CN110780308B - 浑浊水体环境下三维点云数据采集系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浑浊水体环境下三维点云数据采集系统及方法,涉及浑浊水体环境下的点云数据采集技术领域,该系统及方法能在浑浊的水体中采集清晰的点云数据,在工程实践中的应用更加的广泛,尤其是在江河流域水下地址巡检重有十分重要的价值;通过防水推杆和ROV载体调节摄像机的高度和倾角,能有效的改善摄像机在水下采取点云数据时造成的数据畸变;利用局域网搭建的通信系统能时时观测水下环境,捕获的点云数据也能及时的传回地面控制站,相较于将捕获数据存放于水下机器人上相比,局域网通信即使在长时间作业时设备由于故障造成漏水也不会导致捕获的数据受损。
Description
技术领域
本发明涉及浑浊水体环境下的点云数据采集技术领域,具体而言,涉及一种浑浊水体环境下三维点云数据采集系统及方法。
背景技术
目前三维点云技术已被广泛的运用于机器人定位导航,在三维建模方面三维点云用于工程测量,灾害监测,文物保护等多方面。目前三维点云在空气中的运用已经得到了迅速的发展,但是三维点云对水下环境的应用还十分的欠缺,在水下的运用也是基于海洋的探索间接,对应用于自然浑浊水体下的三维点云数据的获取还没有涉及,尤其是同通过ROV水下机器人做载体,把在三维点云检测运用于水电大坝消力池底部或泄洪大坝底部的缺陷数据的检测与获取。
发明内容
本发明在于提供一种浑浊水体环境下三维点云数据采集系统及方法,其能够缓解上述问题。
为了缓解上述的问题,本发明采取的技术方案如下:
第一方面,本发明提供了一种浑浊水体环境下三维点云数据采集系统,包括:
地面控制站;
水下机器人,其与所述地面控制站通过有线局域网信号连接;
点云数据前端采集装置,其固定于所述水下机器人,并包括亚克力箱体、防水推杆以及点云采集模块;
所述亚克力箱体为内部装有清水的全密封结构,其固定连接于所述水下机器人;
防水推杆,其常静止部与所述亚克力箱体固定连接,且常静止部的推杆伸出端穿入所述亚克力箱体内,所述防水推杆与所述水下机器人电性连接;
所述点云采集模块包括摄像机、UPboard板载PC以及防水密封盒,所述防水密封盒置于所述亚克力箱体内并安装在所述防水推杆的推动端,所述UPboard板载PC和所述摄像机均安装于所述防水密封盒内,所述摄像机与所述UPboard板载PC电性连接,所述UPboard板载PC与所述水下机器人通过有线局域网信号连接,所述防水密封盒设置有透明玻璃板,所述摄像机正对所述透明玻璃板,所述摄像机能依次透过所述透明玻璃板、所述透过亚克力箱体内的清水以及所述透过亚克力箱体的透明箱壁,获取所述透过亚克力箱体外的点云图像数据。
本技术方案的技术效果是:能在浑浊的水体中采集清晰的点云图像数据,在工程实践中的应用更加的广泛,尤其是在江河流域水下地址巡检重有十分重要的价值;利用局域网搭建的通信系统能实时观测水下环境,捕获的点云图像数据也能及时的传回地面控制站,相较于将捕获数据存放于水下机器人上相比,局域网通信即使在长时间作业时设备由于故障造成漏水也不会导致捕获的数据受损。
可选地,所述亚克力箱体内通过隔板分成两个空间,所述防水推杆的静止部的一部分由外至内伸至其中一个空间,所述防水密封盒安装于另一个空间,所述防水推杆的推动端穿过所述隔板并与所述防水密封盒固定连接。
可选地,所述透明玻璃板设置于所述防水密封盒的盒盖部。
可选地,所述防水密封盒的盒盖与盒体之间通过密封圈密封。
本技术方案的技术效果是:密封圈密封方式为可拆卸密封方式,便于点云采集模块各部件之间的安装以及防水设计。
可选地,所述UPboard板载PC通过防水线缆组件与所述水下机器人电性连接,所述防水线缆组件包括两个防水航空插头以及将两个防水航空插头电性连接在一起的防水线缆,两个所述防水航空插头分别与所述水下机器人和所述UPboard板载PC电性连接。
可选地,所述摄像机的型号为Inter RealSense300。
本技术方案的技术效果是:该型号的摄像机价格便宜,结构改造方便。
第二方面,本发明提供了一种浑浊水体环境下三维点云数据采集方法,包括以下步骤:
S1、将组装为一体的水下机器人和点云数据前端采集装置置于待观测水域;
S2、摄像机透过透明玻璃板、亚克力箱体内的清水以及透过亚克力箱体的透明箱壁,实时获取亚克力箱体外的点云图像数据,并将点云图像数据通过局域网传输至地面控制站;
S3、通过地面控制站向水下机器人发出移动控制信号,利用水下机器人带动点云数据前端采集装置移动至点云图像数据目标采集点;
S4、通过地面控制站向水下机器人发出摄像机倾斜角度调节信号以及防水推杆伸缩信号,水下机器人在水下调整自身姿态以调节摄像机的倾斜角度,水下机器人同时控制防水推杆做伸缩动作,通过防水推杆的伸缩动作调节摄像机的高度,以补偿点云图像数据采集光线的偏折角度,直至消除点云图像数据的畸变;
S5、摄像机实时获取点云图像数据目标采集点的点云图像数据,并通过局域网将没有产生畸变的点云图像数据上传至地面控制站。
本技术方案的技术效果是:提供了上述浑浊水体环境下三维点云数据采集系统的点云数据采集方法;通过防水推杆和水下机器人调节摄像机的高度和倾角,能有效的改善摄像机在水下采取点云图像数据时造成的数据畸变;利用局域网搭建的通信系统实时观测水下环境,将捕获的点云图像数据及时的传回地面控制站,相较于将捕获数据存放于水下机器人上相比,局域网通信即使在长时间作业时设备由于故障造成漏水也不会导致捕获的数据受损。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂,下文特举本发明实施例,并配合所附附图,作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是实施例中所述三维点云数据采集系统框图;
图2是实施例中所述点云数据前端采集装置的结构示意图;
图3是实施例中所述点云采集模块的分解示意图;
图中:1-亚克力箱体,2-防水推杆,3-点云采集模块,4-隔板,31-UPboard板载PC,32-摄像机,33-防水航空插头,34-防水密封盒,35-透明玻璃板,36-密封圈。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参照图1、图2和图3,本实施例提供了一种浑浊水体环境下三维点云数据采集系统,其包括:
地面控制站;
水下机器人,其与所述地面控制站通过有线局域网信号连接;
点云数据前端采集装置,其固定于水下机器人,并包括亚克力箱体1、防水推杆2以及点云采集模块3;
亚克力箱体1为内部装有清水的全密封结构,其固定连接于水下机器人;
防水推杆2,其常静止部与亚克力箱体1固定连接,且常静止部的推杆伸出端穿入亚克力箱体1内,防水推杆2与水下机器人电性连接;
点云采集模块3包括摄像机32、UP board板载PC31以及防水密封盒34,防水密封盒34置于亚克力箱体1内并安装在防水推杆2的推动端,UP board板载PC31和摄像机32均安装于防水密封盒34内,摄像机32与UP board板载PC31电性连接,UP board板载PC31与水下机器人通过有线局域网信号连接,防水密封盒34设置有透明玻璃板35,摄像机32正对透明玻璃板35,摄像机32能依次透过透明玻璃板35、透过亚克力箱体1内的清水以及透过亚克力箱体1的透明箱壁,获取透过亚克力箱体1外的点云图像数据。
在本实施例中,防水推杆2为自身为现有成熟技术,运用于本实施例中,用于带动点云采集模块3沿推杆布置方向上下移动,防水推杆2的控制信号来自于ROV(水下机器人)主控箱,ROV主控箱子与防水推杆2之间电性连接,防水推杆2经航空插接入ROV主控箱里的艾思控AQMD2410NS 24V驱动器上,地面控制站通过局域网络传递控制信号至ROV主控箱,ROV主控箱子将信号转化成485串口信号使电动防水推杆2运动。
在本实施例中,所使用的亚克力材料又叫PMMA或有机玻璃,化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯,是一种开发较早的重要可塑性高分子材料,具有较好的透明性、化学稳定性和耐候性、易染色、易加工、外观优美,在建筑业中有着广泛应用。
在本实施例中,亚克力箱体1为方体,其尺寸为250mm*500mm*400mm,亚克力箱体的壁厚度为10mm;防水密封盒34为方体结构,其尺寸是174mm*134mm*69mm,其采用铝合金板围成,铝合金板的厚度是5mm。
实施例2
相对于实施例1,本实施例通过隔板4将亚克力箱体1内分成两个空间,防水推杆2的静止部的一部分由外至内伸至其中一个空间,防水密封盒34安装于另一个空间,防水推杆2的推动端穿过隔板4并与防水密封盒34固定连接。
实施例3
针对实施例1中的摄像机32,其型号选为Inter RealSense300,摄像机32与UPboard板载PC31通过USB接口实现电性连接。
在本实施例中,商用的Inter RealSense300摄像机32价格便宜,在水下获取点云数据的效果非常好。
实施例4
针对实施例1中UP board板载PC31与水下机器人的具体控制连接方式设计,本实施例中,UP board板载PC31通过防水线缆组件与水下机器人电性连接,防水线缆组件包括两个防水航空插头33以及将两个防水航空插头33电性连接在一起的防水线缆,两个防水航空插头33分别与水下机器人和UP board板载PC31电性连接。
实施例5
在水电大坝消力池或者泄洪底孔作业时,在水体的底部由于自然沉降十分的浑浊,不经过处理的点云采集系统在浑浊的水体下所获取的数据几乎不能被使用,为了能获取清晰无环境干扰的点云数据,本实施例提供了一种浑浊水体环境下三维点云数据采集采集方法,其采用了实施例1中的浑浊水体环境下三维点云数据采集系统。采集方法如下:
S1、将组装为一体的水下机器人和点云数据前端采集装置置于待观测水域;
S2、摄像机32透过透明玻璃板35、亚克力箱体1内的清水以及透过亚克力箱体1的透明箱壁,实时获取亚克力箱体1外的点云图像数据,并将点云图像数据通过局域网传输至地面控制站;
S3、通过地面控制站向水下机器人发出移动控制信号,利用水下机器人带动点云数据前端采集装置移动至点云图像数据目标采集点;
S4、通过地面控制站向水下机器人发出摄像机32倾斜角度调节信号以及防水推杆2伸缩信号,水下机器人在水下调整自身姿态以调节摄像机32的倾斜角度,水下机器人同时控制防水推杆2做伸缩动作,防水推杆2防水推杆2通过防水推杆2的伸缩动作调节摄像机32的高度,以补偿点云图像数据采集光线的偏折角度,直至消除点云图像数据的畸变;
S5、摄像机32实时获取点云图像数据目标采集点的点云图像数据,并通过局域网将没有产生畸变的点云图像数据上传至地面控制站。
在本实施例中,水下机器人和点云数据前端采集装置的回收,相对入水时,只需要反向操作即可。
在本实施例中,摄像机32光线穿过了透明玻璃板35、亚克力箱体1中的清水以及亚克力箱体1的亚克力底板,摄像头穿过这三种介质光线会产生偏折,光线的偏折会导致采集的点云图像数据发生畸变,因此对光线偏折角度进行了补偿。
与现有技术相比,本实施例提供的点云数据采集方法,能在浑浊的水体中采集清晰的点云数据,在工程实践中的应用更加的广泛,尤其是在江河流域水下地址巡检重有十分重要的价值;通过防水推杆2和ROV载体调节摄像机32的高度和倾角,能有效的改善摄像机32在水下采取点云数据时造成的数据畸变;利用局域网搭建的通信系统能时时观测水下环境,捕获的点云数据也能及时的传回地面控制站,相较于将捕获数据存放于水下机器人上相比,局域网通信即使在长时间作业时设备由于故障造成漏水也不会导致捕获的数据受损。
以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种浑浊水体环境下三维点云数据采集系统,其特征在于,包括:
地面控制站;
水下机器人,其与所述地面控制站通过有线局域网信号连接;
点云数据前端采集装置,其固定于所述水下机器人,并包括亚克力箱体、防水推杆以及点云采集模块;
所述亚克力箱体为内部装有清水的全密封结构,其固定连接于所述水下机器人;
防水推杆,其常静止部与所述亚克力箱体固定连接,且常静止部的推杆伸出端穿入所述亚克力箱体内,所述防水推杆与所述水下机器人电性连接;
所述点云采集模块包括摄像机、UP board板载PC以及防水密封盒,所述防水密封盒置于所述亚克力箱体内并安装在所述防水推杆的推动端,所述UP board板载PC和所述摄像机均安装于所述防水密封盒内,所述摄像机与所述UP board板载PC电性连接,所述UP board板载PC与所述水下机器人通过有线局域网信号连接,所述防水密封盒设置有透明玻璃板,所述摄像机正对所述透明玻璃板,所述摄像机能依次透过所述透明玻璃板、所述透过亚克力箱体内的清水以及所述透过亚克力箱体的透明箱壁,获取所述透过亚克力箱体外的点云图像数据;
所述亚克力箱体内通过隔板分成两个空间,所述防水推杆的静止部的一部分由外至内伸至其中一个空间,所述防水密封盒安装于另一个空间,所述防水推杆的推动端穿过所述隔板并与所述防水密封盒固定连接。
2.根据权利要求1所述的浑浊水体环境下三维点云数据采集系统,其特征在于,所述透明玻璃板设置于所述防水密封盒的盒盖部。
3.根据权利要求1所述的浑浊水体环境下三维点云数据采集系统,其特征在于,所述防水密封盒的盒盖与盒体之间通过密封圈密封。
4.根据权利要求1所述的浑浊水体环境下三维点云数据采集系统,其特征在于,所述UPboard板载PC通过防水线缆组件与所述水下机器人电性连接,所述防水线缆组件包括两个防水航空插头以及将两个防水航空插头电性连接在一起的防水线缆,两个所述防水航空插头分别与所述水下机器人和所述UP board板载PC电性连接。
5.一种浑浊水体环境下三维点云数据采集方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、将组装为一体的水下机器人和点云数据前端采集装置置于待观测水域;
S2、摄像机透过透明玻璃板、亚克力箱体内的清水以及透过亚克力箱体的透明箱壁,实时获取亚克力箱体外的点云图像数据,并将点云图像数据通过局域网传输至地面控制站;
S3、通过地面控制站向水下机器人发出移动控制信号,利用水下机器人带动点云数据前端采集装置移动至点云图像数据目标采集点;
S4、通过地面控制站向水下机器人发出摄像机倾斜角度调节信号以及防水推杆伸缩信号,水下机器人在水下调整自身姿态以调节摄像机的倾斜角度,水下机器人同时控制防水推杆做伸缩动作,通过防水推杆的伸缩动作调节摄像机的高度,以补偿点云图像数据采集光线的偏折角度,直至消除点云图像数据的畸变;
S5、摄像机实时获取点云图像数据目标采集点的点云图像数据,并通过局域网将没有产生畸变的点云图像数据上传至地面控制站。
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