CN114148491A - 自适应视觉成像及传感定位的多功能水下巡捕机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自适应视觉成像及传感定位的多功能水下巡捕机器人，包括水下推进机构、核心舱和机械臂、清淤功能模块；水下推进机构包括机器人机架、推进器，推进器分为横向推进器和升降推进器；核心舱内设置有驱动控制模块和视觉成像模块、水下定位模块；本发明利用树莓派视觉成像识别水下环境对视觉画面实时传输，结合姿态传感器获取机器人在水下的实时数据，来完成对水下机器人的稳定定位、状态分析及信息传输。本装置使用IMU惯导定位系统，使水下机器人可稳定、精准地同步传送水下环境与机器人定位，为水下作业提供可靠的基体平台；清淤功能模块清除管道表面异物的同时为视觉成像扫除障碍；各模块共同协作，实现对海底管道的检测、清淤功能。

Description

自适应视觉成像及传感定位的多功能水下巡捕机器人

技术领域

本发明涉及汽车座椅领域，具体为自适应视觉成像及传感定位的多功能水下巡捕机器人。

背景技术

海洋环境所蕴藏的大量石油、天然气、可燃冰等矿产资源，关系着未来人类社会的繁荣发展，水下机器人在探测未知水下环境方面的高效优势被迅速放大，研发具备水下定位和视觉画面实时传输的智能水下作业机器人就显得更加重要。同时在新兴产业：水下养殖、水下资源考察、海底线缆铺设等领域起到了至关重要的作用

遥控式水下机器人已经广泛应用到海洋环境、海洋工程、海洋地质等方面的科学考察。由于受遥控缆绳的限制，只适用于活动范围不大的地方。自主式水下机器人具有活动范围大、隐蔽性好等优点，不仅在民用领域可用于海底考察、海底施工等，还可以在军事领域用于侦察、援潜、救生等。

目前应用于水下的SLAM系统因为主动光学传感器在以水作为介质的环境下传播距离有较大折损，另一方面，适宜水下探测的声呐传感器不仅价格昂贵，同时获取的数据信息不够丰富。而视觉SLAM的应用，具有传感器成本低廉，搭载轻便，图像数据蕴含丰富的形状、颜色、纹理、语义等信息的优点。因其视觉相机对光感要求较高，而光在水下传播过程中会受到水的吸收效应、散射效应和卷积效应，水下图像对比度低、均匀性差、信噪比小，并且具有严重的灰白效应，对画面的传输和实时定位产生较大影响，同时依赖前期相机标定，使其在未知水域的应用上较为狭隘。

针对水下运行环境是一种动态的、不确定性的多主体环境，水下机器人需要具备较高的自主性、实时性来确保水下任务精确完成。必须使机器人从传感器获取的数据具有一定的稳定性，并且利用这些数据很快的对自身的状态进行位姿估计。

由于长期固定在深水之中，海底管道易成为各种海洋生物群落生长、繁殖的栖居地。例如，藤壶、海藻、贝壳等生物长期附着在管道表面。随着生物的聚集与堆积，不仅会对管道产生生物腐蚀，还会使导管架的结构特性发生变化，改变其力学特性，进而影响导管架的寿命，增加海洋平台运行的安全隐患。

另外，为了改善交通条件、解决民生问题、适应区域经济发展需要，各地工程建设如雨后春笋般兴起，为确保工程建设的安全，不对地下、水下已有管线设施造成破坏，在建设设计阶段应该进行管线探测工作。有时受客观环境和资料缺失的影响，查明管线位置及分布情况变得复杂。尤其对于水下管线，施工后的资料和管线在水下的实际状况可能相差很大，而水上桩基作业等对于水下管线的了解要求很高，有可能造成重大事故。

综上所述，提出自适应视觉成像及传感定位的多功能水下巡捕机器人。

发明内容

本发明的目的在于提供自适应视觉成像及传感定位的多功能水下巡捕机器人，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：自适应视觉成像及传感定位的多功能水下巡捕机器人，包括水下推进机构、核心舱和机械臂；

水下推进机构包括机器人机架、推进器，推进器分为横向推进器和升降推进器；横向推进器设置有四个，分别设置在机器人机架的四个角上，实现水下巡捕机器人的前进、后退、左平移、右平移、左转、右转运动；升降推进器设置有两个，分别设置在机器人机架在两侧，实现上浮和下潜；横向推进器和升降推进器配合使用实现左右翻滚；

核心舱内设置有驱动控制模块和视觉成像模块、水下定位模块；

驱动控制模块包括主控板、推进器驱动板、电池、通讯模块；主控板上安装主控芯片，主控芯片采用STM32F427VI主控芯片；推进器驱动板的型号为STM32F103CBT6，用于驱动各推进器；通讯模块采用433M无线通信模块；

视觉成像模块采用树莓派3B+处理器，视觉成像模块通过自带的摄像头采集图像数据，通过Opencv计算机视觉库对通过摄像头采集到的图像进行数字处理，通过串口工具XCOM发送数据，完成水下机器人运动控制；

水下定位模块包括避障传感器、深度传感器、惯性传感器；惯性传感器由三轴陀螺仪与三轴加速度计组成，检测机器人的加速度与旋转运动,实时估计机器人在水中的运动状态；深度传感器读取机器人当前深度信息；避障传感器包括漫反射式红外光电传感、速度传感器，获得水下环境的全方位数据信息，使机器人能够自主进行姿态纠正完成稳定运行；

机械臂采用六自由度机械臂，采用全防水数字舵机作为关机处的运动执行机构；

清淤功能模块安装在机器人机架底部两侧，两个清淤功能模块从两侧对管道表面异物进行清洗。

优选的，所述机器人机架由8mmPP板雕刻制作，并通过拼装而成。

优选的，所述推进器内设置有直流无刷电机和螺旋桨。

优选的，所述水下推进机构上安装水下高清摄像头。

优选的，所述清淤功能模块包括清淤支架、清淤电机、清淤转轴、清淤刷座、清淤刷，清淤支架一端固定安装在机器人机架底部，清淤支架另一端固定安装清淤电机，清淤电机的输出端连接清淤转轴，清淤转轴另一端连接清淤刷座，清淤刷座上安装有清淤刷，清淤刷接触管道表面，对其上异物进行清洗。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用树莓派视觉成像识别水下环境对视觉画面实时传输，结合姿态传感器获取机器人在水下的实时数据，来完成对水下机器人的稳定定位、状态分析及信息传输。本发明采用先进的无刷直流推进器进行布局组合，保证了水下机器人的平稳运行，并结合树莓派视觉成像系统，实现水下机器人位置参数的实时传输，大大减少了水下机器人信息传输滞后、不准确的现象。本装置使用IMU惯导定位系统，使水下机器人可稳定、精准地同步传送水下环境与机器人定位，为水下作业提供可靠的基体平台。通过各部件的协同合作与控制交流，共同实现“水下探知-实时传输-用户决策”的立体操作与完整功能，具有较强的时空稳定性与快速的信息传输系统，能够最大程度地提高工作效率，在水下机器人工作革新方面具有极大的突破与优势。清淤功能模块清除管道表面异物的同时为视觉成像扫除障碍，利用旋转刷毛软硬适宜的特性，全方位覆盖管道，不留死角的清理管道污物，巡检清淤一步到位，大幅降低巡检成本；各模块共同协作，实现对海底管道的检测、清淤功能。

附图说明

图1为本发明的机器人的整体结构示意图；

图2为本发明的机器人的前段结构示意图；

图3为本发明的机器人的后段结构示意图；

图4为本发明的机器人机架和推进器的结构示意图；

图5为本发明的推进器的结构示意图；

图6为本发明的清淤功能模块的结构示意图。

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。

请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：自适应视觉成像及传感定位的多功能水下巡捕机器人，包括水下推进机构、核心舱和机械臂4。

水下推进机构包括机器人机架1、推进器3，机器人机架1由8mmPP板雕刻制作，并通过拼装而成，在机器人机架1上安装各部件后，用硅橡胶704对机器各个配件进行防水处理。

推进器3分为横向推进器和升降推进器；横向推进器设置有四个，分别设置在机器人机架1的四个角上，实现水下巡捕机器人的前进、后退、左平移、右平移、左转、右转运动；升降推进器设置有两个，分别设置在机器人机架1在两侧，实现上浮和下潜；横向推进器和升降推进器配合使用实现左右翻滚；六个推进器的组合方式为机器人提供灵活强劲的动力。如图2，其中一号推进器31、二号推进器32、五号推进器35、六号推进器36为横向推进器，三号推进器33、四号推进器34为升降推进器；每个推进器在旋转的时候会与水发生摩擦，产生水平的扭矩，所以需要对称的推进器3沿相反方向旋转，让力矩相互抵消，从而保证机器人平衡。所述推进器3内设置有直流无刷电机和螺旋桨，采用BD36推进器，额定电压为12v，内置控制板提供转速，控制反馈峰值转速为5600r/min，为ROV提供强劲动力，各运动下启动的推进器如下：

前进：五号推进器35、六号推进器36转动推水；

后退：一号推进器31、二号推进器32转动推水；

上浮：三号推进器33、四号推进器34转动推水；

下潜：三号推进器33、四号推进器34转动方向与上浮时转动方向相反；

定深：结合深度传感器6，三号推进器33、四号推进器34转动推水。

右转弯：二号推进器32、六号推进器36转动推水；

左右翻滚：三号推进器33、四号推进器34一正转一反转同时运行实现翻滚；

左转弯：一号推进器31、五号推进器35转动推水；

右平移：二号推进器32、五号推进器35转动推水；

左平移：一号推进器31、六号推进器36转动推水。

核心舱是整个装置完成技术任务的核心部件，作为上位机发送各项指令，将各个模块紧密联系，核心舱内设置有驱动控制模块和视觉成像模块、水下定位模块；

驱动控制模块包括主控板、推进器驱动板、电池、通讯模块；主控板上安装主控芯片，主控芯片采用STM32F427VI单片机；主控板上有路数字输入/输出端口(其中15个+可以作为PWM输出)，11路模拟输入端口，4个UART串口，IIC通信接口，可连接8个螺旋桨推进器，3个传感、执行器；其中，供电采用独立的5V供电，在主控板直接通过DC-DC把电池12V转为5V给主控板供电，不受外设干扰；

推进器驱动板的型号为STM32F103CBT6，用于驱动各推进器，有36路可编程引脚，4个定时器，3个USART串口，2个IIC通信接口，2个SPI通信接口，1个CAN通信接口，72MHz的晶振；

通讯模块采用433M无线通信模块，通过串口收发数据，实现433M手柄与MCU无线通信。STlink模块，方便与电脑连接下载程序；

视觉成像模块采用树莓派3B+处理器，通过树莓派辅助视觉识别，以颜色检测、与下位机通讯等功能模块完成数据收集、数据处理和数据输出。通过控制输出，进一步完成水下机器人运动控制、视觉辅助功能、灰度像素点识别以及图像识别等各项水下智能功能。

数据收集：视觉成像模块通过自带的摄像头采集图像数据，可补充光源的720P高清160°广角摄像头，在水下机器人运行过程中，对水下环境进行实时图像采集；数据处理：通过Opencv计算机视觉库对通过摄像头采集到的图像进行数字处理，使巡航更为准确；具体为：为实现水下机器人按照管道直行、左转、右转、左平移、右平移、上浮以及下潜等基础功能，需要设置采集图像宽度为640像素点，高度为480像素点，将已采集图像的左上角为原点建立坐标系，x轴长为640，y轴长为480。在y＝240一行，以x＝320为对称轴，紧密建立6个半径为10像素点的空心圆点。同时将图像进行灰度处理。其中二值化处理img灰度图像时，大于60处理为白色，小于60处理为黑色。二值化处理imGrey灰度图像时，大于20处理为白色，小于200处理为黑色。在采样像素点过程中，以5像素点为步进，共产生128个点，判断该横行中是否有白色点，将像素点坐标值以及像素个数求和，计算白色管道坐标中间位置，接着判断计算出来的像素点位是否为错误黑点，当该点为黑色时，自动将上一个位置存储数据赋给当前变量，然后用处理后的数据计算白色管道坐标中间位置。最后为了抗环境爆点干扰，需要强制缩小数据漂移范围。数据输出：通过串口工具XCOM发送数据，完成水下机器人运动控制；将图像进行二值化处理后，可区分管道与周围环境，通过计算得出路径中心点位置横坐标。判断计算出的横坐标与屏幕中六个空心原点的位置关系，通过串口工具XCOM发送数据，即给下位机主控仓发送控制指令，控制螺旋桨以及舵机，从而执行位置校正，完成机器人沿路径运行功能。

水下定位模块包括避障传感器、深度传感器6、惯性传感器；惯性传感器由三轴陀螺仪与三轴加速度计组成，检测机器人的加速度与旋转运动,实时估计机器人在水中的运动状态，达到较好的定位效果；视觉成像模块和惯性传感器提供的载体姿态、位置信息，通过算法改进，可以获得精度更高、效果更好的载体姿态与位置信息，从而对水下机器人定位提供良好的载体基础信息，使目标定位更加精确，具体为：驱动控制模块通过串口对BNO055寄存器进行数据的读写，以对惯性传感器的欧拉角数据以及加速度数据进行读取，借助水下机器人当前欧拉角与位姿通过坐标变换算法，将机器人坐标系下三轴的加速度数据转化为世界导航坐标系下三轴的加速度数据，由于速度与距离可由加速度进行二次积分得出，由于对惯性传感器陀螺仪以及加速度计读取周期较短，故机器人上次位置坐标加上对三轴加速度分别进行二次积分得出的距离，即可得出当前位置坐标，同时结合深度传感器6，通过深度传感器6可读取机器人当前深度信息，将读取的深度信息与解算出的z轴坐标进行互补滤波算法的处理，可使定位更加精确。

深度传感器6读取机器人当前深度信息，用来确定机器人在水中的位置及姿态；避障传感器包括漫反射式红外光电传感、速度传感器，用于辅助检测完成管道巡检以及吸附物的检测，水下定位模块获得水下环境的全方位数据信息，使机器人能够自主进行姿态纠正完成稳定运行；

机械臂4采用六自由度机械臂，采用全防水数字舵机作为关机处的运动执行机构。

所述水下推进机构上安装水下高清摄像头5，结合视觉成像模块获取水下实时图像信息。

如图6，清淤功能模块7安装在机器人机架1底部两侧，两个清淤功能模块7从两侧对管道8表面异物进行清洗；清淤功能模块7包括清淤支架71、清淤电机72、清淤转轴73、清淤刷座74、清淤刷75，清淤支架71一端固定安装在机器人机架1底部，清淤支架71另一端固定安装清淤电机72，清淤电机72的输出端连接清淤转轴73，清淤转轴73另一端连接清淤刷座74，清淤刷座74上安装有清淤刷75，清淤刷75接触管道8表面，对其上异物进行清洗。

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 (5)

1.自适应视觉成像及传感定位的多功能水下巡捕机器人，其特征在于：包括水下推进机构、核心舱和机械臂(4)、清淤功能模块(7)；

水下推进机构包括机器人机架(1)、推进器(3)，推进器(3)分为横向推进器和升降推进器；横向推进器设置有四个，分别设置在机器人机架(1)的四个角上，实现水下巡捕机器人的前进、后退、左平移、右平移、左转、右转运动；升降推进器设置有两个，分别设置在机器人机架(1)在两侧，实现上浮和下潜；横向推进器和升降推进器配合使用实现左右翻滚；

核心舱内设置有驱动控制模块和视觉成像模块、水下定位模块；

驱动控制模块包括主控板、推进器驱动板、电池、通讯模块；主控板上安装主控芯片，主控芯片采用STM32F427VI主控芯片；推进器驱动板的型号为STM32F103CBT6，用于驱动各推进器；通讯模块采用433M无线通信模块；

视觉成像模块采用树莓派3B+处理器，视觉成像模块通过自带的摄像头采集图像数据，通过Opencv计算机视觉库对通过摄像头采集到的图像进行数字处理，通过串口工具XCOM发送数据，完成水下机器人运动控制；

水下定位模块包括避障传感器、深度传感器(6)、惯性传感器；惯性传感器由三轴陀螺仪与三轴加速度计组成，检测机器人的加速度与旋转运动,实时估计机器人在水中的运动状态；深度传感器(6)读取机器人当前深度信息；避障传感器包括漫反射式红外光电传感、速度传感器，获得水下环境的全方位数据信息，使机器人能够自主进行姿态纠正完成稳定运行；

机械臂(4)采用六自由度机械臂，采用全防水数字舵机作为关机处的运动执行机构；

清淤功能模块(7)安装在机器人机架(1)底部两侧，两个清淤功能模块(7)从两侧对管道(8)表面异物进行清洗。

2.根据权利要求1所述的自适应视觉成像及传感定位的多功能水下巡捕机器人，其特征在于：所述机器人机架(1)由8mmPP板雕刻制作，并通过拼装而成。

3.根据权利要求1所述的自适应视觉成像及传感定位的多功能水下巡捕机器人，其特征在于：所述推进器(3)内设置有直流无刷电机和螺旋桨。

4.根据权利要求1所述的自适应视觉成像及传感定位的多功能水下巡捕机器人，其特征在于：所述水下推进机构上安装水下高清摄像头(5)。

5.根据权利要求1所述的自适应视觉成像及传感定位的多功能水下巡捕机器人，其特征在于：所述清淤功能模块(7)包括清淤支架(71)、清淤电机(72)、清淤转轴(73)、清淤刷座(74)、清淤刷(75)，清淤支架(71)一端固定安装在机器人机架(1)底部，清淤支架(71)另一端固定安装清淤电机(72)，清淤电机(72)的输出端连接清淤转轴(73)，清淤转轴(73)另一端连接清淤刷座(74)，清淤刷座(74)上安装有清淤刷(75)，清淤刷(75)接触管道(8)表面，对其上异物进行清洗。

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