CN111619770B - 一种水下无人机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水下无人机及其控制方法，通过深度传感器和电罗经和磁罗经连接主控器，再通过浊度传感器读取当前水质的浑浊度，多阈值比较器，根据当前水质的浑浊度与设定的多个阈值相比较，主控器读取上述多阈值比较器的输出，主控器根据主摄像头的成像效果和水质的浊度系数对应不同级别的照明需求，不同级别的需求映射为驱动相应的机械臂到特定的方位和/或驱动单只机械臂上相应的照明光源转向特定的角度，主控器的输出端分别连接多只机械臂的机械驱动装置和照明光源的输入端，从而为主摄像头形成提供照明，解决了现有的声学系统无法提供足够的带宽传输上述实时图像和视频给母船，以提供水下图像和视频实时传输和监测。

Description

一种水下无人机及其控制方法
技术领域
本发明涉及水下无人机领域，尤其涉及一种水下无人机及其控制方法。
背景技术
随着社会发展和科技进步，水下机器人的应用范围越来越广泛，尤其是海洋科考、资源勘探等重点领域。现有的对正在水下进行自主作业的自主水下机器人实施拍摄的方式是：1）采用有线的方式，母船与水下机器人采用固定线缆连接，水下机器人拍回画面后直接回传给母船，但是，这种拍摄方式受到线缆的制约，水下机器人只能以母船为球心，线缆为半径的范围进行拍摄，无法近距离拍摄被摄物体，再加上水况受潮汐、水流、天气的影响非常大，水域的透明度严重影响水下拍摄，从而造成影响的模糊甚至不可辨识；2）母船与水下机器人同时搭载声学定位装置并建立声学通信信道，但现有的母船与水下机器人进行声波和超声波的数据传输方式，极大程度上依赖于母船与自主水下机器人之间的声学系统带宽，但声学系统的带宽有限，在水下机器人捕获实时图像和视频后，声学系统无法提供足够的带宽传输上述实时图像和视频给母船。
因此，急需设计一种水下无人机及其控制方法，以提供水下图像和视频的实时传输和监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水下无人机及其控制方法，以解决现有的声学系统无法提供足够的带宽传输上述实时图像和视频给母船，以提供水下图像和视频实时传输和监测。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种水下无人机，包括：水下无人机主体1和机械臂2，水下无人机主体1和机械臂2通过机械连接和电连接；
水下无人机主体1包括主控器3、深度传感器4和/或电罗经5和/或磁罗经6、主摄像头7、浊度传感器8、多阈值比较器9；机械臂2包括机械驱动装置10和照明光源11的输入端；其中，深度传感器4、电罗经5和磁罗经6的输出端均连接至主控器3的输入端，水下无人机通过光纤电缆下放到预定深度附近；浊度传感器8的输出端连接至多阈值比较器9的输入端，读取当前水质的浑浊度；多阈值比较器9的输出端连接至主控器3的输入端，根据当前水质的浑浊度，与设定的多个阈值相比较，输出不同的触发信号给主控器3的输入端；
主控器3读取上述多阈值比较器的输出，主控器根据主摄像头的成像效果和水质的浊度系数对应不同级别的照明需求，不同级别的需求映射为驱动相应的机械臂到特定的方位和/或驱动单只机械臂上相应的照明光源转向特定的角度，主控器的输出端分别连接多只机械臂的机械驱动装置10和照明光源11的输入端；其中，每只机械臂2配置有至少一个照明光源11，所述照明光源通过水下无人机的多只机械臂延伸至主摄像头周围，从而为主摄像头形成提供照明；
主摄像头7与机械臂2上的照明光源11均设置有定位装置12和/或测距装置13，能够根据需要调整主摄像头7和上述照明光源11之间的距离和方向角，主控器3的输出端分别连接上述定位装置12和/或测距装置13。母船作为控制端，能够根据上述定位装置12和/或测距装置13给出的主摄像头7与照明光源11之间的距离和方向角，调整机械臂的照射角度和照明光源的亮度；
水下无人机与母船通过光纤电缆连接，实时回传水下的图像和视频给母船，所述图像和视频至少达到1080P的视频显示格式；
水下无人机与母船之间连接光纤电缆的端部采用磁性结构紧扣，当被摄物体所在水深超过上述光纤电缆再加上水下无人机机械臂的长度时，水下无人机与母船之间可以通过另一相同的水下无人机与光纤电缆实现级联，以延长拍摄深度。
一种水下无人机的控制方法，步骤包括：
101、水下无人机根据深度传感器和/或电罗经和/或磁罗经通过光纤电缆下放到预定深度附近；
102、打开主摄像头获取周围画面，随着水下无人机的运动，通过浊度传感器读取当前水质的浑浊度，多阈值比较器根据当前水质的浑浊度，与设定的多个阈值相比较，输出信号给主控器；
103、主控器读取上述多阈值比较器的输出，主控器根据主摄像头的成像效果和水质的浊度系数对应不同级别的照明需求，不同级别的需求映射为驱动相应的机械臂到特定的方位和/或驱动单只机械臂上相应的照明光源转向特定的角度；其中，每只机械臂配置有至少一个照明光源，所述照明光源通过水下无人机的多只机械臂延伸至主摄像头周围，从而为主摄像头形成提供照明；其中，主摄像头与机械臂上的照明光源均设置有定位装置和/或测距装置，能够根据需要调整主摄像头和上述照明光源之间的距离的方向角。母船作为控制端，能够根据上述定位装置和/或测距装置在计算机上重现主摄像头与机械臂上的照明光源的3D立体姿态，方便母船根据上述3D立体姿态和主摄像头，调整机械臂的照射角度和照明光源的亮度；
步骤104、水下无人机与母船通过光纤电缆连接，实时回传水下的图像和视频给母船，所述图像和视频至少达到1080P的视频显示格式。
步骤105、水下无人机与母船之间连接光纤电缆的端部采用磁性结构紧扣，当被摄物体所在水深超过上述光纤电缆再加上水下无人机机械臂的长度时，水下无人机与母船之间可以通过另一相同的水下无人机与光纤电缆实现级联，以延长拍摄深度。
与现有技术相比，本申请的技术方案通过设置浊度传感器，读取当前水质的浑浊度；多阈值比较器，根据当前水质的浑浊度与设定的多个阈值相比较，主控器读取上述多阈值比较器的输出，主控器根据主摄像头的成像效果和水质的浊度系数对应不同级别的照明需求，不同级别的需求映射为驱动相应的机械臂到特定的方位和/或驱动单只机械臂上相应的照明光源转向特定的角度，从而决定是否开启多只机械臂上的照明光源，其中，每只机械臂配置有至少一个照明光源，所述照明光源通过水下无人机的多只机械臂延伸至主摄像头周围，从而为主摄像头形成提供照明，解决了现有的声学系统无法提供足够的带宽传输上述实时图像和视频给母船，以提供水下图像和视频实时传输和监测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的一种水下无人机。
图2是本发明一实施例提供的一种水下无人机的控制方法。
附图标记：1、水下无人机主体；2、机械臂；3、主控器；4、深度传感器；5、电罗经；6、磁罗经；7、主摄像头；8、浊度传感器；9、多阈值比较器；10、机械驱动装置10；11、照明光源；12、定位装置；13；测距装置；14、探伤仪；15、水流传感器；16、潮汐传感器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示，本发明一实施例提供一种水下无人机，包括：水下无人机主体1和机械臂2，水下无人机主体1和机械臂2通过机械连接和电连接；
水下无人机主体1包括主控器3、深度传感器4和/或电罗经5和/或磁罗经6、主摄像头7、浊度传感器8、多阈值比较器9；机械臂2包括机械驱动装置10和照明光源11的输入端；其中，深度传感器4、电罗经5和磁罗经6的输出端均连接至主控器3的输入端，水下无人机通过光纤电缆下放到预定深度附近；浊度传感器8的输出端连接至多阈值比较器9的输入端，读取当前水质的浑浊度；多阈值比较器9的输出端连接至主控器3的输入端，根据当前水质的浑浊度，与设定的多个阈值相比较，输出不同的触发信号给主控器3的输入端；
主控器3读取上述多阈值比较器输出的不同的触发信号，获取当前水质的浊度系数，根据上述水质的浊度系数，主控器驱动对应数量的机械臂和/或开启单只机械臂上的对应数量的照明光源，延伸至主摄像头7的周围进行照明；其中，主控器的输出端分别连接多只机械臂的机械驱动装置10和照明光源11的输入端，每只机械臂2配置有至少一个照明光源11，水质的浊度系数对应不同级别的照明需求，不同级别的需求映射为对应数量的机械臂和/或单只机械臂上的对应数量的照明光源；
主摄像头7与机械臂2上的照明光源11均设置有定位装置12和/或测距装置13，能够根据需要调整主摄像头7和上述照明光源11之间的距离和方向角，主控器3的输出端分别连接上述定位装置12和/或测距装置13。母船作为控制端，能够根据上述定位装置12和/或测距装置13给出的主摄像头7与照明光源11之间的距离和方向角，调整机械臂的照射角度和照明光源的亮度。
优选的，主摄像头嵌入在一只机械臂的顶端上，通过机械臂的伸缩和弯曲，缩小水下摄像机离被摄物体的拍摄距离，从而提高拍摄图像和视频的清晰度。
优选的，主控器根据主摄像头的成像效果和水质的浊度系数对应不同级别的照明需求，不同级别的需求映射为驱动相应的机械臂到特定的方位和/或驱动单只机械臂上相应的照明光源转向特定的角度，以提供方向性的光照强度。
优选的，每只机械臂配置有至少一个照明光源，上述照明光源的照射方向与主摄像头的拍摄方向成30-60度夹角，形成斜侧光，以进一步提高拍摄图像和视频的清晰度。在同样的拍摄条件下，光源从不同的照射方向对影像的清晰度有一定影像，当光源的照射方向与镜头的拍摄方向为同向时，即顺光时，镜头前的水中颗粒对摄图像和视频的清晰度影响较大，此时，通过机械臂的伸缩和弯曲来调整光源的照射方向与镜头的拍摄角度，形成斜侧光。
优选的，每只机械臂配置有至少一个探伤仪14，可实现水下探伤检测，可配合上述主摄像头使用，对船底进行检修和探伤，数据和视频实时记录并上传，进行船底环境的评估和诊断。
优选的，水下无人机还具有水流传感器15和潮汐传感器16，因为水流和潮汐等变化，水的透明度也会发生变化，从而影响主摄像头的图像和视频拍摄，因此，需要设置水流传感器15和潮汐传感器16，根据上述传感器的反馈，决定是否开启更多的机械臂上的照明光源，和/或开启同一只机械臂上的多个照明光源，以形成足够的光照来完成该区域的图像和视频拍摄。
优选的，将上述多只机械臂设计为蛇形机械臂，可以进行伸缩和弯曲，以克服复杂地形和特殊的缝隙结构的监测和拍摄。
优选的，水下无人机与母船通过光纤电缆连接，实时回传水下的图像和视频给母船，所述图像和视频至少达到1080P的视频显示格式。
优选的，水下无人机与母船之间连接光纤电缆的端部采用磁性结构紧扣，当被摄物体所在水深超过上述光纤电缆再加上水下无人机机械臂的长度时，水下无人机与母船之间可以通过另一相同的水下无人机与光纤电缆实现级联，以延长拍摄深度。
如图2所示，本发明一实施例提供一种水下无人机的控制方法，步骤包括：
101、水下无人机根据深度传感器和/或电罗经和/或磁罗通过光纤电缆下放到预定深度附近；
102、打开主摄像头获取周围画面，随着水下无人机的运动，通过浊度传感器读取当前水质的浑浊度，多阈值比较器根据当前水质的浑浊度，与设定的多个阈值相比较，输出信号给主控器；
103、主控器读取上述多阈值比较器的输出，获取当前水质的浊度系数，根据上述水质的浊度系数，主控器驱动对应数量的机械臂和/或开启单只机械臂上的对应数量的照明光源，延伸至主摄像头7的周围进行照明；其中，每只机械臂配置有至少一个照明光源，所述照明光源通过水下无人机的多只机械臂延伸至主摄像头周围，从而为主摄像头形成提供照明；其中，主摄像头与机械臂上的照明光源均设置有定位装置和/或测距装置，能够根据需要调整主摄像头和上述照明光源之间的距离的方向角。母船作为控制端，能够根据上述定位装置和/或测距装置在计算机上重现主摄像头与机械臂上的照明光源的3D立体姿态，方便母船根据上述3D立体姿态和主摄像头，调整机械臂的照射角度和照明光源的亮度；
步骤104、水下无人机与母船通过光纤电缆连接，实时回传水下的图像和视频给母船，所述图像和视频至少达到1080P的视频显示格式。
步骤105、水下无人机与母船之间连接光纤电缆的端部采用磁性结构紧扣，当被摄物体所在水深超过上述光纤电缆再加上水下无人机机械臂的长度时，水下无人机与母船之间可以通过另一相同的水下无人机与光纤电缆实现级联，以延长拍摄深度。
优选的，主摄像头也嵌入在一只机械臂的顶端上，通过机械臂的伸缩和弯曲，缩小水下摄像机离被摄物体的拍摄距离，从而提高拍摄图像和视频的清晰度。进一步的，将上述多只机械臂设计为蛇形机械臂，可以进行伸缩和弯曲，以克服复杂地形和特殊的缝隙结构的监测和拍摄，也就是说，步骤102、打开主摄像头获取周围画面，并通过蛇形机械臂的伸缩和弯曲，缩小水下摄像机离被摄物体的拍摄距离。
优选的，主控器根据主摄像头的成像效果和水质的浊度系数对应不同级别的照明需求，不同级别的需求映射为驱动相应的机械臂到特定的方位和/或驱动单只机械臂上相应的照明光源转向特定的角度，以提供方向性的光照强度，也就是说，103、主控器读取上述多阈值比较器的输出，调主控器根据主摄像头的成像效果和水质的浊度系数对应不同级别的照明需求，不同级别的需求映射为驱动相应的机械臂到特定的方位和/或驱动单只机械臂上相应的照明光源转向特定的角度。
优选的，每只机械臂配置有至少一个照明光源，上述照明光源的照射方向与主摄像头的拍摄方向调整成30-60度夹角，形成斜侧光，以进一步提高拍摄图像和视频的清晰度。在同样的拍摄条件下，光源从不同的照射方向对影像的清晰度有一定影像，当光源的照射方向与镜头的拍摄方向为同向时，即顺光时，镜头前的水中颗粒对摄图像和视频的清晰度影响较大，此时，通过机械臂的伸缩和弯曲来调整光源的照射方向与镜头的拍摄角度，形成斜侧光，也就是说，步骤103、主控器读取上述多阈值比较器的输出，调整多只机械臂上到合适位置并开启机械臂上的照明光源，所述合适位置为上述照明光源的照射方向与主摄像头的拍摄方向调整成30-60度夹角，形成斜侧光。
优选的，每只机械臂配置有至少一个探伤仪14，可实现水下探伤检测，可配合上述主摄像头使用，对船底进行检修和探伤，数据和视频实时记录并上传，进行船底环境的评估和诊断，也就是说，步骤102、打开主摄像头获取周围画面的同时，对被摄物进行探伤。
优选的，水下无人机还具有水流传感器15和潮汐传感器16，因为水流和潮汐等变化，水的透明度也会发生变化，从而影响主摄像头的图像和视频拍摄，因此，需要设置水流传感器15和潮汐传感器16，根据上述传感器的反馈，决定是否开启更多的机械臂上的照明光源，和/或开启同一只机械臂上的多个照明光源，以形成足够的光照来完成该区域的图像和视频拍摄，也就是说，步骤102、打开主摄像头获取周围画面，随着水下无人机的运动，通过浊度传感器读取当前水质的浑浊度，通过水流传感器15读取当前水流速度，通过潮汐传感器16读取潮汐信息，多阈值比较器根据当前水质的浑浊度、水流速度和潮汐信息，与设定的多个阈值相比较，输出信号给主控器。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种水下无人机，其特征在于，包括：水下无人机主体和机械臂，水下无人机主体和机械臂通过机械连接和电连接；
水下无人机主体包括主控器、深度传感器和/或电罗经和/或磁罗经、主摄像头、浊度传感器、多阈值比较器；机械臂包括机械驱动装置和照明光源；其中，深度传感器、电罗经和磁罗经的输出端均连接至主控器的输入端，水下无人机通过光纤电缆下放到预定深度附近；浊度传感器的输出端连接至多阈值比较器的输入端，读取当前水质的浑浊度；多阈值比较器的输出端连接至主控器的输入端，根据当前水质的浑浊度，与设定的多个阈值相比较，输出不同的触发信号给主控器的输入端；主控器读取上述多阈值比较器输出的不同的触发信号，获取当前水质的浊度系数，根据上述水质的浊度系数，主控器驱动对应数量的机械臂和/或开启单只机械臂上的对应数量的照明光源，延伸至主摄像头的周围进行照明；其中，每只机械臂配置有至少一个照明光源，所述照明光源通过水下无人机的多只机械臂延伸至主摄像头周围，从而为主摄像头形成提供照明。
2.根据权利要求1所述的水下无人机，其特征在于，主摄像头与机械臂上的照明光源均设置有定位装置和/或测距装置，能够根据需要调整主摄像头和上述照明光源之间的距离的方向角，上述照明光源的照射方向与主摄像头的拍摄方向成30-60度夹角，形成斜侧光。
3.根据权利要求1所述的水下无人机，其特征在于，主摄像头嵌入在一只机械臂的顶端上，通过机械臂的伸缩和弯曲，缩小水下摄像机离被摄物体的拍摄距离，将上述多只机械臂设计为蛇形机械臂进行伸缩和弯曲。
4.根据权利要求1所述的水下无人机，其特征在于，主控器根据主摄像头的成像效果和水质的浊度系数对应不同级别的照明需求，不同级别的需求映射为驱动相应的机械臂到特定的方位和/或驱动单只机械臂上相应的照明光源转向特定的角度。
5.根据权利要求1所述的水下无人机，其特征在于，水下无人机与母船之间连接光纤电缆的端部采用磁性结构紧扣，当被摄物体所在水深超过上述光纤电缆再加上水下无人机机械臂的长度时，水下无人机与母船之间可以通过另一相同的水下无人机与光纤电缆实现级联，以延长拍摄深度。
6.根据权利要求1-5的任何一项权利要求所述的水下无人机的控制方法，其特征在于，步骤包括：
101、水下无人机根据深度传感器和/或电罗经和/或磁罗经通过光纤电缆下放到预定深度附近；
102、打开主摄像头获取周围画面，随着水下无人机的运动，通过浊度传感器读取当前水质的浑浊度，多阈值比较器根据当前水质的浑浊度，与设定的多个阈值相比较，输出信号给主控器；
103、主控器读取上述多阈值比较器的输出，获取当前水质的浊度系数，根据上述水质的浊度系数，主控器驱动对应数量的机械臂和/或开启单只机械臂上的对应数量的照明光源，延伸至主摄像头的周围进行照明；其中，每只机械臂配置有至少一个照明光源，所述照明光源通过水下无人机的多只机械臂延伸至主摄像头周围，从而为主摄像头形成提供照明；其中，主摄像头与机械臂上的照明光源均设置有定位装置和/或测距装置，能够根据需要调整主摄像头和上述照明光源之间的距离的方向角；
母船作为控制端，能够根据上述定位装置和/或测距装置在计算机上重现主摄像头与机械臂上的照明光源的3D立体姿态，方便母船根据上述3D立体姿态和主摄像头，调整机械臂的照射角度和照明光源的亮度；
步骤104、水下无人机与母船通过光纤电缆连接，实时回传水下的图像和视频给母船，所述图像和视频至少达到1080P的视频显示格式；
步骤105、水下无人机与母船之间连接光纤电缆的端部采用磁性结构紧扣，当被摄物体所在水深超过上述光纤电缆再加上水下无人机机械臂的长度时，水下无人机与母船之间可以通过另一相同的水下无人机与光纤电缆实现级联，以延长拍摄深度。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，步骤102、打开主摄像头获取周围画面，并通过蛇形机械臂的伸缩和弯曲，缩小水下摄像机离被摄物体的拍摄距离，上述照明光源的照射方向与主摄像头的拍摄方向调整成30-60度夹角，形成斜侧。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，步骤103、主控器读取上述多阈值比较器的输出，主控器根据主摄像头的成像效果和水质的浊度系数对应不同级别的照明需求，不同级别的需求映射为驱动相应的机械臂到特定的方位和/或驱动单只机械臂上相应的照明光源转向特定的角度。
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