控制指令图案进行匹配，匹配成功则识别其为控制指令，例如上述箭头可识别为“加速”、“减速”、“向左”、“向右”。在其他实施方式中，所述导引激光器向水面投射不同的光斑图案以代表不同的控制指令。例如图4所示，所示导引激光器投射在水面的光斑图案可以为五星，同时还可以为圆形、正方形、菱形、正六边形等不同图形，以不同的图形或图形的组合代表“直行”、“向左”、“向右”、“加速”、“减速”或“停止”以及上述指令的组合。在其他可替代的实施例中，导引激光器还可以直接将文字投射在水面形成文字光斑，例如直接投射“左”、“右”、“前”、“后”、“停”等汉字，或者“L”、“R”、“F”、“B”等英文字母替代“左”、“右”、“前”、“后”，进一步地，可以用“Q”代表加速，“S”代表减速，“P”代表停止，并上述汉字或字母进行组合以实现复杂的控制指令。

以上仅为本发明优选的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可想到变化或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水上无人设备，其包括：

控制单元，所述控制单元用于对整个水上救援机器人进行控制；

供电单元，所述供电单元用于向救援机器人其他单元提供电能；

动力单元，所述动力单元从所述供电单元获取电能，驱动水上无人设备；

其特征在于，所述水上救援机器人包括图像采集单元，所述图像采集单元用于采集水上救援机器人前方海面的图像，并将所述图像发送给图像处理单元；

图像处理单元，用于处理所述图像采集单元发送的图像，并识别导引指令。

2.如权利要求1所述的水上无人设备，其特征在于，所述图像采集单元包括摄像头和云台，所述摄像头设置在所述云台上。

3.如权利要求1所述的水上无人设备，其特征在于，所述导引激光可以是点激光、线激光、点阵激光或者激光图案，发射导引激光的激光器安装在指挥船或者飞机上。

4.如权利要求1所述的水上无人设备，其特征在于，所述图像处理单元包括图像预处理子单元、激光点识别子单元和导引指令识别子单元；所述图像预处理子单元用于识别所述导引点激光在水面上的光斑或图案；所述激光识别子单元根据所述图像预处理子单元处理后的图像判断所述图像中水面上的光斑是否为导引激光形成的光斑；所述指令识别子单元将激光识别子单元处理后的图像进行处理，以识别所述图像中的导引激光在水面形成的光斑所代表的控制指令。

5.如权利要求3所述的水上无人设备，其特征在于，所述导引激光器对发出的导引激光的闪烁频率进行编码；或者，所述导引激光器对发出的导引激光的光斑图案进行编码；或者，所述导引激光器对发出的导引激光的光斑运动模式进行编码。

6.如权利要求4所述的水上无人设备，其特征在于，所述导引指令识别子单元根据所述激光光斑在所述图像中的位置识别所述控制指令；或者，所述导引指令识别子单元根据所述激光光斑的图案和/或文字识别所述控制指令。

7.如权利要求6所述的水上无人设备，其特征在于，所述指令例如包括“直行”、“向左”、“向右”、“加速”、“减速”或“停止”以及上述指令的组合。