CN110031849A - 全海深水下机器人视听探测系统及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种全海深水下机器人视听探测系统及探测方法。包括浮标、水声通讯声呐、耐压舱、照明灯、摄像机、麦克风、高度计、视听数据采集模块、图像压缩处理模块和主控制模块。耐压舱通过水密线将电信号输入给照明灯、摄像机和麦克风，摄像机和麦克风将视频图像信号和声信号回传到视听数据采集模块上。图像压缩处理模块与主控制模块TCP/IP全双工通信；主控制模块与水声通信声呐串口通讯；水声通信声呐与浮标半双工水声通讯；浮标与母船上无线电通讯。本发明使水下机器人能够在浅海至最深11000m下采集图像、视频和音频信息，并使用改进的小波变换图像压缩算法将图像进行压缩，通过水声通信传递给浮标，再经过无线电传递给母船。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种水下机器人探测系统，本发明也涉及一种水下机器人探测方法。
背景技术
随着世界人口的不断增长，陆地上的可利用资源由于过度的开采而导致资源急剧减少。因而，被保留丰富资源的海洋吸引了人们的目光。如今海洋空间与资源成为了当今世界经济竞争的领域，也成为一个临海国家与民族繁荣昌盛的战略基地。为了开发海洋资源与探索海洋未知环境，世界各国都在积极进行海洋探测器的研发。在无数科学家的不断尝试下，水下机器人这个概念开始为人所知。目前，水下机器人分为载人水下机器人和无人水下机器人，无人水下机器人又分为遥控水下机器人(ROV)、自主/遥控水下机器人(ARV)、自主水下机器人(AUV)三种。
自主水下机器人(AUV)作为未来海洋探测开发的平台，有极其广阔的开发前景，也越来越受到众多国家和地区的关注。AUV在水下探测中的应用已经成为广大科学家关注的热点。为了获得探测过程宝贵的视觉信息，并据此对AUV做出相应的控制，需要AUV将其获得的图像传送到水面母船。AUV利用水声信道向水面母船实时传输图像，是海洋探测发展过程中的里程碑之一。水声通信的优点，使得图像数据以无线的方式传输到水面成为可能。影响利用水声信道进行水下图像传输的因素主要存两个：图像压缩率和信道的调制方式。由于水声信道的通信带宽非常窄，为了实现这种应用，必须将图像数据在传输之前进行压缩。然而传统的图像压缩性能较差、压缩图像质量较低、压缩速度慢导致AUV采集的图像信息上传缓慢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可获得海下11000m周围的环境信息的全海深水下机器人视听探测系统。本发明的目的还在于提供一种图像信息传输快、质量好，能满足对深海环境资源探测需要的全海深水下机器人视听探测方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的全海深水下机器人视听探测系统包括浮标和安装在水下机器人上的水声通讯声呐、全海深照明灯、全海深摄像机、麦克风、高度计、视听数据采集模块、图像压缩处理模块和主控制模块，视听数据采集模块、图像压缩处理模块和主控制模块安装在全海深玻璃球耐压舱内，全海深玻璃球耐压舱上开有安装孔，安装孔上安装水密接插件，水声通信声呐、全海深照明灯、全海深摄像机以及麦克风通过水密线缆连接在全海深玻璃球耐压舱上的水密接插件上，全海深摄像机和麦克风将视频图像信号和声信号通过水密线缆回传到视听数据采集模块上，图像压缩处理模块与主控制模块之间采用TCP/IP全双工通信模式，主控制模块与水声通信声呐之间采用串口通讯模式，水声通信声呐与浮标之间半双工水声通讯，浮标与母船上的水面控制平台之间通过采用无线电通讯模式。
本发明的全海深水下机器人视听探测系统还可以包括：
1.所述的全海深玻璃球耐压舱由上下两部分半球组成，视听数据采集模块、图像压缩处理模块、主控制模块安装在全海深玻璃球耐压舱下部球壳内，全海深玻璃球耐压舱内部抽成真空。
2.所述的麦克风装载在耐压壳体内部。
3.高度计用于判定全海深水下机器人视听探测系统的开启工作条件。
4.图像压缩处理模块由图像采集卡、嵌入式CPU模块和硬盘组成。
本发明的全海深水下机器人视听探测方法为：
步骤(1)：母船通过无线电将信号发给浮标；
步骤(2)：浮标将采集图片指令通过水声通信发给全海深水下机器人视听探测系统的水声通信声呐上；
步骤(3)：全海深水下机器人视听探测系统的水声通信声呐接收到采集图像的指令后，采用串口通讯模式将指令信号发送给主控制模块，主控制模块通过TCP/IP全双工通信模式将采集图像指令发送给图像压缩处理模块；
步骤(4)：图像压缩处理模块将全海深摄像机拍摄到的海底图像利用改进的小波变换方法进行压缩，并将压缩后的图像通过TCP/IP协议发给主控制模块；
步骤(5)：主控制模块通过水声通信声呐将采用串口通讯模式将压缩图像发送给浮标；
步骤(6)：浮标通过无线电将压缩图像传输给母船，所述压缩图像用于判断全海深水下机器人作业区域，以此判断是否继续下达采集图像的指令。
本发明的全海深水下机器人视听探测方法还可以包括：
1.全海深水下机器人视听探测系统的开启工作条件由水下机器人所携带的高度计判定，当高度计测得数据距离海底高度小于50m时，主控制模块发送指令给两个全海深摄像机、两个全海深照明灯以及麦克风供电，开始采集海底视频、图像和声音数据。
2.在探测过程中，全海深水下机器人利用主控制模块，使全海深水下机器人保持恒定距底高度，实现距底定高声光信息采集。
3.视听数据采集模块由视听采集卡、嵌入式CPU模块和硬盘组成，全海深摄像机和麦克风在海底处录像和录音，将录下的视频数据和音频数据存储在视听数据采集模块的硬盘中，待全海深水下机器人上岸回收后导出视频和音频数据。
4.将图像预先平滑化处理与基于Daubechies-4双正交小波提升压缩编码相结合，将图像分为低频子带图像和高频子带图像，将低频子带图像作为图像压缩结果通过TCP/IP全双工通信模式输出给主控制模块。
本发明提出了一种全海深水下机器人视听探测系统及方法，利用基于小波变换的提升算法，对采集的图像数据进行图像压缩，以及在水面上设置浮标接收水声通信上传的图像信息，再通过无线通信传递给母船来加快图像传递，以解决现有技术中图像信息传输慢、质量差的缺点，满足对深海环境资源探测的需要。
本发明具有以下优点：
1、本发明将图像预先平滑化处理同基于Daubechies-4双正交小波提升压缩编码相结合实现对小波图像压缩算法的改进，来得到更大的压缩比、快速的变换速度以及良好的图像压缩质量。
2、本发明以携带视听探测系统的全海深水下机器人为载体在深海环境下进行视听探测，在海洋探测深度上进行了突破，最深可获得海下11000m周围的环境情况。
3、本发明采用主控制模块将压缩图像通过水声通信先传递给浮标，再通过无线电传递给母船的方法，大大的提高了图像上传给母船的速率。
4、本发明增加了音频采集装置，对海底声音信息进行录制。
附图说明
图1为本发明的全海深水下机器人视听探测系统示意图。
图2为本发明的全海深水下机器人视听探测方法的流程图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
结合图1，本发明的全海深水下机器人视听探测系统包括浮标1、水声通信声呐4、全海深玻璃球耐压舱5、两个全海深照明灯6和7、两个全海深摄像机8和9、麦克风10、视听数据采集模块11、图像压缩处理模块12、主控制模块13和高度计14。
水声通信声呐4、全海深玻璃球耐压舱5、两个全海深照明灯6和7、两个全海深摄像机8和9、麦克风10、视听数据采集模块11、图像压缩处理模块12、主控制模块13和高度计14安装在水下机器人本体3内；浮标1由GPS和通信声呐组成；全海深玻璃球耐压舱5由上下两部分半球组成，最高可承受11000m水深处的压力，将上下两部分分离后，将视听数据采集模块11、图像压缩处理模块12、一个主控制模块13等安装进玻璃球耐压舱下部球壳内，在盖上上部球壳并封装好，之后将玻璃球耐压舱内部抽成真空，提高玻璃球耐压舱的密闭性能；玻璃球耐压舱上开有多个孔，孔上安装水密接插件，水声通信声呐4、全海深照明灯6和7、全海深摄像机8和9以及置于耐压壳内的麦克风10和高度计14通过水密线缆连接在玻璃球耐压舱上的水密接插件上；麦克风装载在耐压壳体内部，该耐压壳可承载11000m水深压力，麦克风通过耐压壳体后部水密线缆与玻璃球耐压舱相连；全海深玻璃球耐压舱5通过水密线缆将电信号输入给全海深照明灯6和7、全海深摄像机8和9、麦克风10和高度计，之后全海深摄像机8将图像信号回传到舱内的图像压缩处理模块12上，全海深摄像机9以及麦克风10将视频信号和声信号回传到舱内的视听数据采集模块11上。
所述图像压缩处理模块12与主控制模块13之间采用TCP/IP全双工通信模式；所述主控制模块13与水声通信声呐4之间采用串口通讯模式；所述水声通信声呐4与浮标1之间半双工水声通讯；所述浮标1与母船2上的水面控制平台之间通过采用无线电通讯模式。
结合图2，本发明的全海深水下机器人视听探测方法包括如下步骤：
步骤一：母船2通过无线电将信号发给浮标1；
步骤二：浮标1将采集图片指令通过水声通信发给水下机器人视听探测系统的水声通信声呐4上；
步骤三：探测系统的水声通信声呐4接收到采集图像的指令后，采用串口通讯模式将指令信号发送给主控制模块13，主控制模块13通过TCP/IP全双工通信模式将采集图像指令发送给图像压缩处理模块12；
步骤四：图像压缩处理模块12将全海深摄像机8拍摄到的海底图像利用改进的小波变换方法进行压缩，并将压缩后的图像通过TCP/IP协议发给主控制模块13；
步骤五：主控制模块13通过水声通信声呐4将采用串口通讯模式将压缩图像发送给浮标1；
步骤六：浮标1通过无线电将压缩图像传输给母船2，并用母船2上的工作人员依据所传图像判断水下机器人作业区域，以此判断是否继续下达采集图像的指令。
如图2所示，所述的全海深水下机器人视听探测系统，所述的全海深水下机器人视听探测系统可工作在浅海至最深11000m水深处。
所述的全海深水下机器人视听探测系统开启工作条件由水下机器人所携带的高度计14判定，当高度计14测得数据距离海底高度小于50m时，主控制模块13发送指令给全海深摄像机8和9、全海深照明灯6和7以及麦克风10供电，视听探测系统开始采集海底视频、图像和声音数据。
所述的全海深水下机器人视听探测系统，根据作业环境能见度需求，在探测过程中，全海深水下机器人利用主控制模块13，使全海深水下机器人保持恒定距底高度，实现距底定高声光信息采集。
所述的全海深水下机器人视听探测系统中，视听数据采集模块11由视听采集卡、嵌入式CPU模块和硬盘组成。全海深摄像机9和麦克风10在海底处录像和录音，将录下的视频数据和音频数据存储在视听数据采集模块11的硬盘中，待AUV上岸回收后导出视频和音频数据。
所述的全海深水下机器人视听探测系统中，图像压缩处理模块12由图像采集卡、嵌入式CPU模块和硬盘组成。全海深摄像机8拍摄深底图像，将图像数据通过水密线缆传给图像压缩处理模块12，对采集的图像应用改进的小波算法进行压缩，以减小图像占用的空间，接收上传指令后，将压缩图像通过水声通信声呐4传递给浮标1，再经过无线电传递给母船2。
所述的全海深水下机器人视听探测系统，母船2利用无线电将上传图像指令发送给浮标1，浮标1将该指令通过水声通信传递给水声通信声呐4，水声通信声呐4通过串口将该指令传递给主控制模块13，主控制模块13接收浮标经水声通信传递的上传图像指令后，将该指令通过TCP/IP传给图像压缩处理模块12，图像压缩处理模块12将压缩图像三通道灰度值通过TCP/IP协议发送给主控制模块13，主控制模块13将压缩图像三通道灰度值通过串口发送给水声通信声呐4，水声通信声呐4通过水声通信将传递给浮标1，浮标1再通过无线电传递给母船2，母船2上的人员将获得11000m处深海海底图像。
本发明通过将图像预先平滑化处理同基于Daubechies-4双正交小波提升压缩编码相结合实现对小波图像压缩算法的改进，来得到更大的压缩比以及良好的图像压缩质量。该算法步骤如下：
首先，采用平均滤波法预先对图像进行平滑化处理，降低高频分量的同时提高了小波系数含零比，以达到提高图像压缩比的目的。将n×n像素的原始图像f(x,y)平滑处理后得到图像g(x,y)，g(x,y)中每个像素灰度值由包含在(x,y)预定领域中的f(x,y)的几个像素的灰度值得平均值来决定。
式中x,y＝0,1,2……，n-1,s是(x,y)点领域中点的坐标几何，但其中不包括(x,y)点。M是集合内坐标的总数。
然后，基于Daubechies-4双正交小波提升变换，采用Daubechies-4双正交小波基，其具有较好的正则性和良好的消失矩，紧支撑性也比较强。所采用的提升小波变换的主要步骤分为三步：分裂、预测和更新。
分裂过程，是将原始信号sj＝{sj,k}分成两个互不相交的子集合，每个子集的长度是原集合的一半，一个集合为奇数序列oj-1，一个集合是偶数序列ej-1。
预测过程，利用奇数序列和偶数序列之间的相关性，来使用序列ej-1预测序列oj-1，实际序列oj-1与预测值P(ej-1)的差值反映了两者之间的逼真程度。预测误差形成新的dj-1，消除第一步分裂后留下的冗余，给出更紧致的数据表示，表达公式即
dj-1＝oj-1-P(ej-1)
式中P是预测算子，dj-1对应于原信号sj的高频部分。
更新过程，分裂产生的子集的某些整体特征与原信号sj可能不同，更新过程的目的是使某一全局性质得以保障。定义一个标量运算器U(dj-1)，由它计算一个序列的某个全局量，例如均值。在当前级，更新过程要求满足
sj-1＝ej-1+U(dj-1)
经过小波提升，可将信号sj分解为低频部分sj-1和高频部分dj-1，对于低频数据子集sj-1可以再进行相同的分裂、预测和更新，把sj-1进一步分解成dj-2和sj-2，……，如此下去，经过n次分解后，原始数据sj的小波表示为{sj-n,dj-n,dj-n+1,…,dj-1}。其中sj-n代表了信号的低频部分，而{dj-n,dj-n+1,…,dj-1}则是信号的从低到高的高频部分系列。
最后，确定低频子带中最优的方向分解数目，利用最优方向分解数目，对低频子带进行方向分解，对分解后产生的低频子带码块进行编码，提高低频子带图像质量，并将该低频子带图像输出给主控制模块。
Claims (10)
1.一种全海深水下机器人视听探测系统，包括浮标和安装在水下机器人上的水声通讯声呐、全海深照明灯、全海深摄像机、麦克风、高度计、视听数据采集模块、图像压缩处理模块和主控制模块，其特征是：视听数据采集模块、图像压缩处理模块和主控制模块安装在全海深玻璃球耐压舱内，全海深玻璃球耐压舱上开有安装孔，安装孔上安装水密接插件，水声通信声呐、全海深照明灯、全海深摄像机以及麦克风通过水密线缆连接在全海深玻璃球耐压舱上的水密接插件上，全海深摄像机和麦克风将视频图像信号和声信号通过水密线缆回传到视听数据采集模块上，图像压缩处理模块与主控制模块之间采用TCP/IP全双工通信模式，主控制模块与水声通信声呐之间采用串口通讯模式，水声通信声呐与浮标之间半双工水声通讯，浮标与母船上的水面控制平台之间通过采用无线电通讯模式。
2.根据权利要求1所述的全海深水下机器人视听探测系统，其特征是：所述的全海深玻璃球耐压舱由上下两部分半球组成，视听数据采集模块、图像压缩处理模块、主控制模块安装在全海深玻璃球耐压舱下部球壳内，全海深玻璃球耐压舱内部抽成真空。
3.根据权利要求1所述的全海深水下机器人视听探测系统，其特征是：所述的麦克风装载在耐压壳体内部。
4.根据权利要求1所述的全海深水下机器人视听探测系统，其特征是：高度计用于判定全海深水下机器人视听探测系统的开启工作条件。
5.根据权利要求1所述的全海深水下机器人视听探测系统，其特征是：图像压缩处理模块由图像采集卡、嵌入式CPU模块和硬盘组成。
6.一种全海深水下机器人视听探测方法，其特征是：
步骤(1)：母船通过无线电将信号发给浮标；
步骤(2)：浮标将采集图片指令通过水声通信发给全海深水下机器人视听探测系统的水声通信声呐上；
步骤(3)：全海深水下机器人视听探测系统的水声通信声呐接收到采集图像的指令后，采用串口通讯模式将指令信号发送给主控制模块，主控制模块通过TCP/IP全双工通信模式将采集图像指令发送给图像压缩处理模块；
步骤(4)：图像压缩处理模块将全海深摄像机拍摄到的海底图像利用改进的小波变换方法进行压缩，并将压缩后的图像通过TCP/IP协议发给主控制模块；
步骤(5)：主控制模块通过水声通信声呐将采用串口通讯模式将压缩图像发送给浮标；
步骤(6)：浮标通过无线电将压缩图像传输给母船，所述压缩图像用于判断全海深水下机器人作业区域，以此判断是否继续下达采集图像的指令。
7.根据权利要求6所述的全海深水下机器人视听探测方法，其特征是：全海深水下机器人视听探测系统的开启工作条件由水下机器人所携带的高度计判定，当高度计测得数据距离海底高度小于50m时，主控制模块发送指令给两个全海深摄像机、两个全海深照明灯以及麦克风供电，开始采集海底视频、图像和声音数据。
8.根据权利要求6所述的全海深水下机器人视听探测方法，其特征是：在探测过程中，全海深水下机器人利用主控制模块，使全海深水下机器人保持恒定距底高度，实现距底定高声光信息采集。
9.根据权利要求6所述的全海深水下机器人视听探测方法，其特征是：视听数据采集模块由视听采集卡、嵌入式CPU模块和硬盘组成，全海深摄像机和麦克风在海底处录像和录音，将录下的视频数据和音频数据存储在视听数据采集模块的硬盘中，待全海深水下机器人上岸回收后导出视频和音频数据。
10.根据权利要求6所述的全海深水下机器人视听探测方法，其特征是：将图像预先平滑化处理与基于Daubechies-4双正交小波提升压缩编码相结合，将图像分为低频子带图像和高频子带图像，将低频子带图像作为图像压缩结果通过TCP/IP全双工通信模式输出给主控制模块。
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2019
- 2019-04-18 CN CN201910312013.5A patent/CN110031849A/zh active Pending
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