CN111751839B - 一种水下智能扫描微分激光尺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下智能扫描微分激光尺，包括激光连接尺，所述激光连接尺固设在遥控无人潜水器上，所述激光连接尺的左端设置有激光装置，所述激光连接尺的右端设置有摄像装置，所述激光装置上固设有激光装置固定板，所述摄像装置上固设有摄像装置固定板，所述摄像装置内设置有数据处理模块，所述数据处理模块连接有图像采集模块，所述图像采集模块连接有惯导模块。本发明提供一种水下智能扫描微分激光尺，这种激光尺可以装配在遥控无人潜水器ROV上实现高精度水下深度测量，结构简单，操作方便；数据处理过程中，采用了曲率滤波，切合深度图场景，使用线激光大大提高深度数据获取效率，可以水下暗光图像增强，提高了激光测距效果感观。
Description
技术领域
本发明涉及遥控无人潜水器ROV水下设备深度测量技术领域，具体来说，涉及一种水下智能扫描微分激光尺。
背景技术
ROV，即遥控无人潜水器，是用于水下观察、检查和施工的水下机器人，是无人水下航行器的一种，系统组成一般包括：动力推进器、遥控电子通讯装置、黑白或彩色摄像头、摄像俯仰云台、用户外围传感器接口、实时在线显示单元、导航定位装置、自动舵手导航单元、辅助照明灯和凯夫拉零浮力拖缆等单元部件。功能多种多样，不同类型的ROV用于执行不同的任务，被广泛应用于军队、海岸警卫、海事、海关、核电、水电、海洋石油、渔业、海上救助、管线探测和海洋科学研究等各个领域。ROV分为观察级和作业级观察级，ROV的核心部件是水下推进器和水下摄像系统，有时辅以导航、深度传感器等常规传感器，本体尺寸和重量较小，负荷较低，成本较低；作业级ROV用于水下打捞、水下施工等应用，尺寸较大，带有水下机械手、液压切割器等作业工具，造价高。
现有的水下扫描微分激光尺结构比较复杂，操作不方便，激光测量效率低，精度不够，不能融合多线深度。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种水下智能扫描微分激光尺，解决现有的水下扫描微分激光尺结构比较复杂，操作不方便，激光测量效率低，精度不够，不能融合多线深度。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样的：
设计一种水下智能扫描微分激光尺，包括激光连接尺，所述激光连接尺固设在遥控无人潜水器上，所述激光连接尺的左端设置有激光装置，所述激光连接尺的右端设置有摄像装置，所述激光装置上固设有激光装置固定板，所述摄像装置上固设有摄像装置固定板，所述摄像装置内设置有数据处理模块，所述数据处理模块连接有图像采集模块，所述图像采集模块连接有惯导模块，其中，所述图像采集模块用于对图像数据的采集，所述数据处理模块用于对数据信息的转换与运算，所述惯导模块用于导航定位，其中，所述图像采集模块用于对图像数据的采集，所述数据处理模块用于对数据信息的转换与运算，所述惯导模块用于导航定位。
进一步，所述摄像装置包括圆筒一，所述圆筒一的左端设置有前压盖一，所述前压盖一的内表面上设置有钢化玻璃一，所述圆筒一的右端设置有后密封盖一，所述圆筒一内固设有镜头电路板，所述数据处理模块、图像采集模块均设置在所述镜头电路板上，所述镜头电路板连接有惯导电路板，所述惯导模块固设在所述惯导电路板上，所述镜头电路板、钢化玻璃一之间设置有摄像头。
进一步，所述钢化玻璃一、摄像头之间设置有密封圈一。
进一步，所述圆筒一、后密封盖一之间设置有密封圈二。
进一步，所述激光装置包括圆筒二，所述圆筒二的左端设置有前压盖二，所述圆筒二的右端设置有后密封盖二，所述圆筒二内固设有激光器，所述激光器、前压盖二之间设置有钢化玻璃二。
进一步，所述钢化玻璃二、激光器之间设置有密封圈三。
进一步，所述激光器、后密封盖二之间设置有限位块。
进一步，所述激光装置固定板上设置有凹槽一，所述摄像装置固定板上设置有凹槽二，所述凹槽一的几何尺寸与所述激光装置的几何尺寸相适配，所述凹槽二的几何尺寸与所述摄像装置的几何尺寸相适配。
进一步，所述激光连接尺上设置有激光尺固定板，所述激光尺固定板上均匀设置有若干个安装孔。
本发明的有益效果：这种水下智能扫描微分激光尺，可以装配在遥控无人潜水器ROV上实现高精度水下深度测量，结构简单，操作方便；数据处理过程中，采用了曲率滤波，切合深度图场景，使用线激光大大提高深度数据获取效率，可以水下暗光图像增强，提高了激光测距效果感官。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述一种水下智能扫描微分激光尺的实际应用结构示意图；
图2是根据本发明实施例所述一种水下智能扫描微分激光尺的结构示意图；
图3是图2中摄像装置的内部结构示意图；
图4是图2中激光装置的内部结构示意图；
图5是根据本发明实施例所述一种水下智能扫描微分激光尺的测量流程图；
图中：1、激光装置；2、激光装置固定板；3、摄像装置；4、摄像装置固定板；5、激光连接尺；6、前压盖一；7、钢化玻璃一；8、摄像头；9、镜头电路板；10、圆筒一；11、后密封盖一；12、前压盖二；13、钢化玻璃二；14、激光器；15、圆筒二；16、后密封盖二；17、遥控无人潜水器。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，根据本发明实施例所述的一种水下智能扫描微分激光尺，包括激光连接尺5，所述激光连接尺5固设在遥控无人潜水器17上，其特征在于，所述激光连接尺5的左端设置有激光装置1，所述激光连接尺5的右端设置有摄像装置3，所述激光装置1上固设有激光装置固定板2，所述摄像装置3上固设有摄像装置固定板4，所述摄像装置3内设置有数据处理模块，所述数据处理模块连接有图像采集模块，所述图像采集模块连接有惯导模块，其中，所述图像采集模块用于对图像数据的采集，所述数据处理模块用于对数据信息的转换与运算，所述惯导模块用于导航定位。
如图2-3所示，在本实施例中，所述摄像装置3包括圆筒一10，所述圆筒一10的左端设置有前压盖一6，所述前压盖一6的内表面上设置有钢化玻璃一7，所述圆筒一10的右端设置有后密封盖一11，所述圆筒一10内固设有镜头电路板9，所述数据处理模块、图像采集模块均设置在所述镜头电路板9上，所述镜头电路板9连接有惯导电路板，所述惯导模块固设在所述惯导电路板上，所述镜头电路板9、钢化玻璃一7之间设置有摄像头8。
如图3所示，在本实施例中，所述钢化玻璃一7、摄像头8之间设置有密封圈一，可以增加所述摄像装置3的密封性。
如图3所示，在本实施例中，所述圆筒一10、后密封盖一11之间设置有密封圈二，可以增加装置结构紧凑型。
如图2、4所示，在本实施例中，所述激光装置1包括圆筒二15，所述圆筒二15的左端设置有前压盖二12，所述圆筒二15的右端设置有后密封盖二16，所述圆筒二15内固设有激光器14，所述激光器14、前压盖二12之间设置有钢化玻璃二13。
如图4所示，在本实施例中，所述钢化玻璃二13、激光器14之间设置有密封圈三，可以增加所述激光装置1的密封性。
如图4所示，在本实施例中，所述圆筒二15、后密封盖二16之间设置有密封圈四，可以增加装置结构紧凑型。
如图4所示，在本实施例中，所述激光器14、后密封盖二16之间设置有限位块，可以使得所述激光器14结构更加稳定。
如图1-2所示，在本实施例中，所述激光装置固定板2上设置有凹槽一，所述摄像装置固定板4上设置有凹槽二，所述凹槽一的几何尺寸与所述激光装置1的几何尺寸相适配，所述凹槽二的几何尺寸与所述摄像装置3的几何尺寸相适配，可以使得所述激光装置1、摄像装置3固定更加稳定。
如图1-2所示，在本实施例中，所述激光连接尺5上设置有激光尺固定板，所述激光尺固定板上均匀设置有若干个安装孔，可以方便装置的安装与拆卸。
为方便对上述技术方案的进一步理解，现对其工作原理进行说明：
如图2所示，激光装置1与摄像装置3的成三十度夹角，根据三角测量原理，世界坐标系下不同深度的点投影到图像坐标会在y轴产生亮斑偏移，拟合实际深度与偏移量曲线，标定偏移量，则在x轴上每一点都可根据纵轴最亮点的y坐标计算其对应深度。
如图1-4所述，这种水下智能扫描微分激光尺，使用线激光三角测量方式，采用基于微分几何曲率滤波的深度优化，结合RGB图导向，提高深度图精度，通过IMU姿态估计辅以立体视觉融合姿态，拼接出以线深度为基础的面深度，多面融合，得到三维模型，填补了水下高精度线激光测距的空白，水下暗光图像增强提高水下暗光环境图像质量。
如图1-5所示，这种水下智能扫描微分激光尺的测量过程包括以下步骤：
一、相机IMU联合标定
棋盘格标定相机内参和畸变参数，计算将激光投影到相机坐标系，计算线激光光斑的角度，得到相机坐标与激光器坐标的翻滚角。根据相机内外参以及畸变参数重新映射像素坐标，静止状态标定IMU与相机的变换矩阵T。
二、原始图像中值、曲率滤波
对标定后的图像做中值滤波去除离群噪点，其后根据可展平面可由其切平面局部估计得到，在局部窗口中找到最小投影距离，采用基于微分几何曲率滤波的算法优化深度图，贴合深度图的结构化空间，用RGB图作为导向图，对其做导向滤波，优化恢复其局部细节。
三、error-state Kalman Filter优化IMU数据
采用ESKF过滤平滑IMU数据。
四、根据IMU数据配准相机姿态
针对高速运动模糊，转弯时前后帧位姿估计误差大，水下环境时与特征点不足等问题，这里引入IMU数据，融合图像特征计算得到的前后帧位姿。
五、按行取极值，设计滤波模板，过滤离群点。
找每一列最亮的点作为激光光斑，过滤所有光斑y轴坐标均值二分之一以下的点，以及实际像素灰度小于150的光斑，找到激光器投影在相机坐标的一行点集。
六、根据三角测量及之前标定好的模板曲线拟合，计算得到线深度。
相机坐标和激光器坐标系航向角偏30度，所以线激光扫过的世界坐标系下的平面落于相机投影坐标的唯一一点，即像素坐标系下同一xy平面不同深度(z)的点，对应在像素坐标y轴不同的高度。Savitzky-Golay滤波器拟合y轴亮斑高度值与世界坐标系的深度值。得到像素坐标系下Y轴亮斑高度与世界坐标系的深度值的哈希表。映射过滤得到光斑的点集的Y轴坐标的哈希值即为世界坐标系的深度值，同时，标定在不同世界坐标系下深度值时，世界坐标系下x轴物理尺寸与像素坐标系下x轴像素个数的映射，对最终渲染得到的深度图，对像素坐标x轴缩放，使其符合xz轴截面的大小比例。缩放比例微分公式如下公式：
对其积分即可得到世界坐标x轴尺寸变化在像素坐标上的表现以及zy轴对应变化比例。
七、立体视觉相机前后帧位姿变换
a、检测Oriented FAST角点位置；
b、根据角点位置计算BRIEF描述子；
c、使用Hamming距离对两幅图像中的BRIEF描述子进行匹配；
d、匹配点对筛选，找出所有匹配之间的最小距离和最大距离，当描述子之间的距离大于两倍的最小距离时,即认为匹配有误；
e、根据得到的匹配点，估计两帧之间的基础矩阵F，根据基础矩阵以及相机内存，计算本质矩阵E，再根据本质矩阵E,恢复两帧之间的旋转和平移，即变换矩阵T。
八、融合立体视觉及IMU的位姿
用IMU数据，做norminal state的预测，error-state协方差矩阵的预测；立体视觉得到得位姿变换T作为观测值，计算Kalman Gain，更新error-state和error state的协方差；将error state加到nominal state上，并重置error state。
九、根据前后帧位姿融合线深度得到面深度，多面融合得到三维模型
第一帧位姿作为世界坐标，将后续像素点根据如下公式相对位姿转到世界坐标下的点云：
十、3D渲染呈现三维模型
使用opencv的viz模块渲染3D模型呈现。
十一、框选根据弧线拟合圆，估计圆直径
a、对弧线做外接圆，找到外接圆半径；
b、在其外接圆两倍直径的同心外接正方形为搜索阈，搜索弧线的圆心；
c、在搜索阈对每一个点xij；
计算其与每一个弧线上的点Yk的距离Lij-k,计算其均值E(Lij-k)与方差Var(Lij-k)；
距离所有弧线上的点的所有方差Var(Lij-k)最小的xij即为所求圆心，E(Lij-k)即为圆半径。
在本发明的描述中，需要理解的是，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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种水下智能扫描微分激光尺，包括激光连接尺(5)，所述激光连接尺(5)固设在遥控无人潜水器(17)上，其特征在于，所述激光连接尺(5)的左端设置有激光装置(1)，所述激光连接尺(5)的右端设置有摄像装置(3)，所述激光装置(1)上固设有激光装置固定板(2)，所述摄像装置(3)上固设有摄像装置固定板(4)，所述摄像装置(3)内设置有数据处理模块，所述数据处理模块连接有图像采集模块，所述图像采集模块连接有惯导模块，其中，所述图像采集模块用于对图像数据的采集，所述数据处理模块用于对数据信息的转换与运算，所述惯导模块用于导航定位；
所述激光连接尺(5)上设置有激光尺固定板，所述激光尺固定板上均匀设置有若干个安装孔；
所述摄像装置(3)包括圆筒一(10)，所述圆筒一(10)的左端设置有前压盖一(6)，所述前压盖一(6)的内表面上设置有钢化玻璃一(7)，所述圆筒一(10)的右端设置有后密封盖一(11)，所述圆筒一(10)内固设有镜头电路板(9)，所述数据处理模块、图像采集模块均设置在所述镜头电路板(9)上，所述镜头电路板(9)连接有惯导电路板，所述惯导模块固设在所述惯导电路板上，所述镜头电路板(9)、钢化玻璃一(7)之间设置有摄像头(8)；
所述激光装置(1)包括圆筒二(15)，所述圆筒二(15)的左端设置有前压盖二(12)，所述圆筒二(15)的右端设置有后密封盖二(16)，所述圆筒二(15)内固设有激光器(14)，所述激光器(14)、前压盖二(12)之间设置有钢化玻璃二(13)。
2.根据权利要求1所述的一种水下智能扫描微分激光尺，其特征在于，所述钢化玻璃一(7)、摄像头(8)之间设置有密封圈一。
3.根据权利要求2所述的一种水下智能扫描微分激光尺，其特征在于，所述圆筒一(10)、后密封盖一(11)之间设置有密封圈二。
4.根据权利要求1所述的一种水下智能扫描微分激光尺，其特征在于，所述钢化玻璃二(13)、激光器(14)之间设置有密封圈三。
5.根据权利要求4所述的一种水下智能扫描微分激光尺，其特征在于，所述圆筒二(15)、后密封盖二(16)之间设置有密封圈四。
6.根据权利要求5所述的一种水下智能扫描微分激光尺，其特征在于，所述激光器(14)、后密封盖二(16)之间设置有限位块。
7.根据权利要求1所述的一种水下智能扫描微分激光尺，其特征在于，所述激光装置固定板(2)上设置有凹槽一，所述摄像装置固定板(4)上设置有凹槽二，所述凹槽一的几何尺寸与所述激光装置(1)的几何尺寸相适配，所述凹槽二的几何尺寸与所述摄像装置(3)的几何尺寸相适配。
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