CN114516393B - 一种基于Kinect的水下地形3D成像监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Kinect的水下地形3D成像监测装置及其监测方法，涉及水下不规则的表面或轮廓的计量技术领域，其装置包括Kinect组件以及用于容纳Kinect组件的壳体，所述壳体的整体呈圆柱状，其由迎水端面板、背水端面板，以及外周面板合围形成，所述迎水端面板沿圆周方向均匀开设有进水孔，且进水孔的内部安装有滤网。本发明在突遇障碍物或者在检测时需要突然对某个地形进行详细检测时，第一驱动部件停止后，第二驱动部件能推动阻力板朝向外周面板一侧移动，以使的阻力板伸出外周面板，增大水阻，避免因残留推力而继续移动的时间过长，不能及时停止下来，容易使壳体发生漂移发生碰撞。

Description

一种基于Kinect的水下地形3D成像监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及水下不规则的表面或轮廓的计量技术领域，具体为一种基于Kinect的水下地形3D成像监测装置及其监测方法。

背景技术

随着水底工程的不断发展，对于水底地层的测量，要求就越来越迫切，准确地测量水底地层，可以大大减少工程钻的数量，加速工程的进展。现有技术中对海洋地质监测方式主要分为光学成像监测和声学成像监测。(1)光学成像监测：首先利用光学成像设备获取二维图像和时间数据；再根据二维图像及时间数据，生成首位图像、次位图像和末位图像；最后将首位图像、次位图像和末位图像进行拼接，得到拼接图像并根据拼接图像，生成三维图像。(2)声学成像监测：首先声呐头发射波束，波束经过障碍物反射，声呐头接收声音信号，将其转化为电信号；接着将这一电信号传输至水下光端机，光端机把电信号转化为光信号，光信号通过光缆传输至水上光端机，水上光端机把光信号转化为电信号传输至声纳控制单元；最后声纳控制单元利用声呐的操作软件，把声呐头扫描到的信息以图像的形式显示在显示屏上。

光学成像在水浓度高的水域监测效果差、成本高。具有高分辨率的光学成像设备在可见度差、含泥沙量大的内河、近海等水域作业时，会因水体对光的吸收、反射作用从而无法取得很好的探测效果。同时，现有的三维激光扫描价格高昂，致使监测绘成本高昂，声学成像监测效果受水体影响较大，灵活度低。虽能适用于上述水域，但其成像分辨率远低于光学成像，仍无法得到很好的探测结果。

同时现有的水下地形监测装置，在工作人员在操作使用过程中，由于水下水流情况复杂多变，突遇障碍物或者在检测时需要突然对某个地形进行详细检测时，在推进器停止后，壳体会因残留推力而继续移动的时间过长，不能及时停止下来，容易使壳体发生漂移碰撞，造成推进器损坏，从而影响水下探测工作的进行。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于Kinect的水下地形3D成像监测装置及其监测方法，以解决上述背景技术中提出突遇障碍物或者在检测时需要突然对某个地形进行详细检测时，在推进器停止后，壳体会因残留推力而继续移动的时间过长，不能及时停止下来，容易使壳体发生漂移碰撞，造成推进器损坏和目前水下地形3D成像监测装置受水的浑浊与可见度影响的问题、高分辨率的3D成像监测成本高昂的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供的一种基于Kinect的水下地形3D成像监测装置，包括Kinect组件以及用于容纳Kinect组件的壳体，所述壳体的整体呈圆柱状，其由迎水端面板、背水端面板，以及外周面板合围形成，所述迎水端面板沿圆周方向均匀开设有进水孔，且进水孔的内部安装有滤网；

所述壳体的内部靠近迎水端面板的一端安装有隔板，所述隔板以使所述壳体的内部形成有集水腔和元件安装腔；

所述壳体的内部设置有推进机构，该推进机构包括：

动力组件，其包括同轴装配在所述壳体内部的推进筒，以及沿圆周方向均匀倾斜设置在推进筒内壁上的搅拌叶，所述推进筒具有延伸至集水腔内部的进水端，以及具有贯穿背水端面板的出水端，且所述推进筒的两端分别与所述隔板、背水端面板密封转动连接；动力组件还包括用于驱动所述推进筒转动的第一驱动部件；

刮泥组件，其包括与所述壳体同轴设置并贯穿所述迎水端面板的驱动轴，以及与驱动轴固定连接并紧贴于所述迎水端面板外侧壁的刮泥板；所述驱动轴通过连接部件与所述推进筒固定连接；

以穿过壳体中轴线的竖直面为设定平面；

阻力组件，其包括以设定平面为对称面对称贯穿设置在所述外周面板上的阻力板；所述阻力板能沿垂直于设定平面方向在所述外周面板上自由滑动，且所述阻力板与所述背水端面板密封滑动连接，所述阻力组件还包括用于驱动所述阻力板滑动的第二驱动部件；

沿所述设定平面向下方向的外周面板上设置有透视窗，所述透视窗位置处的外周面板内侧壁固定有安装板，且所述Kinect组件安装在所述安装板上。

进一步地，还包括横向转向机构，所述横向转向机构包括设置在沿所述设定平面向上方向的外周面板上的第一转向板；第一转向板垂直与所述外周面板，所述第一转向板靠近所述迎水端面板一端的底部固定有第一转动轴，且所述第一转动轴延伸与安装在所述元件安装腔内部的第一角位电机输出端固定连接。

进一步地，还包括纵向转向机构，所述纵向转向机构包括以设定平面为对称面对称设置在外周面板上的第二转向板；所述第二转向板垂于所述外周面板，所述第二转向板靠近迎水端面板一端的固定有第二转动轴，且所述第二转动轴延伸与安装在所述元件安装腔内部的第二角位电机输出端固定连接。

进一步地，所述隔板呈喇叭状，且隔板的小口端朝向推进筒一侧。

进一步地，所述第一驱动部件包括固定在元件安装腔靠近隔板一侧的驱动电机，所述驱动电机的输出端安装有第一齿轮，所述推进筒外侧对应所述第一齿轮位置处安装有第二齿轮，且第二齿轮与第一齿轮相互啮合。

进一步地，同一侧的阻力板具有5个，同一侧的5个所述阻力板靠近推进筒的一侧连接有横板，所述推进筒外侧设置有螺旋槽，所述第一驱动部件包括套设在推进筒外侧的移动筒、转动设置在移动筒外侧的定位筒、交错设置在移动筒内壁两侧的一对凸块，以及用于定量锁止移动筒周向转动的定量锁止结构；

一对所述凸块卡设在所述螺旋槽的内部，所述定位筒相对于横板的两侧均铰接有铰接杆，且铰接杆远离定位筒的一端与横板铰接；

所述移动筒靠近隔板一端沿其圆周方向均匀设置有第一插槽，且相邻第一插槽之间设置有第一弧面，所述定量锁止结构包括对称固定在元件安装腔侧壁上的一对L型插杆，所述L型插杆具有与第一插槽相适配的插设段，所述插设段的靠近第一插槽的一端设置有第一圆弧头；

所述第一驱动部件还包括在所述移动筒向背水端面板一侧移动时，提供阻尼的阻尼件。

进一步地，所述阻尼件包括转动设置在所述推进筒靠近背水端面板一端的转动环，所述推进筒外侧的转动环与所述移动筒之间设置有第一复位弹簧。

进一步地，所述进水孔呈扇形，且所述进水孔的角度与相邻进水孔之间的角度相等；

所述刮泥板与所述迎水端面板相适配，并且所述刮泥板上沿圆周方向均匀开设有与所述进水孔相适配并数量相同的透水孔；

所述驱动轴远离所述刮泥板一侧开设有沉孔，驱动轴外侧的迎水端面板的内侧壁固定有定位环座，定位环座远离迎水端面板的一侧沿圆周方向均匀开设有与所述进水孔相对应的第二插槽，且相邻所述第二插槽之间设置有第二弧面，所述第二弧面的侧边与所述第二插槽的底面相接；

所述连接部件包括仅能沿沉孔轴向滑动的滑动条、固定在沉孔内部的第二复位弹簧、固定在滑动条远离第二复位弹簧一侧的固定板，以及对称固定在固定板两侧的伸缩件；所述伸缩件与所述推进筒固定连接，所述固定板靠近驱动轴的一侧对称设置有第二插杆，所述第二插杆与第二插槽相适配，并且所述第二插杆远离固定板的一端设置有第二圆弧头。

本发明还提供一种基于监测装置的监测方法，包括如下步骤：

S1：通过推进机构的动力组件推动壳体在水中移动，当壳体移动过程中，需要详细对某处进行监测时，停止动力组件，并启动阻力组件，使得壳体的阻力组件的阻力板伸出外周面板外部，然后由Kinect组件的深度传感器对该处的水下地形进行测量，得到被测物体到相机的距离，得到物体各部分的深度信息；

S2：使用Kinect组件将拍摄物体的表面地形转化为带有三维坐标值的三维点云数据，并将提取到的数据保存为“.pcd”格式的文件；

S3：利用折射定律的微分形式，得出关联折射角、入射角与实、虚像点坐标的函数，并且通过校正即可得出水下地形的真实坐标信息；

S4：对获取到的带有三维坐标值的三维点云数据进行滤波降噪、简化数据、平滑数据处理，重新保存得到一个完整的包含关键特征信息的点云数据；

S5：对S4中降噪后的点云数据对水下地形进行三维重建，得到水下地形3D图像。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1.本发明在突遇障碍物或者在检测时需要突然对某个地形进行详细检测时，推进机构的第一驱动部件停止后，第二驱动部件能推动阻力板朝向外周面板一侧移动，以使的阻力板伸出外周面板，增大水阻，降低残留推力的影响，避免因残留推力而继续移动的时间过长，不能及时停止下来，容易使壳体发生漂移碰撞，造成推进器损坏。

2.本发明的监测方法，有效地解决目前水下地形3D成像监测受水的浑浊与可见度影响的问题、高分辨率的3D成像监测成本高昂等问题，为后续的3D成像监测提供了新的研究与应用思路。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1为本发明停止时第一视角结构示意图；

图2为本发明停止时第二视角结构示意图；

图3为本发明移动时结构示意图；

图4为本发明竖剖后结构示意图；

图5为本发明横剖结构示意图；

图6为本发明推进筒外部结构示意图；

图7为本发明推进筒和第二驱动部件结构示意图；

图8为图5的A处局部结构示意图；

图9为图4的B处局部结构示意图；

图10为本发明TOF传感原理示意图；

图11为本发明代码示意图；

图12为本发明实验模型示意图；

图13为本发明获取的距离水槽末端4.6-5.75米的河床地形与实际地形对比示意图；

图14为本发明扫描水下地形的相对误差示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参阅图1至图9，本发明提供一种基于Kinect的水下地形3D成像监测装置，包括Kinect组件1以及用于容纳Kinect组件1的壳体2。在本实施例中，Kinect组件1为由微软发行的Kinect2.0，其由RGB相机、深度传感器、红外发射器、四元麦克风阵列组成，且它拥有三颗摄像头，包括彩色摄像头、红外脉冲投射摄像头以及红外读取摄像头，Kinect2.0采用TOF(TimeofFlight)深度传感器来获取深度信息，(传感原理如图10所示)，这种传感方式指的是通过深度传感器发出调制的近红外脉冲，遇到物体反射后，深度传感器通过计算光线发射与接受反射的时间差或相位差，换算成被测物体到相机的距离，以此得到物体各部分的深度信息，配置方面，Kinect2.0帧率可达30fps，彩色摄像头能取得1920×1080的图像，并可获得512×424分辨率的深度图，检测范围方面，Kinect2.0的最佳检测范围介于0.5至4.5m之间，深度传感器发出调制的近红外脉冲可穿透一定浊度的水流，故Kinect2.0具备水下监察的潜力。

壳体2的整体呈圆柱状，其由迎水端面板3、背水端面板4，以及外周面板5合围形成，迎水端面板3沿圆周方向均匀开设有进水孔6，且进水孔6的内部安装有滤网7。壳体2整体线性，其在移动时，由端部面向迎水面，减小水阻，降低移动的水阻，减少动力输出，节约电能消耗，延长工作时间。

壳体2的内部靠近迎水端面板3的一端安装有隔板8，隔板8以使壳体2的内部形成有集水腔9和元件安装腔10，壳体2的内部设置有推进机构，该推进机构包括动力组件、刮泥组件，以及阻力组件，它们是构成推进机构的主要部分。

动力组件，其包括同轴装配在壳体2内部的推进筒11，以及沿圆周方向均匀倾斜设置在推进筒11内壁上的搅拌叶12，推进筒11具有延伸至集水腔9内部的进水端111，以及具有贯穿背水端面板4的出水端112，且推进筒11的两端分别与隔板8、背水端面板4密封转动连接；动力组件还包括用于驱动推进筒11转动的第一驱动部件。推进筒11的设置，以使壳体2的内部中轴线位置处形成“水流通道”-(集水腔9和推进筒11)，在动力组件的第一驱动部件启动后能带动推进筒11快速转动，由于推进筒11的内壁上倾斜设置的搅拌叶12，因此在推进筒11快速转动时能使得水流快速通过进水孔6→集水腔9→推进筒11，最后从推进筒11的出水端112排出，即快速通过“水流通道”，此过程中，在水体反向推动力(搅拌叶12推动水体向后流动，水体会给予搅拌叶12反向作用力)以及加上水流的冲击力的作用下，使得能壳体2向前移动，并且由于壳体2的迎水端面板3上设置的进水孔6，水流能从“水流通道”，流至壳体2后方，可进一步减小了壳体2的水阻，减少动力输出，节约电能消耗，延长工作时间。

在检测时，当水质较为浑浊时，为了避免滤网7上堆积杂质影响水流的流通量，设置了刮泥组件；刮泥组件，其包括与壳体2同轴设置并贯穿迎水端面板3的驱动轴13，以及与驱动轴13固定连接并紧贴于迎水端面板3外侧壁的刮泥板14；驱动轴13通过连接部件与推进筒11固定连接。在推进筒11快速转动时，即壳体2移动时，推进筒11通过连接部件可带动驱动轴13同步转动，进而带动刮泥板14转动可将堆积在滤网7上的杂质刮除，避免滤网7上堆积杂质影响水流的流通量。

由于水下地形特殊性，即在检测时，突遇障碍物或者在检测时需要突然对某个地形进行详细检测时，在推进器停止后，壳体2会因残留推力而继续移动的时间过长，不能及时停止下来，容易使壳体2发生漂移碰撞，造成推进器损坏，从而影响水下探测工作的进行，以穿过壳体2中轴线的竖直面为设定平面A；阻力组件，其包括以设定平面A为对称面对称贯穿设置在外周面板5上的阻力板15；阻力板15能沿垂直于设定平面A方向在外周面板5上自由滑动，且阻力板15与背水端面板4密封滑动连接，阻力组件还包括用于驱动阻力板15滑动的第二驱动部件。在推进机构的第一驱动部件停止后，第二驱动部件能推动阻力板15朝向外周面板5一侧移动，以使的阻力板15伸出外周面板5，增大水阻，降低残留推力的影响。需要注意的是，在第一驱动部件启动时，第二驱动部件能拉动阻力板15朝向远离外周面板5一侧移动，使得阻力板15进入元件安装腔10中，使得壳体2外部轮廓再次形成线性，减少水阻。

沿设定平面A向下方向的外周面板5上设置有透视窗16，透视窗16位置处的外周面板5内侧壁固定有安装板，且Kinect组件1安装在安装板上。Kinect组件1的检测元件能透过透视窗16对水下地形进行检测，对Kinect组件1进行防护，避免Kinect组件1损坏。

进一步地，还包括横向转向机构，横向转向机构包括设置在沿设定平面A向上方向的外周面板5上的第一转向板17；第一转向板17垂直于外周面板5，第一转向板17靠近迎水端面板3一端的底部固定有第一转动轴18，且第一转动轴18延伸与安装在元件安装腔10内部的第一角位电机19输出端固定连接。通过第一角位电机19带动第一转动轴18转动，进而调节第一转向板17的角度，以调节壳体2的横向转向。

进一步地，还包括纵向转向机构，纵向转向机构包括以设定平面A为对称面对称设置在外周面板5上的第二转向板20；第二转向板20垂于外周面板5，第二转向板20靠近迎水端面板3一端的固定有第二转动轴21，且第二转动轴21延伸与安装在元件安装腔10内部的第二角位电机22输出端固定连接。通过第二角位电机22带动第二转动轴21转动，进而调节第二转向板20的角度，以调节壳体2的纵向转向。

进一步地，隔板8呈喇叭状，且隔板8的小口端朝向推进筒11一侧。能将进入集水腔9内部的水流进行引导，使得水流快速进入推进筒11中，以减小水阻。

具体的，第一驱动部件包括固定在元件安装腔10靠近隔板8一侧的驱动电机23，驱动电机23的输出端安装有第一齿轮24，推进筒11外侧对应第一齿轮24位置处安装有第二齿轮25，且第二齿轮25与第一齿轮24相互啮合。驱动电机23的输出端转动通过第一齿轮24带动第二齿轮25转动，进而带动推进筒11进行转动。

进一步地，同一侧的阻力板15具有5个，同一侧的5个阻力板15靠近推进筒11的一侧连接有横板26，增大与水体接触面积，以增加水阻，降低残余推力的影响。

推进筒11外侧设置有螺旋槽27，第一驱动部件包括套设在推进筒11外侧的移动筒28、转动设置在移动筒28外侧的定位筒29、交错设置在移动筒28内壁两侧的一对凸块30，以及用于定量锁止移动筒28周向转动的定量锁止结构；一对凸块30卡设在螺旋槽27的内部，定位筒29相对于横板26的两侧均铰接有铰接杆31，且铰接杆31远离定位筒29的一端与横板26铰接；移动筒28靠近隔板8一端沿圆周方向均匀设置有第一插槽32，且相邻第一插槽32之间设置有第一弧面33，定量锁止结构包括对称固定在元件安装腔10侧壁上的一对L型插杆34，L型插杆34具有与第一插槽32相适配的插设段341，插设段341的靠近第一插槽32的一端设置有第一圆弧头342；第一驱动部件还包括在移动筒28向背水端板一侧移动时，提供阻尼的弹性阻尼件。

在推进筒11转动时，由于一对L型插杆34的插设段341位于移动筒28的第一插槽32内部，此时，一对L型插杆34对移动筒28周向进行锁定，即移动筒28不能转动，但是可在推进筒11上滑动，又由于移动筒28的一对凸块30插设在推进筒11的螺旋槽27中，因此，在推进筒11周向转动时，移动筒28会沿着推进筒11轴向方向向背水端面板4一侧移动，在此过程中，移动筒28能带动定位筒29一同移动通过铰接杆31能拉扯横板26向推进筒11一侧移动，进而带动阻力板15进入元件安装腔10中，移动筒28也不断受到阻尼件的弹性阻尼；

随着移动筒28不断向背水端面板4一侧移动，一对L型插杆34的插设段341也不断移出移动筒28的第一插槽32中，当插设段341的第一圆弧头342移动至相邻第一插槽32之间的第一弧面33一侧时，此时，受阻尼件作用力以及螺旋槽27推力作用，会使得插设段341的第一圆弧头342抵触在相邻第一插槽32之间的第一弧面33上，并顺着使得插设段341的第一圆弧头342在第一弧面33上滑动，从而使得移动筒28能周向转动，不再进行轴向移动，如此在此位置处，发生周向转动，即移动筒28在此位置处跟随推进筒11一同转动，移动筒28与定位筒29之间发生相对转动，使得定位筒29在此位置处保持固定，将阻力板15限制在元件安装腔10中；

而当推进筒11停止转动时，此时螺旋槽27推力作用消失，受阻尼件作用力，移动筒28会朝向迎水端面板3一侧移动，一对L型插杆34的插设段341重新插入移动筒28的第一插槽32中，对移动筒28周向进行锁定，由于移动筒28在向迎水端面板3一侧移动，并且移动筒28的一对凸块30插设在推进筒11的螺旋槽27中，因此在移动筒28在向迎水端面板3一侧移动时，会带动推进筒11反向转动，进而获得反向推动力，以降低残余推动力的影响。

阻尼件包括转动设置在推进筒11靠近背水端面板4一端的转动环35，推进筒11外侧的转动环35与移动筒28之间设置有第一复位弹簧36。在移动筒28向背水端板一侧移动时，会使得第一复位弹簧36被压缩，当移动筒28跟随推进筒11一同转动时，转动环35也会转动避免了第一复位弹簧36被扭曲。

进一步地，进水孔6呈扇形，且进水孔6的角度与相邻进水孔6之间的角度相等；

刮泥板14与迎水端面板3相适配，并且刮泥板14上沿圆周方向均匀开设有与进水孔6相适配并数量相同的透水孔37。当刮泥板14相邻透水孔37之间与进水孔6相对应时，能将迎水端面板3的进水孔6进行完全封堵，以增加水阻。

驱动轴13远离刮泥板14一侧开设有沉孔38，驱动轴13外侧的迎水端面板3的内侧壁固定有定位环座39，定位环座39远离迎水端面板3的一侧沿圆周方向均匀开设有与进水孔6相对应的第二插槽40，且相邻第二插槽40之间设置有第二弧面41，第二弧面41的侧边与第二插槽40的底面相接；连接部件包括仅能沿沉孔38轴向滑动的滑动条42、固定在沉孔38内部的第二复位弹簧421、固定在滑动条42远离第二复位弹簧421一侧的固定板43，以及对称固定在固定板43两侧的伸缩件44；伸缩件44与推进筒11固定连接，固定板43靠近驱动轴13的一侧对称设置有第二插杆45，第二插杆45与第二插槽40相适配，并且第二插杆45远离固定板43的一端设置有第二圆弧头451。

在应用时，推进筒11转动时，通过伸缩件44能带动固定板43转动，固定板43转动通过滑动条42能带动驱动轴13转动，进而带动刮泥板14转动，在此过程中，固定板43上设置第二插杆45的第二圆弧头451会不断经过第二弧面41依次进入周向布置的第二插槽40中，当推进筒11停止转动时，由于推进筒11停止位置不确定，当第二插杆45位于第二弧面41上时，受第二复位弹簧421的作用力，第二插杆45的第二圆弧头451会顺着第二弧面41进入第二插槽40中，使得滑动条42再次偏转进而带动刮泥板14偏转，从而使得刮泥板14相邻透水孔37之间与进水孔6相对应，完全封堵。

进一步地，位于壳体2外侧的推进筒11沿其圆周方向倾斜设置有扇叶。在推进筒11转动使得带动扇叶转动，产生推进力。

本发明提供一种应用于上述监测装置的监测方法，包括如下步骤：

S1：通过推进机构的动力组件推动壳体2在水中移动，当壳体2移动过程中，需要详细对某处进行监测时，停止动力组件，并启动阻力组件，使得壳体2的阻力组件的阻力板15伸出的外周面板5外部，然后由Kinect2.0的深度传感器对该处的水下地形进行测量，得到被测物体到相机的距离，得到物体各部分的深度信息；

S2：使用Kinect2.0将拍摄物体的表面地形转化为带有三维坐标值的三维点云数据，并将提取到的数据保存为“.pcd”格式的文件；

S3：利用折射定律的微分形式，得出关联折射角、入射角与实、虚像点坐标的函数，并且通过校正即可得出水下地形的真实坐标信息；

S4：对获取到的带有三维坐标值的三维点云数据据进行滤波降噪、简化数据、平滑数据处理，重新保存得到一个完整的包含关键特征信息的点云数据；

S5：对S4中的降噪后的点云数据对水下地形进行三维重建，得到水下地形3D图像；

进一步地，S2中，Kinect2.0能够同时捕获扫描的深度图和彩色RGB图，帧速率约为30fps，深度和颜色数据的融合构成了一个彩色点云，它的每一个帧包含大约30万点，并通过VisualStudio2013开发Kinect2.0，将拍摄物体的表面地形转化为带有三维坐标值的三维点云数据。

进一步地，S2中通过编写的代码的方式将提取到的数据保存为“.pcd”格式的文件；该“.pcd”格式的文件如下所示：

#.PCD v0.7-Point Cloud Data file format

VERSION 0.7

FIELDS x y z rgba

SIZE4444

TYPEFFFFU

COUNT1111

WIDTH512

HEIGHT 424

VIEWPOINT 0 0 0 1 0 0 0

POINTS 217088

DATA ascii

0 0 0 4278190080

0 0 0 4278190080

0 0 0 4278190080

0 0 0 4278190080

其中，POINTS 217088表示有21708个点的无序点云数据。

进一步地，S3中，编写了一套“水下地形数据折射校正软件”利用折射定律的微分形式，得出关联折射角、入射角与实、虚像点坐标的函数，(校正原理如图11所示)。

水槽验证实验

利用水槽溃坝实验验证Kinect2.0获取的浑浊水下地形数据的准确性，实验模型(如图12所示)，采用粒径较小的砂－砾混合材料，可令溃决水流具备一定的浊度，此时肉眼无法观测浑浊水流下的地形，坝体破坏后，河床上的水流较坝体溃口处浑浊得多，令Kinect2.0每隔12s扫描一次河床，利用自编程序获取地形数据，并且进行水流折射校正，再与实际地形比对，对比结果(如图13所示)，可以看出，Kinect2.0获取的地形数据与实际数据基本吻合，证明了Kinect2.0穿透浑浊水流的能力，以及Kinect2.0与自编程序监测水下地形在溃坝实验中的可行性；

考虑到随着Kinect2.0与物体距离的增大，设备的采集范围变大，但深度测量的分辨率会降低，这或许会影响Kinect2.0测量的准确性，为验证这一想法，在(如图12所示)的实验中，改变Kinect2.0的放置高度，再将测得的地形与实际地形对比(图14)，可以看出，Kinect2.0放置在1.5m和0.7m高度时，测得的水下地形数据相对误差的均值以及中位线区别并不明显，可以认为，当Kinect2.0与物体距离在1.5m范围内时，距离对Kinect2.0扫描数据的准确性影响较小；

综上所述，Kinect2.0具备穿透浑浊水流的能力，能够用于溃决水流的水下地形监测。并且，在进行水槽实验时，Kinect2.0与物体距离的最优值为1.5m。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。

Claims (9)

1.一种基于Kinect的水下地形3D成像监测装置，包括Kinect组件以及用于容纳Kinect组件的壳体，其特征在于：所述壳体的整体呈圆柱状，其由迎水端面板、背水端面板，以及外周面板合围形成，所述迎水端面板沿圆周方向均匀开设有进水孔，且进水孔的内部安装有滤网；

所述壳体的内部靠近迎水端面板的一端安装有隔板，所述隔板以使所述壳体的内部形成有集水腔和元件安装腔；

所述壳体的内部设置有推进机构，该推进机构包括：

动力组件，其包括同轴装配在所述壳体内部的推进筒，以及沿圆周方向均匀倾斜设置在推进筒内壁上的搅拌叶，所述推进筒具有延伸至集水腔内部的进水端，以及具有贯穿背水端面板的出水端，且所述推进筒的两端分别与所述隔板、背水端面板密封转动连接；动力组件还包括用于驱动所述推进筒转动的第一驱动部件；

刮泥组件，其包括与所述壳体同轴设置并贯穿所述迎水端面板的驱动轴，以及与驱动轴固定连接并紧贴于所述迎水端面板外侧壁的刮泥板；所述驱动轴通过连接部件与所述推进筒固定连接；

以穿过壳体中轴线的竖直面为设定平面；

阻力组件，其包括以设定平面为对称面对称贯穿设置在所述外周面板上的阻力板；所述阻力板能沿垂直于设定平面方向在所述外周面板上自由滑动，且所述阻力板与所述外周面板密封滑动连接，所述阻力组件还包括用于驱动所述阻力板滑动的第二驱动部件；

沿所述设定平面向下方向的外周面板上设置有透视窗，所述透视窗位置处的外周面板内侧壁固定有安装板，且所述Kinect组件安装在所述安装板上。

2.根据权利要求1所述的基于Kinect的水下地形3D成像监测装置，其特征在于：还包括横向转向机构，所述横向转向机构包括设置在沿所述设定平面向上方向的外周面板上的第一转向板；第一转向板垂直与所述外周面板，所述第一转向板靠近所述迎水端面板一端的底部固定有第一转动轴，且所述第一转动轴延伸与安装在所述元件安装腔内部的第一角位电机输出端固定连接。

3.根据权利要求1所述的基于Kinect的水下地形3D成像监测装置，其特征在于：还包括纵向转向机构，所述纵向转向机构包括以设定平面为对称面对称设置在外周面板上的第二转向板；所述第二转向板垂于所述外周面板，所述第二转向板靠近迎水端面板一端的固定有第二转动轴，且所述第二转动轴延伸与安装在所述元件安装腔内部的第二角位电机输出端固定连接。

4.根据权利要求1所述的基于Kinect的水下地形3D成像监测装置，其特征在于，所述隔板呈喇叭状，且隔板的小口端朝向推进筒一侧。

5.根据权利要求1所述的基于Kinect的水下地形3D成像监测装置，其特征在于：所述第一驱动部件包括固定在元件安装腔靠近隔板一侧的驱动电机，所述驱动电机的输出端安装有第一齿轮，所述推进筒外侧对应所述第一齿轮位置处安装有第二齿轮，且第二齿轮与第一齿轮相互啮合。

6.根据权利要求1所述的基于Kinect的水下地形3D成像监测装置，其特征在于：同一侧的阻力板具有5个，同一侧的5个所述阻力板靠近推进筒的一侧连接有横板，所述推进筒外侧设置有螺旋槽，所述第一驱动部件包括套设在推进筒外侧的移动筒、转动设置在移动筒外侧的定位筒、交错设置在移动筒内壁两侧的一对凸块，以及用于定量锁止移动筒周向转动的定量锁止结构；

一对所述凸块卡设在所述螺旋槽的内部，所述定位筒相对于横板的两侧均铰接有铰接杆，且铰接杆远离定位筒的一端与横板铰接；

所述移动筒靠近隔板一端沿其圆周方向均匀设置有第一插槽，且相邻第一插槽之间设置有第一弧面，所述定量锁止结构包括对称固定在元件安装腔侧壁上的一对L型插杆，所述L型插杆具有与第一插槽相适配的插设段，所述插设段的靠近第一插槽的一端设置有第一圆弧头；

所述第一驱动部件还包括在所述移动筒向背水端面板一侧移动时，提供阻尼的阻尼件。

7.根据权利要求6所述的基于Kinect的水下地形3D成像监测装置，其特征在于：所述阻尼件包括转动设置在所述推进筒靠近背水端面板一端的转动环，所述推进筒外侧的转动环与所述移动筒之间设置有第一复位弹簧。

8.根据权利要求1所述的基于Kinect的水下地形3D成像监测装置，其特征在于：所述进水孔呈扇形，且所述进水孔的角度与相邻进水孔之间的角度相等；

所述刮泥板与所述迎水端面板相适配，并且所述刮泥板上沿圆周方向均匀开设有与所述进水孔相适配并数量相同的透水孔；

所述驱动轴远离所述刮泥板一侧开设有沉孔，驱动轴外侧的迎水端面板的内侧壁固定有定位环座，定位环座远离迎水端面板的一侧沿圆周方向均匀开设有与所述进水孔相对应的第二插槽，且相邻所述第二插槽之间设置有第二弧面，所述第二弧面的侧边与所述第二插槽的底面相接；

所述连接部件包括仅能沿沉孔轴向滑动的滑动条、固定在沉孔内部的第二复位弹簧、固定在滑动条远离第二复位弹簧一侧的固定板，以及对称固定在固定板两侧的伸缩件；所述伸缩件与所述推进筒固定连接，所述固定板靠近驱动轴的一侧对称设置有第二插杆，所述第二插杆与第二插槽相适配，并且所述第二插杆远离固定板的一端设置有第二圆弧头。

9.一种基于权利要求1所述的监测装置的监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：通过推进机构的动力组件推动壳体在水中移动，当壳体移动过程中，需要详细对某处进行监测时，停止动力组件，并启动阻力组件，使得壳体的阻力组件的阻力板伸出外周面板外部，然后由Kinect组件的深度传感器对该处的水下地形进行测量，得到被测物体到相机的距离，得到物体各部分的深度信息；

S2：使用Kinect组件将拍摄物体的表面地形转化为带有三维坐标值的三维点云数据，并将提取到的数据保存为“.pcd”格式的文件；

S3：利用折射定律的微分形式，得出关联折射角、入射角与实、虚像点坐标的函数，并且通过校正即可得出水下地形的真实坐标信息；

S4：对获取到的带有三维坐标值的三维点云数据进行滤波降噪、简化数据、平滑数据处理，重新保存得到一个完整的包含关键特征信息的点云数据；

S5：对S4中降噪后的点云数据对水下地形进行三维重建，得到水下地形3D图像。

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