CN207835648U - 一种水下机器人光视觉监控装置 - Google Patents

Abstract

一种水下机器人光视觉监控装置，包含：多个具有密封结构的水下光视觉摄像系统，其设置在水下机器人上，用于获取水下光学图像信息；图像采集卡，其通过脐带缆组件连接水下光视觉摄像系统，用于采集水下光视觉摄像系统获取的光学图像信息；主控计算机，其通过PCI总线连接图像采集卡，用于对水下光视觉摄像系统采集到的图像信息进行运算与处理；可编程控制器，其连接主控计算机，并通过脐带缆组件连接水下光视觉摄像系统，用于在主控计算机的指示下实时控制水下光视觉摄像系统的工作。本实用新型水下成像效果好，图像采集速度快，密封性能好。

Description

一种水下机器人光视觉监控装置

技术领域

本实用新型涉及水下石油开采装备领域，尤其涉及一种水下机器人光视觉监控装置。

背景技术

水下机器人技术是海洋探索和研究的核心，而拥有机器视觉的机器人将能更好的完成海底的勘探和引导机械手的水下操作。水下机器人监控装置是海上平台对水下采油树、水下生产控制模块等设备维护的水下3000米作业型机器人的监控装置。水下机器人监控装置是为操作、维护水下采油树，代替潜水员观察水下情况并做出判断的一个重要组成部分，是水下机器人的控制系统处理和分析内部和外部各种信息的主要装置，以达到在海洋环境下代替人进行作业和反馈水下机器人运动或决定水下机械手等装置动作指令的自动控制装置。

水下机器人常常需要在恶劣且复杂多变的环境中进行作业，因此其视觉系统显得尤为重要，正如人脑接收的信息来自视觉，水下机器人的光视觉系统也给机器人提供了大量的信息构建，具有自动识别能力的水下机器人光视觉系统必然成为其智能化的重要环节。

水下机器人在水下作业时，能见度比大气中低，因此在水下光视觉的研究中会遇到一些典型的问题，例如，成像环境的特殊性决定了只有少数几种水下传感器可用于水下信息的获取。其次，复杂的成像环境使水下图像对各种噪声和干扰比较敏感，造成获取的水下图像成像质量不高而且信息冗余。此外，在不同光照条件下，悬浮物以及水流等因素都给最终的视觉任务带来很大的影响。

实用新型内容

本实用新型提供一种水下机器人光视觉监控装置，水下成像效果好，图像采集速度快，密封性能好。

为了达到上述目的，本实用新型提供一种水下机器人光视觉监控装置，包含：

多个具有密封结构的水下光视觉摄像系统，其设置在水下机器人上，用于获取水下光学图像信息；

图像采集模块，其通过脐带缆组件连接水下光视觉摄像系统，用于采集水下光视觉摄像系统获取的光学图像信息；

主控计算机，其通过PCI总线连接图像采集模块，用于对水下光视觉摄像系统采集到的图像信息进行运算与处理；

可编程控制器，其连接主控计算机，并通过脐带缆组件连接水下光视觉摄像系统，用于在主控计算机的指示下实时控制水下光视觉摄像系统的工作。

所述的水下光视觉摄像系统设置在水下机器人的艏部、中腹部、艉部中的至少一处。

所述的水下光视觉摄像系统包含：密封外壳，设置在密封外壳中的云台，以及设置在云台上的水下CCD摄像机和辅助照明灯，水下CCD摄像机用于采集水下光视觉图像，把光学影像转化为数字信号，辅助照明灯用于提供水下照明，通过云台来调节水下CCD摄像机和辅助照明灯的角度位置。

所述的密封外壳上设置有透明观测窗，保证光线能够正常进入水下CCD摄像机，所述的透明观测窗上设置有密封圈。同时该密封外壳上设置有专用线路防水接头密封结构，实现了对信号传输和控制线路的密封。

所述的脐带缆组件包含：通过脐带缆连接的水上脐带缆终端单元和水下脐带缆终端单元，该水上脐带缆终端单元连接图像采集模块和可编程控制器，该水下脐带缆终端单元连接水下光视觉摄像系统，该脐带缆组件实现主控计算机与水下光视觉摄像系统之间的数据传输。

所述的主控计算机包含：图像处理模块和图像识别模块；

图像处理模块对水下光视觉摄像系统先期采集到的大量的原始图像进行图像预处理和图像分割，并进行特征提取，根据目标模型进行学习，形成特征数据库；

图像处理模块对水下光视觉摄像系统最新采集的待识别目标图像进行图像预处理、图像分割和特征提取，图像识别模块通过数学模型对图像处理模块提取的特征数据和特征数据库中的数据进行比较计算，完成对待识别目标的图像识别，输出识别结果。

本实用新型具有以下有益效果：

1、水下成像效果好。

2、图像采集速度快。

3、密封性能好。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种水下机器人光视觉监控装置的结构示意图。

图2和图3是对光学图像信息的运算与处理过程的示意图。

具体实施方式

以下根据图1～图3具体说明本实用新型的较佳实施例。

水下机器人监控系统通常会利用摄像机、照相机、照明灯、声纳及多种传感器收集有关外界和系统的全面工作信息，并借助电缆与控制室进行信息传输。

与传统的光学传感设备不同，水下机器人的光视觉系统不仅需要具有获取光学图像和视频信息的能力，而且应该具备对图像和视频信息进行处理、特征提取以及分类识别的功能，智能水下机器人中“光视觉”系统的使命是快速、准确地获取水下目标的相关信息，并对信息进行实时处理，将处理结果反馈给计算机，从而指导水下机器人进行正确的作业。

如图1所示，本实用新型提供一种水下机器人光视觉监控装置，包含：

多个具有密封结构的水下光视觉摄像系统7，其设置在水下机器人上，用于获取水下光学图像信息；

图像采集模块2，其通过脐带缆组件连接水下光视觉摄像系统7，用于采集水下光视觉摄像系统7获取的光学图像信息；

主控计算机1，其通过PCI（Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准）总线连接图像采集模块2，用于对水下光视觉摄像系统7采集到的图像信息进行运算与处理；

可编程控制器3，其连接主控计算机1，并通过脐带缆组件连接水下光视觉摄像系统7，用于在主控计算机1的指示下实时控制水下光视觉摄像系统7的工作。

所述的水下光视觉摄像系统7可以选择设置在水下机器人的艏部，中腹部和艉部。

进一步地，所述的水下光视觉摄像系统7包含：密封外壳（图中未显示），设置在密封外壳中的云台9，以及设置在云台9上的水下CCD摄像机8和辅助照明灯10。

在本实施例中，为了使水下机器人在运动过程中可以及时发现水下目标，在水下机器人的艏部和中腹部各装配一个水下光视觉摄像系统7，水下CCD摄像机8采用半导体器件CCD，能够把光学影像转化为数字信号，采用辅助照明灯10提供水下照明，提高水下CCD摄像机8的成像效果，通过云台9来调节水下CCD摄像机8和辅助照明灯10的角度位置。

所述的密封外壳使云台9与设置在云台9上的水下CCD摄像机8和辅助照明灯10都处于一个密封防水的结构中，该密封外壳上设置有透明观测窗，采用橡胶圈密封，保证光线能够正常进入水下CCD摄像机，同时该密封外壳上设置有线路密封结构，采用专用线路防水接头密封，实现了对信号传输和控制线路的密封。

具有密封结构的水下光视觉摄像系统7不仅在没入水下时不会进水，而且在深水压力环境下仍然可以保证密封结构的防水性能，密封外壳采用压力补偿技术设计（该补偿技术为行业成熟技术），可保持水下机器人内外始终处于压力平衡状态，利于容器壳体以及内部元器件的密封。

进一步地，所述的脐带缆组件包含：通过脐带缆5连接的水上脐带缆终端单元4和水下脐带缆终端单元6，该水上脐带缆终端单元4连接图像采集模块2和可编程控制器3，该水下脐带缆终端单元6连接水下光视觉摄像系统7，该脐带缆组件实现主控计算机1与水下光视觉摄像系统7之间的数据传输。

本实用新型的工作原理如下：

水下CCD摄像机8采集光学图像信息，辅助照明灯10为水下CCD摄像机8提供照明，水下CCD摄像机8通过水下脐带缆终端单元6将光学图像信息经过脐带缆传送给水上脐带缆终端单元4，图像采集卡2通过水上脐带缆终端单元4采集水下CCD摄像机8获取的光学图像信息，通过PCI总线将光学图像信息实时传送给主控计算机1，主控计算机1对光学图像信息进行运算与处理，通过可编程控制3计算摄像机调节指令（可以调节焦距）、云台控制指令和灯控指令，并将上述指令通过脐带缆组件发送给水下光视觉摄像系统7，通过云台9来控制水下CCD摄像机8和辅助照明灯10的角度和位置，并调节辅助照明灯10的光强（不是光强越大，成像效果越好，光强太大，可能会造成图像超饱和现象，因此根据自然光照和图像灰度，灯控装置自动调节灯的光强）。

如图2和图3所示，主控计算机1对光学图像信息的运算与处理过程具体包含：

图像处理模块对水下光视觉摄像系统先期采集到的大量的原始图像进行图像预处理和图像分割，并进行特征提取，根据目标模型进行学习，形成特征数据库；

图像处理模块对水下光视觉摄像系统最新采集的待识别目标图像进行图像预处理、图像分割和特征提取，图像识别模块通过数学模型对图像处理模块提取的特征数据和特征数据库中的数据进行比较计算，完成对待识别目标的图像识别，输出识别结果。

通过样机的试验可证明上述水下机器人光视觉监控装置完全满足使用要求。

本实用新型具有以下有益效果：

1、水下成像效果好。

根据自然光照和图像灰度，自动调节摄像系统中灯的光强，从而调节水下光视觉，并通过云台来调节摄像机和灯的角度位置，以得到高质量成像。

2、图像采集速度快。

图像采集卡通过PCI总线与计算机连接，可将采集的图像实时传到内存和显存，实现摄像机图像到计算机内存的可靠实时传送。在采集过程中，由于采集卡传送数据采用PCIMaster Burst 方式，图像传送的平均速度高达40MB/S，可实现摄像机图像到计算机内存的可靠实时传送，并且几乎不占用CPU时间，留给CPU更多的时间去做图像的运算与处理，快速地完成视觉建模、高层视觉信息处理。

3、密封性能好。

采用压力补偿技术设计，可保持水下光视觉摄像系统的内外始终处于压力平衡状态，利于容器壳体以及内部元器件的密封。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种水下机器人光视觉监控装置，其特征在于，包含：

多个具有密封结构的水下光视觉摄像系统（7），其设置在水下机器人上，用于获取水下光学图像信息；

图像采集模块（2），其通过脐带缆组件连接水下光视觉摄像系统（7），用于采集水下光视觉摄像系统（7）获取的光学图像信息；

主控计算机（1），其通过PCI总线连接图像采集模块（2），用于对水下光视觉摄像系统（7）采集到的图像信息进行运算与处理；

可编程控制器（3），其连接主控计算机（1），并通过脐带缆组件连接水下光视觉摄像系统（7），用于在主控计算机（1）的指示下实时控制水下光视觉摄像系统（7）的工作。

2.如权利要求1所述的水下机器人光视觉监控装置，其特征在于，所述的水下光视觉摄像系统（7）设置在水下机器人的艏部、中腹部、艉部中的至少一处。

3.如权利要求2所述的水下机器人光视觉监控装置，其特征在于，所述的水下光视觉摄像系统（7）包含：密封外壳，设置在密封外壳中的云台（9），以及设置在云台（9）上的水下CCD摄像机（8）和辅助照明灯（10），水下CCD摄像机（8）用于采集水下光视觉图像，把光学影像转化为数字信号，辅助照明灯（10）用于提供水下照明，通过云台（9）来调节水下CCD摄像机（8）和辅助照明灯（10）的角度位置。

4.如权利要求3所述的水下机器人光视觉监控装置，其特征在于，所述的密封外壳上设置有透明观测窗，保证光线能够正常进入水下CCD摄像机。

5.如权利要求4所述的水下机器人光视觉监控装置，其特征在于，所述的透明观测窗上设置有密封圈。

6.如权利要求3所述的水下机器人光视觉监控装置，其特征在于，所述的密封外壳上设置有专用线路防水接头密封结构，实现了对信号传输和控制线路的密封。

7.如权利要求1所述的水下机器人光视觉监控装置，其特征在于，所述的脐带缆组件包含：通过脐带缆（5）连接的水上脐带缆终端单元（4）和水下脐带缆终端单元（6），该水上脐带缆终端单元（4）连接图像采集模块（2）和可编程控制器（3），该水下脐带缆终端单元（6）连接水下光视觉摄像系统（7），该脐带缆组件实现主控计算机（1）与水下光视觉摄像系统（7）之间的数据传输。

8.如权利要求1所述的水下机器人光视觉监控装置，其特征在于，所述的主控计算机（1）包含：图像处理模块和图像识别模块；

图像处理模块对水下光视觉摄像系统先期采集到的大量的原始图像进行图像预处理和图像分割，并进行特征提取，根据目标模型进行学习，形成特征数据库；

图像处理模块对水下光视觉摄像系统最新采集的待识别目标图像进行图像预处理、图像分割和特征提取，图像识别模块通过数学模型对图像处理模块提取的特征数据和特征数据库中的数据进行比较计算，完成对待识别目标的图像识别，输出识别结果。