CN110194255B - 一种auv在输水隧洞内运动的光学引导方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种AUV在输水隧洞内运动的光学引导方法。频闪灯放置在主洞洞壁上，发射红、蓝光闪烁光信号。AUV识别频闪灯，将前视摄像机拍摄得到的图像传入计算机进行处理，被分离成红色和蓝色通道图像，计算相同像素位置上的红、蓝通道中的像素灰度差值，并设置阈值，统计大于阈值像素点的个数，以此判断处理后图像中是否检测到频闪灯。若检测到频闪灯，AUV进入转弯模式。利用布置在AUV四周的测距声纳信息，控制AUV保持与隧洞壁一定间距，通过AUV自适应调整艏向角完成转弯，使AUV顺利驶入支洞。本发明大大减少了人工参与，在任务执行阶段不需要人为操纵，整个检测过程由AUV自主完成，作业成本低。

Description

一种AUV在输水隧洞内运动的光学引导方法

技术领域

本发明涉及的是一种AUV(Autonomous Underwater Vehicle，水下机器人)的引导方法，具体地说是一种AUV在输水隧洞内运动的引导方法。

背景技术

随着我国经济与基础建设的迅速发展，大量交通和水利工程在各个地区得到修建，其中包括跨区域引水工程和水库工程，输水隧洞是其中一项最为关键和重要的工程组成部分。输水隧洞是水库或地下施工过程中开挖的一种类似隧道的水工建筑物，用于输水以供发电、灌溉或工业和生活之用。隧洞通常深埋地下，设计管路起伏较大,地质环境复杂，经过长时间输水运行后,易产生裂缝和老化等缺陷，如果未能及时检测发现并加以修补，会对隧洞的混凝土造成破坏，从而有可能导致隧洞断裂崩塌、管路下沉等事故，对城市地区供水产生重大影响。混凝土裂缝是输水隧洞最普遍的缺陷和重大隐患，因此定期地对隧洞进行裂缝、老化情况检查十分必要，及时发现隧洞的破损情况并进行维护，能够有效降低隧洞破损事故的发生率，防患于未然。

对隧洞裂缝检测这一过程通常花费较长的时间，动用的人力物力资源大。因此，自主式水下机器人(AUV)的出现，能有效进行隧洞裂缝检测。但是AUV在多岔路的隧洞检测中，只能检测隧洞的主干道，难以引导AUV对隧洞支洞进行自主检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于多岔路隧洞检测的AUV在输水隧洞内运动的光学引导方法。

本发明的目的是这样实现的：

在AUV1上搭载水下摄像机3和测距声纳2，在隧洞中主洞6与支洞7交叉口处设置频闪灯5，

步骤一、开频闪灯5保持固定频率

闪烁，每间隔t_s秒切换一次红、蓝光；

步骤二、AUV1行驶到频闪灯5前方，AUV1上的水下前视摄像机3识别到频闪灯5，将采集到的图像传入计算机进行处理，将图像分离成红、蓝单通道图像，并计算每个像素点的红、蓝像素值之间的差值，若差值大于设定阈值则将该像素点统计到numR或者numB中，根据连续两幅图像红蓝通道的灰度值变化作为灯光颜色变化判断依据；两幅图像中红蓝通道像素点数变化超过设定阈值时，视为变色，变色频率匹配两次，则认为识别到以固定频率闪烁的频闪灯5，AUV1进入转弯模式；

步骤三、AUV1进入转弯模式后，减速并逐渐靠近待转弯支洞一侧隧洞壁，根据布置在AUV1周围的四个测距声纳2信息使AUV1与隧洞壁保持一定间距，通过AUV1自适应调整艏向角完成转弯，沿隧洞壁由隧洞主洞6驶向支洞7；

步骤四、当AUV1驶入支洞7后，AUV1通过获取布置在其周围的四个测距声纳2的测量值，调整AUV1使其保持在支洞7正中位置；当AUV1正上方测距声纳测量值小于30cm，则认为AUV1接近自由液面，AUV1开启无线电，AUV1在自由液面处浮出水面，通过AUV1无线电与岸基进行通信。

本发明还可以包括：

1.频闪灯5悬挂着隧洞主洞6内壁。

2.频闪灯5搭载在ROV4上，控制ROV4悬停在输水隧洞主洞6与支洞7交叉口前方。

本发明通过将AUV与固定频率的红蓝频闪灯配合使用，利用AUV的前视摄像机与测距声纳实现隧洞检测中AUV水下光学引导，适用于多岔路的隧洞检测。本发明的优势在于：

1、自主作业，在AUV隧洞检测作业时只需要在任务下达阶段进行操作，在任务执行阶段不需要人为操纵，整个检测过程由AUV自主完成，只需开启悬停在主动内壁的频闪灯或者将搭载频闪灯的ROV布放在输水隧洞主洞与支洞交叉前方一定距离即可。

2、作业成本低，使用AUV和频闪灯作为隧洞检测的载体，不需要潜水员进入隧洞，大大降低了隧洞检测的作业成本与风险。

3、水下识别距离远，识别错误率低，采用固定频率闪烁的红、蓝频闪灯作为光学信标，能够在水下能见度较差的情况下在较远的距离处实现频闪灯识别，识别方法匹配闪烁频率和颜色变换，大大降低了误识别的可能。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为红蓝频闪灯的红、蓝光切换频率图；

图3为AUV检测到频闪灯信号的图像处理流程图；

图4为AUV中段测距声纳布置示意图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。本发明的AUV在输水隧洞内运动的光学引导方法主要包括：

步骤一.包括输水隧洞探测型AUV1、红蓝频闪灯5在以及搭载在AUV1上目标光学探测模块与声纳探测模块；将频闪灯5悬挂着隧洞主洞6内壁，并按一定红、蓝颜色交替频率保持频闪灯5闪烁；AUV1行驶到频闪灯前方附近处时，AUV1上的前视摄像机3识别到频闪灯5发出的闪烁光信号，将采集到的图像传入PC104嵌入式计算机进行处理，将图像分离成红、蓝单通道图像，并计算每个像素点的红、蓝像素值之间的差值，通过计算判断处理后图像中是否检测到频闪灯5。如果检出频闪灯5的闪烁信号，AUV1进入转弯模式，并按预先规划路径，减速靠近转弯一侧的隧洞壁；从AUV1开始靠近洞壁至做出转弯动作之前，AUV1根据布置在其中段周围的四个测距声纳2所探测到的距离信息，保持AUV1与隧洞壁一定间距，当左或右侧测距声纳数据有剧烈变化时，认为AUV1已驶入主支洞交界处，此时AUV1做出转向动作驶入支洞7，AUV1沿支洞7始出隧洞。

步骤二.目标光学探测模块包括水下前视摄像机3、图像采集卡；声学探测模块包括测距声纳2，PC104嵌入式计算机。频闪灯5悬挂着隧洞主洞6内壁，位置处于支洞口对面一侧，并按一定红、蓝颜色交替频率保持频闪灯5闪烁。为保持频闪灯5能够长期工作，频闪灯5能源由尾部水密缆线连接支洞外的电源提供。水下前视摄像机3安装在AUV1艏部，在AUV1运行时始终保持开启，前视摄像机3每间隔1秒采集一幅水下图像，每帧图像分辨率为704×576，该图像储存在PC104嵌入式计算机所连接的硬盘上。

步骤三.AUV1在输水隧洞主洞6行驶过程中，将采集到的图像传入PC104嵌入式计算机进行处理，首先将图像分离成红、蓝单通道图像，并计算每个像素点的红蓝像素值之间的差值，若差值大于设定阈值则将该像素点统计到numR或者numB中，根据连续两幅图像红蓝通道的灰度值变化作为灯光颜色变化判断依据。两幅图像中红蓝通道像素点个数变化超过设定阈值时，视为变色，连续识别出两次变色，则视为检测到一次频闪灯5的转弯信号。当连续三次检测到频闪灯5的转弯信号，AUV1开始执行转弯预定动作。

步骤四.AUV1进入转弯模式后，首先减速并靠近待转弯支洞7一侧隧洞壁，利用布置在AUV1中段四个测距声纳2信息始终保持AUV1与隧洞壁一定间距，保持低速沿着隧洞壁向前行驶，当左或右侧测距声纳数据有明显增大时，认为AUV1已驶入主支洞交界处，AUV1执行转弯动作，AUV1驶入支洞。

步骤五.当AUV1驶入支洞7后，AUV1通过获取布置在中段周围的四个测距声纳2的测量值，调整AUV1使其保持在支洞7正中位置。由于接近支洞7出口存在自由液面，当AUV1正上方测距声纳2测量值小于30cm，则认为AUV1接近自由液面，AUV1开启无线电，AUV1将在自由液面处浮出水面，通过AUV1无线电与岸基人员进行通信。

可将搭载频闪灯5的ROV4(Remote Operated Vehicle，遥控潜水器)代替悬挂着隧洞主洞6内壁的频闪灯5，将ROV悬停在主洞6与支洞7交叉口前方一定距离位置处，打开搭载在ROV4上的红蓝频闪灯5并保持固定频率闪烁，当AUV1检测到频闪灯5，则按权利要求4所述的水下光学引导方法进行转弯。

步骤一中AUV能识别到频闪灯信号的距离在5m内，频闪灯布放主动内壁上，处于在输水隧洞主洞与支洞交叉前方一定距离的位置处，保持红、蓝频闪灯保持固定频率闪烁。灯的闪烁频率不应高于引导系统处理一帧图像所需的时间，设定t_s＝1.3s切换一次红蓝光，频闪光学信标的红、蓝光切换频率图如图2所示。

步骤一中可以控制搭载频闪灯的ROV悬停在隧洞主洞与支洞交叉口前方一定距离的位置处，在来代替悬挂在主洞内壁的的频闪灯，控制ROV的位置靠近支洞对面的主洞壁，防止AUV贴壁行驶时碰撞到ROV。在AUV运行过程中，始终保持ROV上频闪灯保持开启闪烁。

步骤二中AUV首先利用水下前视摄像机采集图像，利用图像采集卡将图像信号采集到PC104中进行处理。在PC104嵌入式计算机中，首先将图像分离为红、蓝灰度图，得到红色通道图像R1和蓝色通道图像B3。将两幅图像中每一个像素点进行对比，记第i行j列处的灰度值resP(i,j)＝R1(i,j)-B3(i,j)，设定灰度值之差的阈值φ＝25，若resP>25，则红色像素个数numB加1，若resP<-25则蓝色像素个数numR加1。随后对是否变色进行判定，若相对于上一帧图像的红蓝像素个数numR’、numB’，此帧图像numR增加、numB减少，或numB增加、numR减少，且改变量均大于阈值1000，则视为检测到变色。若连续检测到三次变色，且时间间隔符合频闪灯的闪烁频率，则说明检测到了频闪灯，并发送结果到AUV进入转弯模式。处理频闪灯图像的具体流程图如图3所示。

步骤三中AUV进入转弯模式后，减速并靠近待转弯支洞一侧隧洞壁，利用布置在AUV两侧测距声纳信息保持AUV与隧洞壁一定间距，保持在0.8m左右。AUV中段处的测距声纳布置截面图如图4所示，4个测距声纳分别安装在AUV中段上、下、左、右位置处。当左、右侧测距声纳测量值发生剧烈变化时，说明已进入支洞，通过AUV自适应调整艏向角完成转弯，使AUV顺利驶入支洞。

步骤四中当AUV驶入支洞后，AUV通过获取布置在其周围的四个测距声纳的测量值，调整AUV使其保持在支洞正中位置。由于接近支洞出口存在自由液面，当AUV正上方测距声纳测量值小于30cm，则认为AUV接近自由液面，AUV开启无线电，AUV将在自由液面处浮出水面，通过AUV无线电与岸基人员进行通信。

Claims (3)

1.一种AUV在输水隧洞内运动的光学引导方法，其特征是：

在AUV(1)上搭载水下摄像机(3)和测距声纳(2)，在隧洞中主洞(6)与支洞(7)交叉口处设置频闪灯(5)，

步骤一、开频闪灯(5)保持固定频率

闪烁，每间隔t_s秒切换一次红、蓝光；

步骤二、AUV(1)行驶到频闪灯(5)前方，AUV(1)上的水下前视摄像机(3)识别到频闪灯(5)，将采集到的图像传入计算机进行处理，将图像分离成红、蓝单通道图像，并计算每个像素点的红、蓝像素值之间的差值，若差值大于设定阈值则将该像素点统计到红色像素个数numR或者蓝色像素个数numB中，根据连续两幅图像红蓝通道的灰度值变化作为灯光颜色变化判断依据；两幅图像中红蓝通道像素点数变化超过设定阈值时，视为变色，变色频率匹配两次，则认为识别到以固定频率闪烁的频闪灯(5)，AUV(1)进入转弯模式；

步骤三、AUV(1)进入转弯模式后，减速并逐渐靠近待转弯支洞一侧隧洞壁，根据布置在AUV(1)周围的四个测距声纳(2)信息使AUV(1)与隧洞壁保持一定间距，通过AUV(1)自适应调整艏向角完成转弯，沿隧洞壁由隧洞主洞(6)驶向支洞(7)；

步骤四、当AUV(1)驶入支洞(7)后，AUV(1)通过获取布置在其周围的四个测距声纳(2)的测量值，调整AUV(1)使其保持在支洞(7)正中位置；当AUV(1)正上方测距声纳测量值小于30cm，则认为AUV(1)接近自由液面，AUV(1)开启无线电，AUV(1)在自由液面处浮出水面，通过AUV(1)无线电与岸基进行通信。

2.根据权利要求1所述的AUV在输水隧洞内运动的光学引导方法，其特征是：频闪灯(5)悬挂着隧洞主洞(6)内壁。

3.根据权利要求1所述的AUV在输水隧洞内运动的光学引导方法，其特征是：频闪灯(5)搭载在ROV(4)上，控制ROV(4)悬停在输水隧洞主洞(6)与支洞(7)交叉口前方。

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