CN111052188A - 在工作空间内定位远程操作车辆的方法以及采用这种方法的远程检查系统 - Google Patents

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Abstract

一种在三维工作空间(16)内定位远程操作车辆(14)的方法(100)，所述方法包括：从摄像机(22)接收(102)工作空间的视频馈送；处理(104)所述视频馈送以识别工作空间中或附近的已知物理结构的界标(30、34)和特征(32、36)；确定(106)特征和界标与已知物理结构之间的相关性；使用所述相关性将来自摄像机的视频馈送校准(108)到已知物理结构；确定(110)远程操作车辆上的多个基准标记(20)在校准后的视频馈送中的定位；以及使用所述多个基准标记在校准后的视频馈送中的定位来确定(112)远程操作车辆在工作空间内的位置。

Description

在工作空间内定位远程操作车辆的方法以及采用这种方法的 远程检查系统
相关申请的交叉引用
本专利申请根据35U.S.C.§119(e)要求2017年7月27日提交的美国临时申请No.62/537571的优先权，其内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及在工作空间内定位远程操作车辆的方法。本发明还涉及采用这种方法的远程检查系统。
背景技术
远程操作车辆(ROV)通常用于在(出于各种原因)人类不容易接近或无法接近的区域和/或环境中执行各种任务(例如，修理、检查等)。这种使用/环境的示例是检查不仅对人类检查员是致命的，而且会立即或在很短的时间内破坏许多现代电气组件的核反应堆容器内的区域。
为了对核反应堆容器进行安全且彻底的检查，必须监视在这种环境中使用的ROV的定位和移动。当前，在这样的环境或其他恶劣环境(例如，外层空间、深海)中，还没有低成本的解决方案能够充分地允许确定和跟踪ROV的位置。
存在许多利用位于ROV上的各种传感器的可用定位方法，但是核反应堆中存在的辐射使这种方法不适用。不需要ROV上的传感器的几种方法通常需要使用激光器或其他昂贵的装备。因此，存在用于在工作空间内定位远程操作的车辆的方法以及采用这种方法的远程检查系统的改进空间。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了一种在三维工作空间内定位远程操作车辆的方法。该方法包括：从摄像机接收工作空间的视频馈送；处理所述视频馈送以识别工作空间中或附近的已知物理结构的界标和特征；确定特征和界标与已知物理结构之间的相关性；使用所述相关性将来自摄像机的视频馈送校准到已知物理结构；确定位于远程操作车辆上的多个基准标记在校准后的视频馈送中的定位；以及使用所述多个基准标记在校准后的视频馈送中的定位来确定远程操作车辆在工作空间内的位置。
确定界标和特征与已知物理结构之间的相关性可以包括基于所述已知物理结构的先前已知尺寸信息来构建三维基准框架。
确定所述远程操作车辆上的多个基准标记在校准后的视频馈送中的定位可以包括确定至少三个不同的基准标记的定位。
确定所述至少三个不同的基准标记的定位包括确定至少三个球形元件的定位。
确定远程操作车辆上的多个基准标记在校准的视频馈送中的定位可以包括确定至少两个不同的基准标记的定位。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种远程检查系统。该远程检查系统包括：在三维工作空间内可操作的远程操作车辆，所述远程操作车辆具有位于其上的多个基准标记；摄像机，所述摄像机位于工作空间的边界处或周围，所述摄像机被放置和构造为捕获定位于工作空间中或附近的界标和特征的图像；电子存储介质，所述电子存储介质中存储有界标和特征的尺寸细节；以及与摄像机和电子存储介质两者电连通的处理装置，所述处理装置被编程为：接收来自摄像机的视频馈送中的工作空间的图像，处理所述视频馈送以识别特征和界标，确定界标和特征与已知物理结构之间的相关性，使用所述相关性将来自摄像机的视频馈送校准到已知物理结构，确定远程操纵车辆上的多个基准标记在校准后的视频馈送中的定位，以及使用所述多个基准标记在校准后的视频馈送中的定位，确定远程操作车辆在工作空间内的三维位置。
多个基准标记可以包括多个球形元件。球形元件可以是高对比度的颜色。
工作空间可以包括核反应堆容器的内部。
摄像机可以位于工作空间的上部处或附近。
电子存储介质和处理装置可以包括计算装置的元件。该计算装置可以包括台式或膝上型计算机。该计算装置可以包括手持式计算装置。
本发明的这些和其他目的、特征和特性，以及相关结构要素的操作方法和功能以及构件和制造经济性的结合在考虑了以下参照附图的描述和随附权利要求的基础上将变得更加明显，所述描述和随附权利要求形成了本说明书的一部分，其中，相似的附图标记在各个附图中表示相应的部分。然而，应该明确地理解，附图仅出于说明和描述的目的，并且不意图作为对本发明的限制的限定。
附图说明
当结合附图阅读时，可以从以下对优选实施例的描述中获得对本发明的全面理解，其中：
图1示出了根据本发明的示例实施例的远程检查系统的示意图；
图2示出了根据本发明的示例性实施例的、来自诸如图1所示的远程检查系统的摄像机的视频馈送的示例屏幕截图；以及
图3示出了根据本发明的示例实施例的在工作空间内定位远程操作的车辆的方法的一般步骤。
具体实施方式
现在将在下文中参考示出了本发明的示例的附图更全面地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应被解释为限于在此阐述的示例。相反，提供这些示例是为了使本公开透彻和完整，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。贯穿全文，相同的数字表示相同的元素。
如在此使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数引用。如本文中所使用的，两个或更多个构件或组件被“耦合”的陈述应表示，只要发生链接，这些构件就可以直接或间接地(即，通过一个或多个中间构件或组件)接合或一起操作。如本文所使用的，“直接耦合”是指两个元件彼此直接接触。如本文所用，“固定耦合的”或“固定的”是指两个组件被耦合以便在相对于彼此保持恒定定向的同时随着彼此移动。
在此使用的方向性短语(诸如但不限于顶部、底部、左侧、右侧、上部、下部、正面、背面及其派生词)与附图中所示的元件的定向有关，并且除非在其中明确陈述，否则不限制权利要求。如本文中所使用的，术语“数目”是指一个或大于一的整数(即，多个)。
参照图1，为根据本发明的示例实施例的远程检查系统10被示出为位于核反应堆容器12的充满水的内部的示意图。远程检查系统10包括可以在如通常在16处所示的三维工作空间(例如，反应堆容器12的充满水的内部)内操作的远程操作车辆(ROV)14。如本文所用，“工作空间”应用于指ROV可以在其中操作的三维空间。在图1所示的示例实施例中，ROV14是一种通过脐带缆18拴接到远程控制系统(未示出)的远程操作潜水器，其中脐带缆18包括用于将数据/控制信号传输到ROV 14并从ROV14传输数据/视频图像的多个通信线缆。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以采用有线或无线可操作的其他ROV(例如，但不限于飞行的无人机)。
ROV 14包括位于在其上的多个基准标记20(在图1的实施例中示出了其中的三个)。基准标记20的位置和相对间距(例如，图2的d1和d2)是预定的，使得基准标记20可以用于确定ROV 14的定向和/或角度中的一个或多个。在本发明的示例实施例中，已经使用了近似高尔夫球大小的球形元件。应当理解，(当距离保持恒定时)不管视角如何，这样的球形物体都保持形状/大小。为了增加标记20的可见度，这样的标记优选具有高对比度的颜色(例如，但不限于，荧光橙色)。还应理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以采用其他数量和/或形状(例如但不限于圆盘、半球形)的基准标记。
继续参考图1，远程检查系统10还包括与处理装置24和可与处理装置24集成在一起或与之分离的合适的电子存储介质26电连通的摄像机22。摄像机22位于工作空间16的边界处或周围，并且被放置和构造成通过有线或无线方式提供包括沿着定位于工作空间16或附近的界标(例如，墙壁30、地板34)以及此类界标的特征(例如，墙壁30的垂直接缝32和地板34的开口36)布置在其中的ROV 14的工作空间16的图像的视频馈送。图2示出了根据本发明的示例实施例的来自由摄像机22捕获的视频馈送的图像28的示例。在图1的示例实施例中，摄像机22被放置在工作空间16的上部处或附近，并且被构造为能够根据请求进行平移和缩放，然而，应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以采用具有其他功能的其他摄像机以及放置。
处理装置24可以是可以存储、检索、执行和处理数据(例如，软件例程和/或此类例程所使用的信息)的任何合适的可编程模拟和/或数字装置(包括相关联的存储器构件或部分)，包括但不限于计算机、现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、片上可编程系统(PSOC)、专用集成电路(ASIC)、微处理器、微控制器、可编程逻辑控制器或任何其他合适的处理装置或设备。
电子存储介质26可以是多种类型的内部和/或外部存储介质中的任何一种或多种，诸如但不限于诸如以计算机的内部存储区域的方式提供用于数据和程序代码存储的存储寄存器(即，非暂时性机器可读介质)的RAM、ROM、EPROM(一个或多个)、EEPROM(一个或多个)、FLASH等，并且可以是易失性存储器或非易失性存储器。电子存储介质26包括存储在其中的界标和特征的尺寸细节(例如，垂直接缝32之间的距离、孔36的直径、孔36之间的间距等)。电子存储介质26可以与处理单元24集成在一起。在本发明的示例实施例中，处理装置24和电子存储介质26包括计算装置(诸如但不限于台式或膝上型计算机或手持式计算装置(例如但不限于平板电脑或智能手机))的元件。
在如此描述了根据本发明的示例实施例的远程检查系统10的基本要素之后，现在将结合图3来描述确定ROV 14在工作空间16内的三维位置的(例如，由处理装置24执行的)方法100。方法100开始于步骤102，其中从摄像机22接收工作空间16的视频馈送。接下来，如步骤104所示，对视频馈送进行处理以识别在工作空间16中或附近的界标30、34及其特征32、36。
在步骤104中已经识别出工作空间中或附近的界标和特征之后，将在该时间之前预先存储在电子存储介质26中的这种已知物理结构的尺寸数据用于确定在视频馈送中识别出的界标和特征与已知物理结构之间的相关性，诸如步骤106中所示。在本发明的示例实施例中，通过基于已知物理结构的先前已知尺寸信息构建三维基准框架以及这些结构在视频馈送中的显示来确定这种相关性。然后在步骤108中使用该相关性来将来自摄像机22的视频馈送校准到已知物理结构。
在步骤102-108中已经识别出/大体上三维地绘制了工作空间16之后，在步骤110中确定ROV 14上的多个基准标记20在校准后的视频馈送中的三维定位。最后，在步骤112中，使用校准后的视频馈送中的多个基准标记20的定位来确定ROV 14在工作空间16内的位置及其定向/倾斜度。通常，期望确定ROV的x、y、z位置和偏航以充分识别工作位置。在同时只有3个标记可见的情况下，可以唯一地确定这些参数。或者，如果可以使用先前状态信息来指定ROV的“前”端，则仅两个标记可见就足够了。
尽管已经详细描述了本发明的特定实施例，但是本领域技术人员将理解，可以根据本公开的整体教导来开发对那些细节的各种修改和替代。因此，所公开的特定布置仅意在说明而不是限制本发明的范围，本发明的范围将由随附权利要求及其任何和所有等同物的全部范围给出。
在权利要求中，放在括号之间的任何附图标记不应解释为对权利要求的限制。单词“包括”或“包含”不排除权利要求中列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。在列举几个装备的装置权利要求中，这些装备中的几个可以由一个且相同的硬件来体现。元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。在列举几个装备的任何装置权利要求中，这些装备中的几个可以由一个且相同的硬件来体现。在互不相同的从属权利要求中记载某些元件的事实并不表示这些元件不能组合使用。

Claims (13)

1.一种在三维工作空间(16)内定位远程操作车辆(14)的方法(100)，所述方法包括：
从摄像机(22)接收(102)工作空间的视频馈送；
处理(104)所述视频馈送以识别工作空间中或附近的已知物理结构的界标(30、34)以及界标的特征(32、36)；
确定(106)界标特征与已知物理结构之间的相关性；
使用所述相关性将来自摄像机的视频馈送校准(108)到已知物理结构；
确定(110)远程操作车辆上的多个基准标记(20)在校准后的视频馈送中的定位；以及
使用所述多个基准标记在校准后的视频馈送中的定位来确定远程操作车辆在工作空间内的三维位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定特征和界标与已知物理结构之间的相关性包括基于所述已知物理结构的先前已知尺寸信息来构建三维基准框架。
3.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述远程操作车辆上的多个基准标记在校准后的视频馈送中的定位包括确定至少三个不同的基准标记的定位。
4.根据权利要求3所述的方法，其中确定所述至少三个不同的基准标记的定位包括确定至少三个球形元件的定位。
5.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述远程操作车辆上的多个基准标记在校准后的视频馈送中的定位包括确定至少两个不同的基准标记的定位。
6.一种远程检查系统(10)，包括：
在三维工作空间内可操作的远程操作车辆(14)，所述远程操作车辆具有位于其上的多个基准标记(20)；
摄像机(22)，所述摄像机(22)位于工作空间的边界处或周围，所述摄像机被放置和构造为捕获定位于工作空间中或附近的界标(30、34)和特征(32、36)的图像；
电子存储介质(26)，所述电子存储介质(26)中存储有界标和特征的尺寸细节；以及
与摄像机和电子存储介质两者电连通的处理装置(24)，所述处理装置被编程为：
接收(102)来自摄像机的视频馈送中的工作空间的图像，
处理(104)所述视频馈送以识别特征和界标，
确定(106)界标和特征与已知物理结构之间的相关性，
使用所述相关性将来自摄像机的视频馈送校准(108)到已知物理结构，
确定(110)远程操纵车辆上的多个基准标记在校准后的视频馈送中的定位，以及
使用所述多个基准标记在校准后的视频馈送中的定位，确定(112)远程操作车辆在工作空间内的三维位置。
7.根据权利要求6所述的远程检查系统，其中，所述多个基准标记包括多个球形元件。
8.根据权利要求7所述的远程检查系统，其中，所述球形元件具有高对比度的颜色。
9.根据权利要求6所述的远程检查系统，其中，所述工作空间包括核反应堆容器的内部。
10.根据权利要求9所述的远程检查系统，其中，所述摄像机被放置于所述工作空间的上部处或附近。
11.根据权利要求6所述的远程检查系统，其中，所述电子存储介质和所述处理装置包括计算装置的元件。
12.根据权利要求11所述的远程检查系统，其中，所述计算装置包括台式计算机或膝上型计算机。
13.根据权利要求11所述的远程检查系统，其中，所述计算装置包括手持式计算装置。
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