CN113190022A - 一种基于视觉slam的水下有缆机器人定位系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于视觉SLAM的水下有缆机器人定位系统，其特征在于，包括通过线缆连接的水下有缆机器人和岸上计算机，所述的水下有缆机器人上至少具有控制器、电机驱动模块以及图像采集模块；所述控制器分别与所述电机驱动模块和图像采集模块连接，并将接收自岸上计算机的遥控指令发送给所述电机驱动模块；电机驱动模块，用于控制所述水下有缆机器人在水下的运动；图像采集模块，在控制器接收到采集图像指令后开始采集所述水下有缆机器人在水下运动时看到的水下图像；所述控制器还将所述图像采集模块获取的水下图像以及在此过程中获取的时间戳数据发送给所述岸上计算机，用于作为视觉SLAM算法的输入，输出水下有缆机器人的位置。
Description
技术领域
本发明涉及水下机器人定位领域，尤其涉及一种基于视觉SLAM的水下有缆机器人定位系统及其方法。
背景技术
机器人在水下环境的定位在水下船体检测、水下环境监测等应用中发挥着重要的作用。传统的水声定位系统，比如长基线、短基线、超短基线等，虽然能较准确地定位机器人的位置，但是这些水下定位系统价格昂贵，且安装比较困难，比如超短基线定位系统需要安装发射换能器和接收基阵。
与水声定位方式不同，SLAM技术通过融合安装在移动机器人上的多种传感器测量数据为机器人提供位姿估计，常见的有基于声呐和摄像头的水下SLAM方法。然而声呐设备普遍较为昂贵，且在一些较清晰的水域(比如珊瑚礁)，声呐的分辨率不如摄像头。目前基于摄像头的水下SLAM的具体实施主要存在两种方案，一种是通过人工方式控制水下机器人(有缆或者无缆)运动并采集数据，实验后将数据取出，再进行SLAM算法的测试，这属于离线方案，实时性差；另一种是在机器人上使用先进的控制器，使得机器人在采集数据的同时进行算法的测试，这会使得机器人的成本极大上升。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种方法及装置、电子设备，以解决相关技术中存在的控制器成本高和水下有缆机器人定位实时性差的技术问题。为了能够对水下机器人进行实时定位并且尽可能降低所用设备的成本，
根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于视觉SLAM的水下有缆机器人定位系统，包括通过线缆连接的水下有缆机器人和岸上计算机，所述的水下有缆机器人上至少具有控制器、电源模块、电机驱动模块以及图像采集模块；
所述控制器分别与所述电机驱动模块和图像采集模块连接，用于在接收并解析所述岸上计算机发送的遥控指令后，将所述遥控指令发送给所述电机驱动模块，还用于在接收并解析所述岸上机器人发送的采集图像指令后，控制图像采集模块进行图像获取；
所述电源模块用于给所述水下有缆机器人供电；
所述电机驱动模块用于接收所述控制器发送的遥控指令以控制所述水下有缆机器人在水下的运动；
所述图像采集模块用于采集所述水下有缆机器人在水下运动时看到的水下图像；
所述控制器还将所述图像采集模块获取的水下图像以及在此过程中获取的时间戳数据发送给所述岸上计算机，用于作为视觉SLAM算法的输入，输出水下有缆机器人的位置。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种基于视觉SLAM的水下有缆机器人定位方法，包括：
步骤一：在控制器上分别编写电机驱动指令等待程序和图像采集指令等待程序，并将这两个程序设置为控制器开机自启动，其中，所述电机驱动指令等待程序用于等待岸上计算机发送的遥控指令，获取并解析该遥控指令后将和电机驱动模块进行通信，使得水下有缆机器人根据遥控指令进行相应地运动；图像采集指令等待程序用于等待和接收岸上计算机发送的图像采集指令，获取该指令后将在控制器上运行图像采集程序；
步骤二：将水下有缆机器人和岸上计算机通过线缆相连，岸上计算机和遥控器相连，并将水下有缆机器人放置于水下；
步骤三：通过岸上计算机发送图像采集指令，并通过遥控器发出遥控指令控制水下有缆机器人运动；
步骤四：图像采集程序通过Gstreamer框架进行图像的获取以及处理，在该过程中同时获取图像帧的时间戳，最后将处理后的图像数据以及时间戳打包发送给岸上计算机；
步骤五：岸上计算机获取图像数据和时间戳后，将图像实时显示在屏幕上，方便用户根据传回的图像对水下有缆机器人进行控制；图像和时间戳将作为视觉SLAM算法的输入，视觉SLAM算法对图像进行特征提取和匹配，并利用多视图几何原理求出水下有缆机器人的位姿。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
对于前述水下有缆机器人控制器成本高的问题，由于本发明实施例采用的控制器仅用于与岸上计算机、电机驱动模块进行通信，同时控制图像采集模块进行水下图像的获取，本身不运行对硬件处理能力具有较高要求的视觉SLAM算法，因此可选用低成本的控制器，从而解决水下有缆机器人控制器成本高的问题。
对于前述水下有缆机器人定位实时性差的问题，由于本发明实施例将水下有缆机器人获取的图像数据和时间戳数据通过线缆发送给岸上计算机，岸上计算机利用视觉SLAM算法对图像数据和时间戳数据进行实时处理，输出水下有缆机器人的位置，从而解决了水下有缆机器人定位实时性差的问题。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为本发明一实施例中一种基于视觉SLAM的水下有缆机器人定位系统的整体结构示意图；
图2为本发明一实施例中一种基于视觉SLAM的水下有缆机器人定位的整体流程示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
图1为本发明一实施例中一种基于视觉SLAM的水下有缆机器人定位系统的整体结构示意图；本发明实施例提供一种基于视觉SLAM的水下有缆机器人定位系统，包括通过线缆连接的水下有缆机器人和岸上计算机，所述的水下有缆机器人上至少具有控制器、电源模块、电机驱动模块以及图像采集模块；所述控制器分别与所述电机驱动模块和图像采集模块连接，用于在接收并解析所述岸上计算机发送的遥控指令后，将所述遥控指令发送给所述电机驱动模块，用于在接收并解析所述岸上机器人发送的采集图像指令后，控制图像采集模块进行水下图像的采集；电源模块，用于给所述水下有缆机器人供电；电机驱动模块，用于接收所述控制器发送的遥控指令以控制所述水下有缆机器人在水下的运动；图像采集模块，用于采集所述水下有缆机器人在水下运动时看到的水下图像；所述控制器还将所述图像采集模块获取的水下图像以及在此过程中获取的时间戳数据发送给所述岸上计算机，用于作为视觉SLAM算法的输入，输出水下有缆机器人的位置。
由于本发明所述的控制器仅用于与岸上计算机、电机驱动模块进行通信，同时控制图像采集模块进行水下图像的获取，本身并不运行对硬件处理能力具有较高要求的视觉SLAM算法，因此可选用低成本的控制器，从而解决水下有缆机器人控制器成本高的问题。由于本发明将水下有缆机器人获取的图像数据和时间戳数据通过线缆发送给岸上计算机，岸上计算机利用视觉SLAM算法可对图像数据和时间戳数据进行实时处理，输出水下有缆机器人的位置，从而解决了水下有缆机器人定位实时性差的问题。
综上，本发明能够降低所用控制器的成本，同时能够达到对水下有缆机器人进行实时定位的技术效果。
本发明实施例中，所述的控制器可以为树莓派，但不限于此。所述的电源模块为18Ah锂电池，但不限于此。所述的图像采集装置为单目摄像头，但不限于此。所述的岸上计算机装有Ubuntu系统，并与所述控制器通过UDP协议通信。所述电机驱动模块可以采用pixhawk，但不限于此。
本发明实施例提供，该系统还可包括遥控器，所述遥控器与所述岸上计算机电连接，用于发送遥控指令给所述岸上计算机，所述岸上计算机接收并解析该遥控指令后，通过所述线缆将所述遥控指令发送给所述控制器。本实施例中，所述的遥控器为罗技G710，但不限于此。
本发明实施例提供一种基于视觉SLAM的水下有缆机器人定位方法，步骤如下：
步骤一：在控制器上分别编写电机驱动指令等待程序和图像采集指令等待程序，并将这两个程序设置为控制器开机自启动，其中，所述电机驱动指令等待程序用于等待岸上计算机发送的遥控指令，获取并解析该遥控指令后将和电机驱动模块进行通信，使得水下有缆机器人根据遥控指令进行相应地运动；图像采集指令等待程序用于等待和接收岸上计算机发送的图像采集指令，获取该指令后将运行图像采集程序；
具体地，电机驱动指令等待程序和图像采集指令等待程序均使用C++编程。电机驱动指令采用形如“MF1”的形式，其中第一个字母“M”指的是电机，和采集图像指令区分开，第二个字母指电机的动作，“F”指的是水下有缆机器人向前运动，类似地，“B”指向后运动等等，在编写电机驱动程序时可自定义，第三个数字指电机运转的速度。电机驱动指令等待程序获得该指令后将该指令发送给电机驱动模块，电机驱动模块根据获得的指令输出PWM波驱动电机，使得水下有缆机器人进行相应地运动。采集图像指令采用形如“IW1H1F1”的形式，其中第一个字母“I”表示采集图像，第二个字母表示设置采集图像的宽度，第三个数字表示用户设置的宽度，第四个字母表示设置采集图像的高度，第五个数字表示用户设置的高度，第六个字母表示设置图像的帧率，第七个数字表示用户设置的帧率。图像采集指令等待程序获得图像采集指令后，将启动控制器上的图像采集程序，并将接收到的指令输入给图像采集程序。
由于水下有缆机器人需要随时和岸上计算机进行通信，因此将电机驱动指令等待程序和图像采集指令等待程序设置为开机自启动是十分必要的。电机驱动指令和采集图像指令的不同有利于编程。
步骤二：将水下有缆机器人和岸上计算机通过线缆相连，岸上计算机和遥控器相连，并将水下有缆机器人放置于水下；
具体地，水下有缆机器人和线缆连接的接口采用水密接头，岸上计算机和遥控器可通过无线或者有线方式进行连接。将水下有缆机器人放置于水下前应对有缆机器人进行气密性检查。这么做是防止水下有缆机器人在水下运动时浸水。
步骤三：通过岸上计算机发送图像采集指令，并通过遥控器发出遥控指令控制水下有缆机器人运动；
具体地，岸上计算机应有图形界面，方便用户设置图像宽度、高度、帧率等信息，用户设置后通过点击发送按钮将该指令发送给水下有缆机器人。岸上计算机应同时运行遥控指令接收程序，该程序获取遥控指令，并将该指令发送给水下有缆机器人。用户可通过遥控器的双摇杆控制水下有缆机器人的运动，比如其中一个摇杆控制水下有缆机器人前后左右运动，另外一个摇杆控制机器人上下运动。这么设计是为了用户能够方便地发送遥控指令以及图像采集指令。
步骤四：图像采集程序通过Gstreamer框架进行图像的获取以及处理，在该过程中同时获取图像帧的时间戳，最后将处理后的图像数据以及时间戳打包发送给岸上计算机；
具体地，使用Gstreamer提供的gst-launch-1.0工具进行图像的获取，并将之前获取的图像参数(宽度、高度、帧率)作为输入。在该过程中，使用C++提供的标准库函数获得Unix时间戳。获得时间戳后，图像数据保存在本地，同时将时间戳数据作为图像数据的文件名。之后该带有Unix时间戳的图像数据文件将通过UDP协议发送给岸上计算机。
使用Gstreamer框架可以方便地获取图像，不需要了解底层细节。之所以要获取时间戳数据是为了后续的视觉SLAM算法的处理。
步骤五：岸上计算机获取图像数据和时间戳后，将图像实时显示在屏幕上，方便用户根据传回的图像对水下有缆机器人进行控制；图像和时间戳将作为视觉SLAM算法的输入，视觉SLAM算法对图像进行特征提取和匹配，并利用多视图几何原理求出水下有缆机器人的位姿。
具体地，岸上计算机获取图像数据后，可通过OpenCV或者Gstreamer框架进行图像的显示，同时根据图像数据的文件名获取时间戳数据。视觉SLAM算法(比如ORB-SLAM算法)读取图像和时间戳数据，对图像进行特征提取和匹配，并利用多视图几何原理求出水有缆机器人的位姿。
将获取的图像进行显示是为了方便用户控制水下有缆机器人在水下的运动，因为用户在岸上无法观察到水下的情况，所以需要通过水下有缆机器人传回的水下图像进行控制。
本实施例中，所述的时间戳为Unix时间戳，精度为微秒，本实施例中，所述图像的分辨率为640*480，帧率为30帧每秒。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种基于视觉SLAM的水下有缆机器人定位系统，其特征在于，包括通过线缆连接的水下有缆机器人和岸上计算机，所述的水下有缆机器人上至少具有控制器、电源模块、电机驱动模块以及图像采集模块；
所述控制器分别与所述电机驱动模块和图像采集模块连接，用于在接收并解析所述岸上计算机发送的遥控指令后，将所述遥控指令发送给所述电机驱动模块，还用于在接收并解析所述岸上机器人发送的采集图像指令后，控制图像采集模块进行图像获取；
所述电源模块用于给所述水下有缆机器人供电；
所述电机驱动模块用于接收所述控制器发送的遥控指令以控制所述水下有缆机器人在水下的运动；
所述图像采集模块用于采集所述水下有缆机器人在水下运动时看到的水下图像；
所述控制器还将所述图像采集模块获取的水下图像以及在此过程中获取的时间戳数据发送给所述岸上计算机，用于作为视觉SLAM算法的输入，输出水下有缆机器人的位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的控制器为树莓派。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的电源模块为18Ah锂电池。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的图像采集模块为单目摄像头。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的岸上计算机装有Ubuntu系统，并与所述控制器通过UDP协议通信。
6.根据权利要求1所述的一种基于视觉SLAM的水下有缆机器人定位系统，其特征在于，还包括遥控器，所述遥控器与所述岸上计算机电连接，用于发送遥控指令给所述岸上计算机，所述岸上计算机接收并解析该遥控指令后，通过所述线缆将所述遥控指令发送给所述控制器。
7.根据权利要求1所述的一种基于视觉SLAM的水下有缆机器人定位系统，其特征在于，所述的遥控器为罗技G710。
8.一种基于视觉SLAM的水下有缆机器人定位方法，其特征在于，包括：
步骤一：在控制器上分别编写电机驱动指令等待程序和图像采集指令等待程序，并将这两个程序设置为控制器开机自启动，其中，所述电机驱动指令等待程序用于等待岸上计算机发送的遥控指令，获取并解析该遥控指令后将和电机驱动模块进行通信，使得水下有缆机器人根据遥控指令进行相应地运动；图像采集指令等待程序用于等待和接收岸上计算机发送的图像采集指令，获取该指令后将在控制器上运行图像采集程序；
步骤二：将水下有缆机器人和岸上计算机通过线缆相连，岸上计算机和遥控器相连，并将水下有缆机器人放置于水下；
步骤三：通过岸上计算机发送图像采集指令，并通过遥控器发出遥控指令控制水下有缆机器人运动；
步骤四：图像采集程序通过Gstreamer框架进行图像的获取以及处理，在该过程中同时获取图像帧的时间戳，最后将处理后的图像数据以及时间戳打包发送给岸上计算机；
步骤五：岸上计算机获取图像数据和时间戳后，将图像实时显示在屏幕上，方便用户根据传回的图像对水下有缆机器人进行控制；图像和时间戳将作为视觉SLAM算法的输入，视觉SLAM算法对图像进行特征提取和匹配，并利用多视图几何原理求出水下有缆机器人的位姿。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的时间戳为Unix时间戳，精度为微秒。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述图像的分辨率为640*480，帧率为30帧每秒。
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