CN109476365B - 具有用于定位和趋近水下对象以进行成像的多模式操作的飞行水下成像器 - Google Patents

具有用于定位和趋近水下对象以进行成像的多模式操作的飞行水下成像器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种飞行水下成像器装置，其在两个模式即拖拽模式和自由飞行模式中操作。在用于定位水下对象的所述拖拽模式中，成像器装置打开可折叠翼片以当所述翼片产生负向浮力时保持被压低于水面以下。否则，中性浮力特性将所述成像器装置带回到水面。在用于趋近和成像水下对象的所述自由飞行模式中，所述成像器装置闭合所述可折叠翼片并且使用推进器移动到对所述水下对象成像的位置中。

Description

具有用于定位和趋近水下对象以进行成像的多模式操作的飞 行水下成像器
技术领域
本发明大体上涉及水下装置，且更具体来说，涉及具有用于定位和趋近水下对象以进行成像的多模式操作的飞行水下成像器。
相关申请案的交叉参考
本申请案依据专利法主张Li Fang在2016年8月9日申请的标题为“具有凹陷拖带和自由飞行模式的远程操作载具(REMOTELY OPERATED VEHICLE WITH SWITCHABLEDEPRESSED TOW AND FREE FLY MODES)”的美国申请案第62/372,619号的优先权益，其内容特此以全文引用的方式并入。
背景技术
勘测船部署水下设备以考察水下对象。举例来说，图1A是说明被根据常规技术的拖船101牵拉的扫描式声纳换能器(或拖拽式声纳换能器(tow fish))110A的示意图。声纳换能器110A使用长程技术例如回波定位识别关注对象。加重拖缆199A将声纳换能器110A保持潜入水中以进行回波定位操作，所述声纳换能器可能由于拖船101移动而被带出水面。声纳换能器110A的负浮力还促进潜入水中。
一旦识别关注对象102以进行考察，就将声纳换能器110A牵引回到拖船101，与拖缆199B断开连接，并且置换成远程操作载具(ROV)110B，如图1B中所示。通常断开拖缆199B以允许用于导航的中性浮力，这也是因为用于ROV 110B的数据线不同于声纳换能器110A的数据线，且焦点集中于数据传送而非加重声纳换能器110A。对象102示出为显示装置中的低质量声纳图像130A中的关注对象，所述声纳换能器110A不配备有考察对象102必需的自动导向和成像装置。另一方面，ROV 110B可显示高质量图像130B，但不适用于以较高速度行驶并且不具有长程辨识能力。
问题是，常规转变过程可耗时小时左右，且一旦考察完成，就必需逆向部署以继续声纳勘测。在ROV 110B部署到坐标时通过水流重新定位动态对象(例如不系结到地形中的主体)。这可导致部署停滞不前和考察较不彻底。此外，多个装置存储和维持于拖船101的有限占据面积上。此外，声纳换能器110A的负向浮力与ROV 110B的中性浮力相互排斥。
因此，需要稳健性新装置，例如具有用于定位和趋近水下对象以进行成像的多模式操作的飞行水下成像器。
发明内容
通过具有用于定位和趋近水下对象以进行成像的多模式操作的飞行水下成像器的系统、方法和非暂时性源代码解决上述缺点。
在一个实施例中，一种飞行水下成像器装置在两个模式即拖拽模式和自由飞行模式中操作。在用于定位水下对象的所述拖拽模式中，成像器装置打开可折叠翼片以用负向浮力保持被压低于水面以下。否则，中性浮力特性将所述成像器装置带回到水面。在用于趋近和成像水下对象的所述自由飞行模式中，所述成像器装置闭合所述可折叠翼片并且使用推进器移动到对所述水下对象成像的位置中。因此，在运动期间翼片产生负向浮力，而当減速或停止运动时，让位于中性浮力。
有利地，具有单个部署的单个新类型的装置当对水下对象成像时节省时间、费用、人工劳动和空间。可密切结合视频馈送立即考察长程雷达识别的关注对象。
附图说明
在下图中，相同参考编号用于指代相同元件。虽然下图描绘本发明的各种实例，但本发明不限于图中描绘的实例。
图1A是说明根据现有技术的扫描式声纳换能器的示意图。
图1B是说明根据现有技术的ROV的示意图。
图2A是说明根据一实施例的处于目标识别的拖拽模式中的飞行水下成像器的示意图。
图2B是说明根据一实施例的图2A的处于目标趋近和成像的自由飞行模式中的飞行水下成像器的示意图。
图3是根据一实施例的处于翼片展开的拖拽模式中的飞行水下成像器的透视图。
图4A-4B是根据一些实施例的处于翼片折叠的自由飞行模式中的飞行水下成像器的各个透视图。
图5A-5B是说明根据一些实施例的定位和趋近水下对象以进行成像的飞行水下成像器的计算装置的框图。
图6是说明根据一实施例的用于控制用于定位和趋近水下对象以进行成像的多个模式的方法的流程图。
具体实施方式
本发明提供用于具有用于定位和趋近水下对象以进行成像的多模式操作的飞行水下成像器的装置和相关方法、非暂时性源代码。
图2A是说明根据一实施例的处于目标识别的拖拽模式中的飞行水下成像器210的示意图。水下成像环境200包含拖船201、飞行水下成像器210和水下对象202。其它变化形式是可能的，例如多个飞行水下飞行成像器、多个水下对象和替代性水下地形。相比之下，图2B说明用于趋近和成像所选择的水下对象的自由飞行模式。
在图2A的拖拽模式中，拖船201以特定速度牵引飞行水下成像器210。水下对象202经声纳成像，如位于拖船201的甲板上的计算机上的显示装置上所显示230A。在展开和成角度的翼片位置，结合拖船201的推进产生负向浮力的按压力以抵消飞行水下成像器210中固有的中性浮力。因此，不必需加重缆绳来维持潜入水中。
在图2B的自由飞行模式中，拖船201可出现停止或减速。也可在拖缆299A上释放额外长度以适应飞行水下成像器210的移动。自动导向或远程控制导航缩短考察水下对象202的距离。飞行水下成像器210达到接近于水下对象202并且开始以较高分辨率230B拍照或流式传输视频。
拖缆299B是用于拖船201上的计算机和飞行水下成像器210机载的计算机之间的数据传送的通信媒体。举例来说，捻线对(twister pair)执行使用以太网协议的数据传输。拖缆299B连接到为刚性且具适当强度的拖杆。
图3是根据一实施例的处于翼片310展开的拖拽模式中的飞行水下成像器210的透视图。滑轮系统延伸以允许用以保持翼片310折叠的缆索拉长并打开将翼片310附接到框架的铰链。在特定角度处的伸展的翼片将拖船的推进力转化为飞行水下成像器210上的向下压力以保持低于水面。相比之下，图4示出具有当返回到拖拽模式时收缩以将翼片折叠的缆索的水下成像器210。一旦拖船减速或停止，翼片310便归因于流、波等而变成使飞行水下成像器210稳定的障碍，继续施加力。翼片310可由轻型强力材料例如碳纤维构造而成。翼片310可被裁切成三角形(cropped-delta-shaped)(即，大致梯形)，且根据翼片310的拖拽角度而经设定大小。具有安装于电动机32的输出轴上的正齿轮34的电动机32可为滑轮系统提供动力。两个正齿轮36、38驱动对应对的较大齿轮40、42。较大齿轮40、42安装于有螺纹的轴杆44、46上，所述有螺纹的轴杆充当蜗杆并且将功率传送到外壳48内的齿轮装置(未示出)以驱动一对相对连结倒钩(link bards)50、52旋转，因此升高和降低翼片310。
在拖拽或迎角期间的翼片角度对操作来说是关键的。随着拖船加速，负向浮力的向下力增加，推动飞行水下成像器210进行水下较深处。相反，随着拖船减速，向下力减小，让步给可将提升力施加到飞行水下成像器210的中性浮力。举例来说，所述角度可固定在10度和20度之间，例如固定这18度处。翼片在折叠时可不完全齐平并且可维持例如5度的角度。在可能更为昂贵并且使用更复杂的机电学的另一实例中，可动态地调整翼片的角度。
其它装置(未示出)也可附接到飞行水下成像器的框架或歧管。对于拖拽模式，回波定位系统经附接以使用声纳波绘制出长程地形。对于自由飞行模式，附接与回波定位系统相比即使使用类似技术仍具有更近射程的自动导向系统。
一或多个推进器用自身显现出的移动导引飞行水下成像器210而非依赖于两个船的运动。如图4B中所示，推进器可贴附于飞行水下成像器210的下侧。推进器可包括电动螺旋桨，举例来说，在框架的四个拐角中的每一个处各有一个螺旋桨，且一个螺旋桨定向成笔直向下。声纳和推进系统优选地定位成防止由于推进力引起对声纳的干扰。
测量深度、压力、流等等的传感器可用于做出位置调整，这是因为保持位置可要求作用中的推进。水下相机捕获静态图像和视频以流式传输到水面以供显示和记录。当推进到更接近于用于成像的所述位置时，机载计算机系统对回波定位系统产生的位置坐标作出响应。
声纳成像设备与静态相机和/或摄像机一起定位于框架上。相机装置可针对水下用途经修改。此外，相机装置可为购买现成的或集成到其它计算机设备中。现成的相机可具有内部处理、存储器和通信。
图4A-4B是根据一些实施例的处于翼片折叠的自由飞行模式中的飞行水下成像器的各个透视图。
图5A-5B是说明根据一些实施例的定位和趋近水下对象以进行成像的飞行水下成像器的计算装置的框图。本发明的实施例的计算装置500包含存储器510、处理器520、存储驱动器530和I/O端口540。组件可实施于硬件、软件、或两者的组合中。所述组件中的每一个经耦合以用于经由总线599的电子通信。通信可为数字和/或模拟的，并且使用任何适合的协议。计算装置500可为移动计算装置、手提式计算机装置、智能电话、平板计算机装置、平板手机装置、视频游戏控制台、个人计算装置、静止计算装置、服务器板、因特网电器设备、虚拟计算装置、分布式计算装置、基于云的计算装置、或任何适当的处理器驱动的装置。
存储器510另外包括成像器控制模块512和操作系统514。如图5B中进一步详细说明，成像器控制模块512包含与定位硬件的位置信息一起识别水下对象的对象定位模块512A。自动导向模块512B与外力传感器一起使用位置信息朝向选择的水下对象自动行驶。翼片控制模块512C取决于环境而将翼片从展开位置拖到折叠位置且反之亦然。
操作系统514可为以下中的一个：操作系统的Microsoft
Figure GDA0001938777630000051
系列(例如，Windows 95、98、Me、Windows NT、Windows 2000、Windows XP、Windows XP x64 Edition、Windows Vista、Windows CE、Windows Mobile、Windows 8或Windows 5)、Linux、HP-UX、UNIX、Sun OS、Solaris、Mac OS X、Alpha OS、AIX、IRIX32或IRIX64。可使用其它操作系统。Microsoft Windows是微软公司的商标。
处理器520可为网络处理器(例如，针对IEEE 802.11经优化)、通用处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、精简指令集控制器(RISC)处理器、集成电路等。Qualcomm Atheros、Broadcom Corporation和Marvell Semiconductors制造针对IEEE802.11装置经优化的处理器。处理器520可为单核、多核，或包含多于一个处理元件。处理器520可安置于硅或任何其它适合的材料上。处理器520可接收和执行存储于存储器510或存储驱动器530中的指令和数据。
存储驱动器530可为任何非易失性类型的存储装置，例如磁性光盘、EEPROM、Flash等。存储驱动器530存储用于应用程序的代码和数据。
I/O端口540另外包括用户接口542和网络接口544。用户接口542可输出到显示装置并且从例如键盘接收输入。网络接口544(例如RF天线)连接到媒体例如以太网或Wi-Fi以用于数据输入和输出。
图6是说明根据一实施例的用于控制用于定位和趋近水下对象以进行成像的多个模式的方法600的流程图。如一般技术人员将理解，可存在多于或少于图6所示的步骤的步骤并且可重复或在次序上变化步骤。方法600可由飞行水下成像器例如如上文所描述的飞行水下成像器210实施。
在步骤610处，水下飞行成像器在拖拽模式中操作。如此，翼片展开以产生按压力以在处于拖拽中的同时潜入水中飞行。同时，回波定位器或其它对象识别技术识别水下对象。
在步骤620处，响应于选自操作者计算机的对象，飞行水下成像器从第一模式转变到第二模式。在拖拽模式中，在扫描海底时在操作者计算机上显示对象信息。低分辨率成像或以数字方式产生的动画允许操作者找出关注对象以进行进一步考察。并非必须召回第一装置并且部署第二装置，而是飞行水下成像器改变模式以用于考察所选择的对象。
在步骤630处，飞行水下成像器在自由飞行模式中操作。将翼片拖到折叠位置以允许经由来自操作者的自动导向或远程控制的转向。
在步骤640处，一旦飞行水下成像器经导向到近距离，就将一或多个图像或视频流发送到拖船上的操作者。优选地，相对于在拖拽模式期间的定位器的较低分辨率，视频流具有高分辨率。
在一些实施例中，从用户视角，在显示器上从低分辨率声纳图像选择对象，并且其后，在显示器上呈现高质量相机图像或视频。通过用于切换飞行水下成像器中的模式以用于获得高质量图像的计算机自动化透明的后端过程。
出于说明和描述的目的，已经呈现本发明的本说明书。其并不打算是穷尽性的或将本发明限制于所描述的精确形式，并且鉴于以上教示，许多修改和变化是可能的。选择和描述实施例以便最好地解释本发明的原理和其实际应用。本说明书将使所属领域的其它技术人员能够最好地使用和实践在各种实施例中的本发明并且进行各种修改以适合于特定使用。本发明的范围由所附权利要求书界定。

Claims (6)

1.一种具有多模式操作的飞行水下成像装置，其包括：
框架，其具有用于通过拖拽装置进行连接的挂接件；
一对翼片，其附接到所述框架并且受驱动系统控制；和
控制模块，其在壳体中并且以通信方式连接到所述驱动系统，
其中在拖拽模式中，所述驱动系统将所述对翼片展开到特定角度以维持由从拖拽的速度和所述飞行水下成像装置的自然浮力产生的向下压力确定的所要深度，且其中所述翼片的角度基于所述拖曳的速度动态地调节，且
其中在自由飞行模式中，所述驱动系统将所述对翼片折叠以准许用于远程操作和移动的部署，且
其中所述飞行水下成像装置进一步包括：
声纳换能器，其附接到所述框架并且以通信方式耦合到所述控制模块，且所述声纳换能器通过回波定位来定位水下对象；及
至少一个推进器，其附接到所述框架并且以通信方式耦合到所述控制模块，且
其中所述声纳换能器和所述推进器经定位以防止由于推进力引起对所述声纳换能器的干扰。
2.根据权利要求1所述的飞行水下成像装置，
其中所述控制模块包括定位模块和自动导向模块，
其中在所述拖拽模式中，所述定位模块依据从所述声纳换能器接收的数据确定所述至少一个水下对象的位置坐标，且
其中在所述自由飞行模式中，所述自动导向模块启动所述至少一个推进器将所述飞行水下成像装置定位成邻近于所述至少一个水下对象。
3.根据权利要求1所述的飞行水下成像装置，其中在拖拽模式中，所述拖拽装置连接到所述挂接件，且在部署模式中，所述拖拽装置与所述挂接件断开连接。
4.根据权利要求1所述的飞行水下成像装置，其另外包括：
数据线，其连接到所述壳体以将来自远程位置的计算机的命令传送到所述控制模块，其中至少一个命令从所述两个模式切换到经执行以使所述挂接件与所述拖拽装置断开连接的所述自由飞行模式。
5.根据权利要求1所述的飞行水下成像装置，其另外包括：
数据线，其连接到所述壳体以将来自远程位置的计算机显示器的命令传送到所述控制模块，其中至少一个命令发送在所述自由飞行模式中将趋近的水下对象的选择。
6.根据权利要求1所述的飞行水下成像装置，其另外包括：
图像相机，其附接到所述框架，所述图像相机捕获至少一个水下对象的图像或视频。
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