CN109636708A - 一种海水环境下无人船图像采集装置及方法 - Google Patents
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Abstract
发明公开了一种海水环境下无人船图像采集装置及方法，具体涉及海水环境下图像采集技术领域。其解决了现有的无人船探测对水中物体定位识别及图像采集存在定位不准确，图像质量差的不足。该海水环境下无人船图像采集装置包括机械臂底座，机械臂底座上连有机械臂，机械臂底座内设有控制机械臂旋转的控制部，所述机械臂包括相互铰接的机械大臂、机械小臂和机械前臂，机械前臂上连有图像采集机构；所述机械大臂上设有控制其上下移动的第一舵机，所述机械小臂上设有控制其上下移动的第二舵机，机械前臂上设有控制其上下移动的第三舵机。
Description
技术领域
本发明涉及海水环境下图像采集技术领域，具体涉及一种海水环境下无人船图像采集装置及方法。
背景技术
我国是一个有着广阔海洋国土的国家，其中海洋总面积为299.7万平方公里，海岸线长度为3.2万公里，随着陆上资源的日益消耗殆尽，海洋渐渐变成人类赖以生存的空间。海洋地位的不断提高，使得海洋资源、海洋岛屿的争夺相互交织在一起，逐渐形成以海洋为中心的战略格局。在当今的海洋战略格局中，水面无人船扮演的角色越来重要，它集智能控制，远程通信，探测侦查，排除海上障碍等多种功能于一身，在一些复杂和高危险的作业环境中它的优越性尤为突出。在无人船的探测过程中，对水中的物体的定位识别及图像采集是其重要的工作内容之一,在海水环境下成像与空气中的不同之处在于，除后向散射和能量衰减使得成像清晰度受到影响外，还存在一个重要区别，由于海水的腐蚀作用，摄像机在水下工作需要加装防水罩，会使得成像过程从单一空气介质变为水、防水罩和空气多种介质，根据折射定律易知，光线在经过多种介质时，会发生折射，这势必会引起成像图像的扭曲、变形，会严重影响定位的准确性及采集到的图像质量。
发明内容
本发明的目的是针对现有的无人船探测，对水中物体定位识别及图像采集存在定位不准确，图像质量差的不足，提出了一种可根据需要自由旋转，拉近探测物体的距离，获得较理想的图像的海水环境下无人船图像采集装置及方法。
本发明具体采用如下技术方案：
一种海水环境下无人船图像采集装置，包括机械臂底座，机械臂底座上连有机械臂，机械臂底座内设有控制机械臂旋转的控制部，所述机械臂包括相互铰接的机械大臂、机械小臂和机械前臂，机械前臂上连有图像采集机构；所述机械大臂上设有控制其上下移动的第一舵机，所述机械小臂上设有控制其上下移动的第二舵机，所述机械前臂上设有控制其上下移动的第三舵机。
优选地，如权利要求1所述的一种海水环境下无人船图像采集装置，其特征在于，所述图像采集机构为双目摄像机，包括左摄像头和右摄像头，左摄像头和右摄像头下方分别安装有卤素灯和LED灯，卤素灯用于远处图像采集，LED用于近处图像采集，双目摄像机上罩有球形防护罩，通过摄像头固定板固定于机械前臂上，左摄像头和右摄像头均通过柔性轴与第三舵机相连。
优选地，所述控制部包括电机、中心轴和大齿轮，大齿轮通过带动中心轴旋转进而控制机械臂进行水平360度旋转。
优选地，所述球形防护罩采用玻璃材料制成。
优选地，当机械前臂进行上下旋转时，第三舵机带动柔性轴同步旋转，柔性轴带动图像采集机构进行水平360度旋转。
优选地，当机械大臂和机械小臂旋转到探测深度的位置时，通过机械前臂的旋转，对探测区域进行探测深度的微调，同时通过机械前臂的旋转轴带动柔性轴进行同步旋转，图像采集机构进行水平360度的旋转以观察附近水域的图像情况，发现待检测目标时，停止旋转进行图像采集。
优选地，当在水面下进行探测物体时，控制部控制中心轴进行旋转，同时控制第一舵机的运动，带动机械臂运动，完成图像采集机构在水下水平及垂直的运动，将图像采集机构移动到探测环境的合适位置，通过图像采集机构的旋转进行区域探测并完成图像的采集；在水面工作时，机械小臂旋转至机械大臂上，第三舵机控制机械前臂旋转进行图像采集。
一种海水环境下无人船图像采集方法，采用如上所述的海水环境下无人船图像采集装置，具体包括：
首先建立水下双目视觉模型；定义OlXlYlZl为左摄像头坐标系，与世界坐标系OwXwYwZw重合，c1x1y1为图像平面坐标系，pnl(xnl,ynl)为物点P的水下像点，pal(xal,yal)为物点P在空气中像点，pul与pdl分别为光线与球形防护罩上、下表面的交点；
基于水下双目视觉模型，设P、Pl、Pr分别为各坐标系的对应点，则根据透镜成像原理和折射定理得到式(1)：
其中，αw、αg、αa分别为光线的入射角、一次折射角、二次折射角，nw、ng、na分别表示水、玻璃、空气的折射率，为clpnl与clxl轴的夹角，d表示图像采集机构光心原点到球形防护罩内表面的距离，t表示球形防护罩的厚度，f表示图像采集机构的焦距；
此处Zl待定，消去sinαw,sinαg,sinαa，设左摄像头的坐标系与世界坐标系重合，得到左摄像头的坐标系坐标为式(2)：
根据式(1)和式(2)，获取场景P在右摄像机坐标系的坐标Pr，其中：f、d、t、na、ng、nw参量通过右摄像头标定获得，物点P为反投光线pdlpl和pdrpr的公垂线中点，将其转换到空气模型中，空气模型中的两条异面反投光线olpl与orpr的公垂线中点P即为待求的空间点；
设τ1＝[Xl/Zl Yl/Zl 1]T,τ2＝[Xr/Zr Yr/Zr 1]T分别为直线对的方向向量，o＝[0 00]T，由于异面直线的公垂线与异面直线垂直，则得到式(3)
即
将式(2)代入式(3)，得到未知量Zl，同时利用式(2)和式(3)，得到Zr，至此Pl(XlYlZl)、Pr(XrYrZr)确定，公垂线中点P(X,Y,Z)则通过式(4)计算出物点在水中的实际坐标值，进一步求得线、面的属性尺寸：
本发明具有如下有益效果：
该海水环境下无人船图像采集装置，使图像采集机构可根据需要自由旋转，拉近图像茶几机构与探测物体的距离，获得较理想的图像。同时如果对水面物体进行图像采集，也可以控制机械臂的旋转角度将图像采集机构向上旋转进行拍摄；
该海水环境下无人船图像采集方法采用采用水下双目视觉模型对海水环境下无人船图像采集装置需要采集的目标图像进行准确的定位，解决了进行水下图像采集时光线在经过多种介质时，会发生折射，引起成像图像的扭曲、变形，重影响定位的准确性的不足。
附图说明
图1为海水环境下无人船图像采集装置整体结构示意图；
图2为图像采集机构结构示意图；
图3为水下双目视觉模型图。
其中，1为机械臂底座，2为机械大臂，3为机械小臂，4为机械前臂，5为电机，6为臂膀平台，7为第一舵机，8为第二舵机，9为第三舵机，10为球形防护罩，11为摄像头固定板，12为图像采集机构，13为柔性轴，14为卤素灯，15为LED灯。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
如图1和图2所示，一种海水环境下无人船图像采集装置，包括机械臂底座1，机械臂底座1固定在船头，机械臂底座1上通过臂膀平台6连有机械臂，机械臂底座1内设有控制机械臂旋转的控制部，所述机械臂包括相互铰接的机械大臂2、机械小臂3和机械前臂4，机械前臂4上连有图像采集机构12；所述机械大臂2上设有控制其上下移动的第一舵机7，所述机械小臂上设有控制其上下移动的第二舵机8，所述机械前臂上设有控制其上下移动的第三舵机9。
图像采集机构为双目摄像机，包括左摄像头和右摄像头，左摄像头和右摄像头下方分别安装有卤素灯14和LED灯15，卤素灯用于远处图像采集用，LED用于近处图像采集，双目摄像机上罩有球形防护罩10，通过摄像头固定板11固定于机械前臂4上，左摄像头和右摄像头均通过柔性轴13与第三舵机9相连。
控制部包括电机5、中心轴和大齿轮，大齿轮通过带动中心轴旋转进而控制机械臂进行水平360度旋转。
当机械前臂4进行上下旋转时，第三舵机带动柔性轴同步旋转，柔性轴带动图像采集机构进行水平360度旋转。
当机械大臂2和机械小臂3旋转到探测深度的位置时，通过机械前臂的旋转，对探测区域进行探测深度的微调，同时通过机械前臂的旋转轴带动柔性轴进行同步旋转，图像采集机构进行水平360度的旋转以观察附近水域的图像情况，发现感兴趣目标时，停止旋转进行图像采集。
当在水面下进行探测物体时，控制部控制中心轴进行旋转，同时控制第一舵机的运动，带动机械臂运动，完成图像采集机构在水下水平及垂直的运动，将图像采集机构移动到探测环境的合适位置，通过图像采集机构的旋转进行区域探测并完成图像的采集；在水面工作时，机械小臂旋转至机械大臂上，第三舵机控制机械前臂旋转进行图像采集。
一种海水环境下无人船图像采集方法，采用如上所述的海水环境下无人船图像采集装置，具体包括：
如图3所示，首先建立水下双目视觉模型；定义OlXlYlZl为左摄像头坐标系，与世界坐标系OwXwYwZw重合，c1x1y1为图像平面坐标系，pnl(xnl,ynl)为物点P的水下像点，pal(xal,yal)为物点P在空气中像点，pul与pdl分别为光线与球形防护罩上、下表面的交点；
基于水下双目视觉模型，设P、Pl、Pr分别为各坐标系的对应点，则根据透镜成像原理和折射定理得到式(1)：
其中，αw、αg、αa分别为光线的入射角、一次折射角、二次折射角，nw、ng、na分别表示水、玻璃、空气的折射率，为clpnl与clxl轴的夹角，d表示图像采集机构光心原点到球形防护罩内表面的距离，t表示球形防护罩的厚度，f表示图像采集机构的焦距；
此处Zl待定，消去sinαw,sinαg,sinαa，设左摄像头的坐标系与世界坐标系重合，得到左摄像头的坐标系坐标为式(2)：
根据式(1)和式(2)，获取场景P在右摄像机坐标系的坐标Pr，其中：f、d、t、na、ng、nw参量通过右摄像头标定获得，物点P为反投光线pdlpl和pdrpr的公垂线中点，将其转换到空气模型中，空气模型中的两条异面反投光线olpl与orpr的公垂线中点P即为待求的空间点；
设τ1＝[Xl/Zl Yl/Zl 1]T,τ2＝[Xr/Zr Yr/Zr 1]T分别为直线对的方向向量，o＝[0 00]T，由于异面直线的公垂线与异面直线垂直，则得到式(3)
即
将式(2)代入式(3)，得到未知量Zl，同时利用式(2)和式(3)，得到Zr，至此Pl(XlYlZl)、Pr(XrYrZr)确定，公垂线中点P(X,Y,Z)则通过式(4)计算出物点在水中的实际坐标值，进一步求得线、面的属性尺寸：
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种海水环境下无人船图像采集装置，其特征在于，包括机械臂底座，机械臂底座上连有机械臂，机械臂底座内设有控制机械臂旋转的控制部，所述机械臂包括相互铰接的机械大臂、机械小臂和机械前臂，机械前臂上连有图像采集机构；所述机械大臂上设有控制其上下移动的第一舵机，所述机械小臂上设有控制其上下移动的第二舵机，所述机械前臂上设有控制其上下移动的第三舵机。
2.如权利要求1所述的一种海水环境下无人船图像采集装置，其特征在于，所述图像采集机构为双目摄像机，包括左摄像头和右摄像头，左摄像头和右摄像头下方分别安装有卤素灯和LED灯，卤素灯用于远处图像采集，LED用于近处图像采集，双目摄像机上罩有球形防护罩，通过摄像头固定板固定于机械前臂上，左摄像头和右摄像头均通过柔性轴与第三舵机相连。
3.如权利要求2所述的一种海水环境下无人船图像采集装置，其特征在于，所述控制部包括电机、中心轴和大齿轮，大齿轮通过带动中心轴旋转进而控制机械臂进行水平360度旋转。
4.如权利要求3所述的一种海水环境下无人船图像采集装置，其特征在于，所述球形防护罩采用玻璃材料制成。
5.如权利要求4所述的一种海水环境下无人船图像采集装置，其特征在于，当机械前臂进行上下旋转时，第三舵机带动柔性轴同步旋转，柔性轴带动图像采集机构进行水平360度旋转。
6.如权利要求5所述的一种海水环境下无人船图像采集装置，其特征在于，当机械大臂和机械小臂旋转到探测深度的位置时，通过机械前臂的旋转，对探测区域进行探测深度的微调，同时通过机械前臂的旋转轴带动柔性轴进行同步旋转，图像采集机构进行水平360度的旋转以观察附近水域的图像情况，发现待检测目标时，停止旋转进行图像采集。
7.如权利要求6所述的一种海水环境下无人船图像采集装置，其特征在于，当在水面下进行探测物体时，控制部控制中心轴进行旋转，同时控制第一舵机的运动，带动机械臂运动，完成图像采集机构在水下水平及垂直的运动，将图像采集机构移动到探测环境的合适位置，通过图像采集机构的旋转进行区域探测并完成图像的采集；在水面工作时，机械小臂旋转至机械大臂上，第三舵机控制机械前臂旋转进行图像采集。
8.一种海水环境下无人船图像采集方法，采用如权利要求6所述的海水环境下无人船图像采集装置，其特征在于，具体包括：
首先建立水下双目视觉模型；定义OlXlYlZl为左摄像头坐标系，与世界坐标系OwXwYwZw重合，c1x1y1为图像平面坐标系，pnl(xnl,ynl)为物点P的水下像点，pal(xal,yal)为物点P在空气中像点，pul与pdl分别为光线与球形防护罩上、下表面的交点；
基于水下双目视觉模型，设P、Pl、Pr分别为各坐标系的对应点，则根据透镜成像原理和折射定理得到式(1)：
其中，αw、αg、αa分别为光线的入射角、一次折射角、二次折射角，nw、ng、na分别表示水、玻璃、空气的折射率，为clpnl与clxl轴的夹角，d表示图像采集机构光心原点到球形防护罩内表面的距离，t表示球形防护罩的厚度，f表示图像采集机构的焦距；
此处Zl待定，消去sinαw,sinαg,sinαa，设左摄像头的坐标系与世界坐标系重合，得到左摄像头的坐标系坐标为式(2)：
根据式(1)和式(2)，获取场景P在右摄像机坐标系的坐标Pr，其中：f、d、t、na、ng、nw参量通过右摄像头标定获得，物点P为反投光线pdlpl和pdrpr的公垂线中点，将其转换到空气模型中，空气模型中的两条异面反投光线olpl与orpr的公垂线中点P即为待求的空间点；
设τ1＝[Xl/Zl Yl/Zl 1]T,τ2＝[Xr/Zr Yr/Zr 1]T分别为直线对的方向向量，o＝[0 0 0]T，由于异面直线的公垂线与异面直线垂直，则得到式(3)
将式(2)代入式(3)，得到未知量Zl，同时利用式(2)和式(3)，得到Zr，至此Pl(XlYlZl)、Pr(XrYrZr)确定，公垂线中点P(X,Y,Z)则通过式(4)计算出物点在水中的实际坐标值，进一步求得线、面的属性尺寸：
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190416 |
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