CN110525595A - 一种水面垃圾监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种水面垃圾监测系统及方法，包括水面移动平台、俯拍图像采集模块、仰拍图像采集模块、图像分析处理模块、俯拍升降模块、处理器，所述水面移动平台与所述处理器连接，在所述处理器的控制下可在水面行驶，所述俯拍图像采集模块安装在俯拍升降模块上，与所述图像分析处理模块连接，所述仰拍图像采集模块安装在水面移动平台上，与所述图像分析处理模块连接，所述图像分析处理模块与所述处理器连接，所述俯拍升降模块包括气球和气球绳索收放系统，与所述处理器连接，用于控制俯拍图像采集模块升空和下降。本发明涉及环保及水面垃圾清理领域，可以在较大范围的水域快速发现寻找垃圾，为水面垃圾清理设备提供垃圾方位信息，协助完成水面垃圾清理。

Description

一种水面垃圾监测系统及方法

技术领域

本发明涉及环保及水面垃圾清理领域，具体涉及一种水面垃圾监测系统及方法。

背景技术

随着社会对于环保要求的提高，垃圾的清理也变得越来越重要。尤其是排放到水域中的垃圾，对于环境、水文、水面景观的影响非常之大。水域垃圾中最普遍最直观的一类就是水面垃圾，对于水面垃圾的清理，与陆地垃圾的清理相比存在更多困难，一是水域宽广，人工驱船打捞非常耗时耗人力，二是水面垃圾的分布是随机的，人工寻找垃圾也非常困难。

对于水面垃圾的清理，近年来也开始从人工打捞逐步往采用自动化设备清理的方向发展。但是对于常见的水面垃圾清理船而言，清理垃圾本身并不困难，困难的是发现垃圾，在一片广阔的水域中寻找垃圾本身就是一个难题，如果采用机器视觉，当视觉传感器安装在船体上时，由于其安装位置低，必然视野狭窄，只能发现非常小范围内的垃圾。如果采用声呐探测，也会受到三个方面的限制，一是声呐利用反射波作为观察信号，但是水面本身是一个反射面和折射面，声呐的效果会受到很大限制，二是由于水面没有水底平静，在存在波浪的情况下噪声很明显，三是对于较远处的小型垃圾其探测精度难以满足需要。

针对上述问题，本发明提出了一种水面垃圾监测系统及方法，可以在较大范围的水域内快速发现寻找垃圾。

发明内容

本发明的目的是提供一种水面垃圾监测系统及方法，可以在较大范围的水域内快速发现寻找垃圾，为水面垃圾清理设备提供垃圾方位信息，协助其完成水面垃圾清理。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种水面垃圾监测系统，包括水面移动平台、俯拍图像采集模块、仰拍图像采集模块、图像分析处理模块、俯拍升降模块、处理器，所述水面移动平台与所述处理器连接，在所述处理器的控制下可在水面行驶移动，所述俯拍图像采集模块安装在所述俯拍升降模块上，与所述图像分析处理模块连接，所述仰拍图像采集模块安装在水面移动平台上，与所述图像分析处理模块连接，所述图像分析处理模块与所述处理器连接，所述俯拍升降模块包括气球和气球绳索收放系统，与所述处理器连接，用于控制俯拍图像采集模块升空和下降。

进一步的，所述俯拍图像采集模块拥有两个旋转轴心线相互垂直的转动自由度，可对其所处位置的水平面以下的区域进行全方位图像采集，所述两个转动自由度均由所述处理器控制。

一种使用了上述水面垃圾监测系统的水面垃圾监测寻找方法，包括如下步骤：

步骤1，水域照片的空中俯拍：利用俯拍升降模块的气球升空后所携带的俯拍图像采集模块拍摄下方水域的照片；

步骤2，水域照片的分析：利用图像分析处理模块对步骤一所拍摄的照片进行分析，干净水面的颜色一致性很高，通过分析照片的颜色和灰度，筛查出颜色不一致的水面物体，找到垃圾可疑物；

步骤3，判定垃圾可疑物相对于水面移动平台的方位：利用步骤一所拍摄的照片，采用图像分析处理模块对水面移动平台自身的形状特征或其上的图案标记进行图像分析，通过处理器判断其当前自身正对的方向，以及垃圾可疑物相对于其当前方向所在的方位；

步骤4，垃圾可疑物的进一步认定：处理器驱动水面移动平台朝着垃圾可疑物所在的方向行进，处理器启动俯拍升降模块驱动俯拍图像采集模块下降高度，然后按顺序重复步骤1、步骤2、步骤3，直至确认垃圾可疑物为垃圾。

进一步的，本发明一种水面垃圾监测寻找方法还包括如下步骤：

步骤5，空中障碍物的避让：根据仰拍天空时遮挡物会呈现深色剪影的特点，在水面移动平台行进的过程中，利用仰拍图像采集模块拍摄水面移动平台上空的照片，并交由图像分析处理模块分析，当分析结果发现拍摄的照片中出现深色暗影且暗影面积逐渐增大时，判定为上方有障碍物或树荫，处理器启动俯拍升降模块的气球绳索收放系统使气球下降；当分析结果发现拍摄的照片中出现大于等于两条细长直线状阴影时，判定为上方有电线，处理器启动俯拍升降模块的气球绳索收放系统使气球下降。

进一步的，本发明一种水面垃圾监测寻找方法还包括如下步骤：

步骤6，水岸及水面障碍物的避让：利用水面的颜色跟水岸及大面积障碍物的颜色具有差异的特点，对步骤1中拍摄的照片进行图像分析，识别出照片中与水面颜色存在显著差异的色块并计算其面积，当此色块的面积超过水面移动平台自身在水面投影面积的三分之一时，判断为水岸或大面积障碍物，当水面移动平台与色块的最小距离超过设定的阈值时，处理器控制水面移动平台朝着远离色块的方向行驶，避免水面移动平台在行驶过程中与水岸或障碍物发生碰撞；

进一步的，本发明一种水面垃圾监测寻找方法还包括如下步骤：

步骤7， 监测范围的扩大：如果步骤2未在当前拍摄水域中发现垃圾可疑物，俯拍升降模块的气球绳索收放系统控制气球继续升高，俯拍图像采集模块随着气球的升高而升高，此时其可拍摄的水域范围也随之扩大，在气球不断升高的过程中循环重复步骤1和步骤2，直至找到垃圾可疑物；

步骤8，监测范围的进一步扩大：当步骤7中气球升高至极限状态不能再升高后，如果此时步骤2的照片分析结果仍未发现垃圾可疑物，则由所述处理器控制俯拍图像采集模块按照其两个转动自由度进行旋转，在旋转的过程中循环重复步骤1、步骤2，直至找到垃圾可疑物；

步骤9，水面移动平台自主行驶寻找垃圾可疑物：当通过步骤8仍未找到垃圾可疑物时，处理器随机选择一个方向控制水面移动平台行驶，在行驶过程中循环重复步骤1、步骤2、步骤8，与此同时执行步骤5和步骤6进行空中和水面避障，直至找到垃圾可疑物。

进一步的，本发明一种水面垃圾监测寻找方法还包括如下步骤：

步骤10，对于大风天气的处理和防护：步骤6中，当图像分析处理模块发现气球的剪影在仰拍图像采集模块所拍摄的图像中消失时，即仰拍图像采集模块拍不到气球的画面时，判定此时风很大，气球被风吹远了，此时处理器启动俯拍升降模块使气球带着俯拍图像采集模块下降，等气球靠近水面移动平台时，气球的剪影将重新出现在仰拍图像采集模块的拍摄图像中，此时处理器停止俯拍升降模块的下降。

本发明的有益效果：借助可随气球升降的俯拍图像采集模块，可调节水面垃圾的监测范围，从而可以在较大范围的水域内快速发现寻找垃圾，为水面垃圾清理设备提供垃圾方位信息，协助其完成水面垃圾清理；可实现对水岸、水面障碍物、空中障碍物的避让，保障水面垃圾清理设备及监测系统自身的安全。

附图说明

图1是水面垃圾监测系统的示意图。

图2是一种水面垃圾清理船的结构示意图；本发明中提到的方向词上、下、前、后均以图2左上角的方向标识为准。

图3是俯拍图像采集模块的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施方式及附图，对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明一种水面垃圾监测系统，包括水面移动平台3、俯拍图像采集模块5、仰拍图像采集模块6、图像分析处理模块4、俯拍升降模块2、处理器1，所述水面移动平台3与所述处理器1连接，在所述处理器1的控制下可在水面行驶移动，所述俯拍图像采集模块5安装在所述俯拍升降模块2上，与所述图像分析处理模块4连接，所述仰拍图像采集模块6安装在水面移动平台3上，与所述图像分析处理模块4连接，所述图像分析处理模块4与所述处理器1连接，所述俯拍升降模块2包括气球12和气球绳索收放系统8，与所述处理器1连接，用于控制俯拍图像采集模块5升空和下降。

水面移动平台实施例。如图1、图2所示，所述水面移动平台3为一种水面垃圾清理船，其通过螺旋桨和转向舵实现行驶和转向。在所述水面垃圾清理船上还包括图案标记9，所述图案标记9为非中心对称图案，优选为箭头或三角形，位于水面垃圾清理船的最上方，其颜色设置成与水面垃圾清理船上表面的颜色形成鲜明的反差，例如黑色和白色，用于辅助俯拍图像采集模块5和图像分析处理模块4判断船体方向与俯拍图像采集模块5拍摄到的垃圾之间的夹角。所述水面垃圾清理船还包括电源，用于为水面垃圾监测系统及其自身的作业供电。

处理器实施例。如图1所示，所述处理器1应具备数据输入输出、计算、图像分析处理、发送控制脉冲的能力，例如工业中常用的DSP芯片、FPGA芯片、ARM芯片、X86芯片等，只要具备上述能力，都可以作为本发明的处理器。

图像分析处理模块实施例。如图1所示，所述图像分析处理模块4为常用的图像识别软件算法或集成了图像识别算法的软件，具备分析比对图像中像素的色彩、灰度、亮度的能力，这是图像处理和机器视觉技术中最基础的一类，其相关技术在图像识别领域和机器视觉领域属于非常成熟的技术，例如授权公告号为CN107291221B的中国发明专利公开的基于自然手势的跨屏幕自适应精度调整方法及装置中就公开了一种满足上述图像分析处理模块要求的图像分析处理方法。

俯拍图像采集模块实施例。如图1、图2、图3所示，所述俯拍图像采集模块5拥有两个旋转轴心线相互垂直的转动自由度，可对其所处位置的水平面以下的区域进行全方位图像采集，所述两个转动自由度均由所述处理器1控制。具体实施时俯拍图像采集模块5为一个由两轴云台控制的摄像系统，包括云台基体501、云台、摄像头504，所述云台安装在所述云台基体501上，所述摄像头504安装在所述云台上，所述云台用于控制和稳定摄像头504的拍摄方向；所述云台为两轴云台，包括第一云台部502和第二云台部503，所述第二云台部503安装在所述第一云台部502的转轴上，所述第二云台部503的转轴与所述第一云台部502的转轴相互垂直，所述摄像头504安装在所述第二云台部503的转轴上。

气球绳索收放系统实施例。如图2所示，所述气球绳索收放系统8包括卷线电机、卷线轮、绳索11，所述卷线轮安装在所述卷线电机的转轴上，所述绳索11卷绕在所述卷线轮上，卷线电机通过正反转即可控制绳索11的伸长和缩短。

仰拍图像采集模块实施例。如图1、图2所示，所述仰拍图像采集模块6为安装在一种水面垃圾清理船上的摄像头，其拍摄方向向上。

气球实施例。如图2所示，所述气球12中充的气体是氦气。常用的比空气轻的气体为氦气和氢气，氢气有爆炸危险，不宜储藏易漏气，而氦气的安全性和可储藏性明显优于氢气。

绳索实施例。如图2所示，所述绳索11可以是俯拍图像采集模块5的供电线和信号传输线，这样俯拍图像采集模块5就不需要再另外配备电源和处理器1，而是可以和水面垃圾清理船共用电源和处理器1，减轻了气球12的载重负荷。

水面垃圾监测系统实施例。如图1、图2、图3所示，所述水面垃圾监测系统包括水面移动平台3、俯拍图像采集模块5、仰拍图像采集模块6、图像分析处理模块4、俯拍升降模块2、处理器1，所述水面移动平台3与所述处理器1连接，在所述处理器1的控制下可在水面行驶移动，所述俯拍图像采集模块5安装在所述俯拍升降模块2上，与所述图像分析处理模块4连接，所述仰拍图像采集模块6安装在水面移动平台3上，与所述图像分析处理模块4连接，所述图像分析处理模块4与所述处理器1连接，所述俯拍升降模块2包括气球12和气球绳索收放系统8，与所述处理器1连接，用于控制俯拍图像采集模块5升空和下降。所述俯拍图像采集模块5拥有两个旋转轴心线相互垂直的转动自由度，可对其所处位置的水平面以下的区域进行全方位图像采集，所述两个转动自由度均由所述处理器1控制。

水面垃圾监测寻找方法实施例。所述水面垃圾监测寻找方法包括如下步骤：

步骤1，水域照片的空中俯拍：利用俯拍升降模块2的气球12升空后所携带的俯拍图像采集模块5拍摄下方水域的照片；

步骤2，水域照片的分析：利用图像分析处理模块4对步骤一所拍摄的照片进行分析，干净水面的颜色一致性很高，通过分析照片的颜色和灰度，筛查出颜色不一致的水面物体，找到垃圾可疑物；

步骤3，判定垃圾可疑物相对于水面移动平台3的方位：利用步骤一所拍摄的照片，采用图像分析处理模块4对水面移动平台3自身的形状特征或其上的图案标记9进行图像分析，并通过处理器1判断其当前自身正对的方向，以及垃圾可疑物相对于其当前方向所在的方位；

步骤4，垃圾可疑物的进一步认定：处理器1驱动水面移动平台3朝着垃圾可疑物所在的方向行进，处理器1启动俯拍升降模块2驱动俯拍图像采集模块5下降高度，然后按顺序重复步骤1、步骤2、步骤3，直至确认垃圾可疑物为垃圾；

步骤5，空中障碍物的避让：根据仰拍天空时遮挡物会呈现深色剪影的特点，在水面移动平台3行进的过程中，利用仰拍图像采集模块6拍摄水面移动平台3上空的照片，并交由图像分析处理模块4分析，当分析结果发现拍摄的照片中除了气球12的圆形剪影外出现其他深色暗影且暗影面积逐渐增大时，判定为上方有障碍物或树荫，处理器1启动俯拍升降模块的气球绳索收放系统8使气球12下降；当分析结果发现拍摄的照片中出现大于等于两条细长直线状阴影时，判定为上方有电线，处理器1启动俯拍升降模块2的气球绳索收放系统8使气球12下降；

步骤6，水岸及水面障碍物的避让：利用水面的颜色跟水岸及大面积障碍物的颜色具有差异的特点，对步骤1中拍摄的照片进行图像分析，识别出照片中与水面颜色存在显著差异的色块并计算其面积，当此色块的面积超过水面移动平台3自身在水面投影面积的三分之一时，判断为水岸或大面积障碍物，当水面移动平台3与色块的最小距离超过设定的阈值时，处理器1控制水面移动平台3朝着远离色块的方向行驶，避免水面移动平台3在行驶过程中与水岸或障碍物发生碰撞；所述水面移动平台3与色块的最小距离的阈值可根据实际需要设定；

步骤7， 监测范围的扩大：如果步骤2未在当前拍摄水域中发现垃圾可疑物，处理器1启动俯拍升降模块2的气球绳索收放系统8控制气球12继续升高，俯拍图像采集模块5随着气球12的升高而升高，此时其可拍摄的水域范围也随之扩大，在气球12不断升高的过程中循环重复步骤1和步骤2，直至找到垃圾可疑物；

步骤8，监测范围的进一步扩大：当步骤7中气球12升高至极限状态不能再升高后，如果此时步骤2的照片分析结果仍未发现垃圾可疑物，则由所述处理器1控制俯拍图像采集模块5按照其两个转动自由度进行旋转，在旋转的过程中循环重复步骤1、步骤2，直至找到垃圾可疑物；

步骤9，水面移动平台3自主行驶寻找垃圾可疑物：当通过步骤8仍未找到垃圾可疑物时，处理器1随机选择一个方向控制水面移动平台3行驶，在行驶过程中循环重复步骤1、步骤2、步骤8，与此同时执行步骤5和步骤6进行空中和水面避障，直至找到垃圾可疑物；

步骤10，对于大风天气的处理和防护：步骤6中，当图像分析处理模块4发现气球12的剪影在仰拍图像采集模块6所拍摄的图像中消失时，即仰拍图像采集模块6拍不到气球12的画面时，判定此时风很大，气球12被风吹远了，此时处理器1启动俯拍升降模块2使气球带着俯拍图像采集模块5下降，等气球12靠近水面移动平台3时，气球11的剪影将重新出现在仰拍图像采集模块6的拍摄图像中，此时处理器1停止俯拍升降模块2的下降。

Claims (7)

1.一种水面垃圾监测系统，其特征在于，包括水面移动平台（3）、俯拍图像采集模块（5）、仰拍图像采集模块（6）、图像分析处理模块（4）、俯拍升降模块（2）、处理器（1），所述水面移动平台（3）与所述处理器（1）连接，在所述处理器（1）的控制下可在水面行驶移动，所述俯拍图像采集模块（5）安装在所述俯拍升降模块（2）上，与所述图像分析处理模块（4）连接，所述仰拍图像采集模块（6）安装在水面移动平台（3）上，与所述图像分析处理模块（4）连接，所述图像分析处理模块（4）与所述处理器（1）连接，所述俯拍升降模块（2）包括气球（12）和气球绳索收放系统（8），与所述处理器（1）连接，用于控制俯拍图像采集模块（5）升空和下降。

2.根据权利要求1所述的水面垃圾监测系统，其特征在于，所述俯拍图像采集模块（5）拥有两个旋转轴心线相互垂直的转动自由度，可对其所处位置的水平面以下的区域进行全方位图像采集，所述两个转动自由度均由所述处理器（1）控制。

3.一种使用了权利要求1或2所述的水面垃圾监测系统的水面垃圾监测寻找方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，水域照片的空中俯拍：利用俯拍升降模块（2）的气球（12）升空后所携带的俯拍图像采集模块（5）拍摄下方水域的照片；

步骤2，水域照片的分析：利用图像分析处理模块（4）对步骤一所拍摄的照片进行分析，干净水面的颜色一致性很高，通过分析照片的颜色和灰度，筛查出颜色不一致的水面物体，找到垃圾可疑物；

步骤3，判定垃圾可疑物相对于水面移动平台（3）的方位：利用步骤一所拍摄的照片，采用图像分析处理模块（4）对水面移动平台（3）自身的形状特征或其上的图案标记（9）进行图像分析，并通过处理器（1）判断其当前自身正对的方向，以及垃圾可疑物相对于其当前方向所在的方位；

步骤4，垃圾可疑物的进一步认定：处理器（1）驱动水面移动平台（3）朝着垃圾可疑物所在的方向行进，处理器（1）启动俯拍升降模块（2）驱动俯拍图像采集模块（5）下降高度，然后按顺序重复步骤1、步骤2、步骤3，直至确认垃圾可疑物为垃圾。

4.根据权利要求3所述的水面垃圾监测寻找方法，其特征在于，还包括如下步骤：

步骤5，空中障碍物的避让：根据仰拍天空时遮挡物会呈现深色剪影的特点，在水面移动平台（3）行进的过程中，利用仰拍图像采集模块（6）拍摄水面移动平台（3）上空的照片，并交由图像分析处理模块（4）分析，当分析结果发现拍摄的照片中除了气球（12）的圆形剪影外出现其他深色暗影且暗影面积逐渐增大时，判定为上方有障碍物或树荫，处理器（1）启动俯拍升降模块的气球绳索收放系统（8）使气球（12）下降；当分析结果发现拍摄的照片中出现大于等于两条细长直线状阴影时，判定为上方有电线，处理器（1）启动俯拍升降模块（2）的气球绳索收放系统（8）使气球（12）下降。

5.根据权利要求3所述的水面垃圾监测寻找方法，其特征在于，还包括如下步骤：

步骤6，水岸及水面障碍物的避让：利用水面的颜色跟水岸及大面积障碍物的颜色具有差异的特点，对步骤1中拍摄的照片进行图像分析，识别出照片中与水面颜色存在显著差异的色块并计算其面积，当此色块的面积超过水面移动平台（3）自身在水面投影面积的三分之一时，判断为水岸或大面积障碍物，当水面移动平台（3）与色块的最小距离超过设定的阈值时，处理器（1）控制水面移动平台（3）朝着远离色块的方向行驶，避免水面移动平台（3）在行驶过程中与水岸或障碍物发生碰撞。

6.根据权利要求3所述的水面垃圾监测寻找方法，其特征在于，还包括如下步骤：

步骤7， 监测范围的扩大：如果步骤2未在当前拍摄水域中发现垃圾可疑物，处理器（1）启动俯拍升降模块（2）的气球绳索收放系统（8）控制气球（12）继续升高，俯拍图像采集模块（5）随着气球（12）的升高而升高，此时其可拍摄的水域范围也随之扩大，在气球（12）不断升高的过程中循环重复步骤1和步骤2，直至找到垃圾可疑物；

步骤8，监测范围的进一步扩大：当步骤7中气球（12）升高至极限状态不能再升高后，如果此时步骤2的照片分析结果仍未发现垃圾可疑物，则由所述处理器（1）控制俯拍图像采集模块（5）按照其两个转动自由度进行旋转，在旋转的过程中循环重复步骤1、步骤2，直至找到垃圾可疑物；

步骤9，水面移动平台（3）自主行驶寻找垃圾可疑物：当通过步骤8仍未找到垃圾可疑物时，处理器（1）随机选择一个方向控制水面移动平台（3）行驶，在行驶过程中循环重复步骤1、步骤2、步骤8，与此同时执行步骤5和步骤6进行空中和水面避障，直至找到垃圾可疑物。

7.根据权利要求3所述的水面垃圾监测寻找方法，其特征在于，还包括如下步骤：

步骤10，对于大风天气的处理和防护：步骤6中，当图像分析处理模块（4）发现气球（12）的剪影在仰拍图像采集模块（6）所拍摄的图像中消失时，即仰拍图像采集模块（6）拍不到气球（12）的画面时，判定此时风很大，气球（12）被风吹远了，此时处理器（1）启动俯拍升降模块（2）使气球带着俯拍图像采集模块（5）下降，等气球（12）靠近水面移动平台（3）时，气球（11）的剪影将重新出现在仰拍图像采集模块（6）的拍摄图像中，此时处理器（1）停止俯拍升降模块（2）的下降。