TWI304038B - - Google Patents
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- TWI304038B TWI304038B TW94118344A TW94118344A TWI304038B TW I304038 B TWI304038 B TW I304038B TW 94118344 A TW94118344 A TW 94118344A TW 94118344 A TW94118344 A TW 94118344A TW I304038 B TWI304038 B TW I304038B
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Description
1304038 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 \ 本發明係一種微小型自主式水下載具及基地台系統應用方法,係 指一種水下偵測載具’尤其是指外型的設計以及空間的配置、系統架 構的設計、障礙物辨識、以及障礙物閃避控制法則的建立等。 【先前技術】 現在世界上隨著各國經濟的飛速發展和世界人口的不斷增加,人 類消耗的自然資源越來越多,陸地上的資源正日益減少。而為了生存 和發展,人們必須尋找新的物質來源,因此海洋自然成為首選,近代 人類在海洋上的活動包括漁業、養殖業、海底礦業、軍事、工程研究、 觀光娛樂、交通運輸等,海洋佔地球表面積的71%,它擁有14億立方 • 公里的_,而且海叙海种賴著極其豐富的生物資職6000億 * 顿礦產資源。海底礦物中經的藏量是陸地的68倍,銅的藏量為22 _ 倍,鎳為274倍’ _儲藏量是2_倍。除此之外海洋還是-個無比 巨大的能源庫’全世界海洋中儲存著鳩億嘴石油,近14〇億立方米 的天然氣。由於海底擁有豐富的資源,使得近年來水下探測便成為現 今許多科學家所致力發展的科學計畫之一。 早_水下健大多_水人員來執行,但是潛水W的工作範 圍受到關纽作咖短,而且具有極高之危陳。因此,為了解決 上述的問題,許多研發團隊便發展出了水下載具。水下載具分為有人 載具以及無人載具。其中,因為現代電子設備的進步,無人載具於近 1304038 幾年當中如雨後春筍般的出現,為近年研究的重點之一。而無人载具 更可分為遠端操控式無人載具(Remotely Operated Vehicle,ROV)及自主 式無人載具(AutonomousUnderwaterVehicle,AUV)等二類。其中,由 -於自主式無人載具可運行的範圍比遠端操控式無人載具來的廣闊,更 ^ 成為許多研究單位的開發重點。 _ 根據統計,自從1984年第一台AUV問世後,現今全世界至少有 超過12個國家發展了超過66台AUV,分別執行各種不同的任務。舉 • 例而言,由國立台灣大學造船及海洋工程研究所所開發的自主式水下 載具海敏一號,被用來進行水下之目標物之搜尋辨識及調查。其次, 由中國工程研究院所開發的CR_01大洋一號,則被使用於進行海底沉 物目標搜索、海底金屬探測採集、以及海底地形調查。又如由日本東 - $大學生產研究所關發的咖4自主拉下載具,麻胁進行海洋 - 錢調查、海底熱泉探測、以及海底地形調查。最後,由日本東京大 — 學生紐術研究騎開發的TRI_DOGAUV自主式水下储則是使用 Ιφ 於近海之水中設施如碼頭、港口等檢查設施設備是否完整。 在上述現今存在的66款水下自主式載具當中,用來取得外界環境 貧料的方法通常可分為聲學制及非聲學制。其巾,絕大多數的水 下載具均使崎學量_方式,但是聲學量_有受到海巾潮流干擾 的可能性。 雖然,上述的载具當中,也有少許載具用影像系統作為景象冤集 以及自動駕,___器。如日本東京大學生產技術研究所所開發 1304038 ^ 自主式水下載具上裝備有彩色CCD攝影機及聲納探 - 。但是’這賊具之控·键置於上,使得載具内部的空 - 間而求增加,這對於微小載具而言有實質的困難。此外,這些载具所 . 像賴於载具回航之後,操作ΑΜτ載所紀騎資料村得 知載具所歷經的過程,並無法於載具運行時即時獲得資訊。 【發明内容】 (鲁 因此树明侧韻CCD攝與轉雜的轉學量測方式,來 攫取載具前方的景象,並經由影像辨識的方式,來辨識載具前方的物 體。此-辨識的結果同時可以用來進行載具自動閃避的依據。使得載 2達到自動駕歇的功能。由於本發明同時利用攝影機所擷取的影像作 景象1集以及作自動驗的依據。此-核只需要CCD攝影機來達到 目的,不需其他量測系統的辅助,且為了要解決即時取得載具所歷經 — 的過程資訊此,本發_是透過基地台,以鱗傳輸的方式來 (· 進行影像的傳輸以及載具的控制,如此,可以節省載具當中裝置控制 器的空間,同時基地台又可以即時獲得載具所娜的影像,達到一舉 兩得的效果’因此’本發明的優點為所需設備較少、成本上較為低廉、 且可達到即時取得載具所歷經的過程資訊等優點。 【實施方式】 為使胃審查委員對本發明系統有更深入之瞭解,發明人特以下 列整體架構分析及具體實施例,對本發明所採取之技術手段,做—深 入之洋細解說。 1304038 針對整體架構分析於此作一詳細之分層解說: Μ硬體架構 本發明所規劃之基地台系統硬體架構如第一圖所示,以下針對架構當 中的各個模組進行詳細之介紹: (1)無線針孔CCD攝影機:用來進行載具前方影像的擷取,當中具備有影 像無線傳輸(發射)的功能。 (2)影像接收器(Image Receiver):設置於基地台當中,用來接收由CCD攝影 機所傳輸而來的影像。 (3)影像儲存器:設置於基地台當中,用來儲存由CCD攝影機所傳輸而來的 影像。 (4) IMAQ影像擷取卡··裝置於影像處理暨載具運動控制器上,用來將影像 _ 接收器傳來的影像擷取進入電腦當中,以便進行分析。 (5) 影像處理暨載具運動控制器:基本上為一台電腦,用來進行影像處理, 以辨識载具前方的障礙物,並計算控制指令來進行障礙物閃避的動作。 (6) DAQ卡:設置於基地台當中,裝置於影像處理暨載具運動控制器上,用 來將控制器所計算得到的控制訊號傳至無線訊號發射模組,以便傳輸至 載具。 (7) 無線訊號發射模組:設置於基地台當中,為無線頻率訊號發射器,將控 制訊號發送至載具的控制電路板。 (8) 水下載具馬達:用來接受由控制器所傳輸而來的訊號,進行水下載具的 驅動,以依循所規劃的路徑行進或者進行閃避的動作。 1304038 影像處理流程暨#击丨 。 影像處理流程如第二圖所示,其係針對此-流程進行詳細之介紹: ⑴影像擁取:將傳至影像操取卡的影像訊號,賴取至分析程式當中,以便 進行影像辨識。 ⑵設定解析度:CGD攝影機原本的解析度為·,但為方便後續的影 像刀割處理’需將解析度作調整,當然設定的解析度越高時影像辨識能 力會越好,但不可南於原本CCD攝影機的解析度,否則將會失真,且考 • 冑騎度越南’電腦處理的時間也會S久,1¾時也不可以設的太低,否 則會影降低像辨識能力,於是取中間值且方便影像處理的解析度 300x300。
(3)冗度補乜·由於擷取到的影像是動態的,所以時而會出現過亮或過暗的 光差情开>(比方說從屋外很亮的環境走進漆黑的屋子裡面一樣)導致瞬間 無法適應,於是設定一個亮度補償值,目的在於降低光差來適應忽然改 變的環境。亮度補償的方法是先將整個晝面作亮度分析,之後算出亮度 平均值(每個畫素的亮度總和/全部畫素數目)。最後,讓亮度平均值等於 亮度補償值。比方說亮度補償值設定在40,在過光線充足的環境下平均 亮度值為70,就將整個晝面的亮度都減30(70-40=30),反之在光線不足 環境時則提升畫面亮度。 (4)二值化:主要是在區分障礙物與非障礙物,其方法是利用障礙物會反光 的特性來進行分辨,有障礙物的方位由於有反射光線,故亮度值較高; 亮度值高於閥值時,設定為「亮」,低於閥值時,設定為「暗」。 1304038 . (5)細部處理:二值化時常常會受到光斑或者水的波紋的影響,於二值化後 會出現許多的空洞,會影響影像判斷,所以需要將這些空洞移除,以保 持影像之清晰,來減少誤判機率。其方法是將整個晝面分成許多3><3晝 素的小方格,方格中心晝素與鄰近8個畫素作比較,中心畫素的二值化 设定依照其周圍「亮」或「暗」畫素的比列進行設定。也就是說,如果 「亮」的數目大於「暗」的數目,令心晝素將會被設定成「亮」。 (6) 影像分割··目的在於讓電腦明白區分障礙物的位置;方法是將之前修整 # 好解析度為3〇〇><3〇〇的二值化影像,依序分割成左上、上、右上、左、中 間、右、左下、下、右下等9個100x100的區間來個別判斷每個區間的障 礙物存在與否,就可以得知障礙物位置。 (7) 比較旦數·目的用來定義障礙物的存在與否(Υπ 〇r no),主要方法是 、 利用「免」畫素面積與「暗」晝素面積在區間内所佔的比例來決定是否 ' 鱗礙物。其方法主要在設定—個比較畫素值,當區助的「暗」晝素 數目低於設定的比較畫素值時則判斷該區塊有障礙物。 麵遂逢鱼Μ躲判_1輯 經由以上障礙物位置判_絲,得轉礙_位置,接下來由障礙 物閃躲判定邏輯來決定聰的方向,方法是採取順序法,也就是當中間無 ★礙物在中間直订,如中間有障礙物則往左轉,左邊又有障礙物則往右轉, 流程如第三圖所示。但是,考慮到無人水下載具的初始位置問題,可能初 始位2為浮她,職嶋爾恤咐,#左、㈣和右 都有障礙物的話,接著就要往下運動,如同時左下、下、右下都有障礙物 1304038 . 時則迴轉’在此的基本設定是剛好離水面有點距離的情況下,閃躲基本順 序為中—左—右—上—左上—右上—下—左下—右下—迴轉。 丞下載具結槿設計 • 如第四圖之一所示,本發明之載具的基礎概念設計,主要設計重點分 為以下幾點: l载具必須以影像辨識控制(Image_basedSensing)為主,因此本發明在機 身前方裝設了半圓形透明壓克力罩以利於影像之擷取,並於内部裝置 CCD攝影機。 2·载具具有水下載具馬達,其必須同時具備上下以及左右移動的能力。 3·在有限的㈣中以一般市面販售的材料及現有的模組以達到降低成本 的目標。 ' 4.機身的阻力射麟至最小,因此設計祕合《力學之細長形狀。 5.能源及動力方面,由於本發明為一種為小型自主式水下载具,故不適合 • 使用引擎作為驅動器。故本發明使用馬達搭配電池為主。 針對具體實施觸部份以下做—完整之運作說明: 如第四圖之-與之二所示,自主式水下载具1〇的前方裝置有針孔⑽ 攝〜機1卜CCD攝影機11之前方則有防水罩12,以保護⑽攝影機^。 載具的左右方各有一傳動模組13,用以推動載具前進、退後,其前後各有 一傳動模組13 ’用以推動載具上浮、下潛,载具前段裝置有一天線Μ,用 以改善無線傳輸的品f ’於載具運行時,天線14的滅情形如第五圖所示, 然其天線14的一端連接載具上的影像發射器16,另外一端則連繫於一浮標 1304038 .15上,其目的是要使得影像的傳輸清晰,又配合上第六圖所示,當自主式 •欠下載具1〇於海底運行時’透過天線Μ連接浮標I5將影像訊號傳送至基 2G之#像接收器(hageReeeivei^卜再由基地台20之影像接收器 .)21姆像傳至紐㈣之影像處理_具物鋪器處理 《再透過〜像處理暨載具運動控制彡像後再下^令給無線訊號 傳輸模組將指令傳送給自主式水下載具1〇,讓自主式水下載具ι〇依照指 令移動取得影像,然其所取得的影像都存在基地台%内的影像儲存器加以 •保存」基地口 20與自主式水下載具1〇間於下水後皆相互地進行互動。 由第七圖巾圖表所*,本㈣乃是—台微小型水下載具,其最高速度 為9 m/min ’操作深度為i m,續航力為9〇分鐘,因此,此一載具適合在 脉運行。其速度的關主要㈣馬達_出辨辟,轉作深度主要 ; 麵天線長度的影響,未來,若進行天線的延長,以及峨傳輸功率的提 ' 升’將可加深運行深度,而續航力主要受到電池的容量影響,未來如果使 用容量密度更高的電池,將可加長續航力,在影像傳輸部分,本發明使用 2.4GHz的NTSC電視訊號,而在控制訊號的傳輸部分,本發明使用%施 /4〇MHz的傳輸訊號’由於受到傳輸模組功率的限制,本發明的傳輸範圍為 15 m。如果加強傳輸模組功率,將可加長此一傳輸距離。 在人機介面部分,本發明則是以Labview軟體建立而成,在人機介 面部分總共分為七個區塊,其功能分別陳述如下; A、參數設定:包括亮度、二值化閥值、比較畫素及轉彎延遲時間,前三 者是調整與障礙物之間的反應距離,而後者則是控制轉彎時的角产,
12 1304038 用來防止與障礙物擦撞。 B、 手動操作裝置··當自動控制失效或平常時,可切換為手動操作。 C、 狀悲監控:監視潛水艇的動作是否有按照程式執行。 D、 馬達狀態情形監控:監視傳送之控制訊號是否正破。 E、 障礙物位置確認:監視程式判斷情形。 F、 視訊監控:監視傳輸影像是否清晰。 G、 二值化後影像監控:監視二值化之品質。 _ 此外,本發明的影像處理程式以及障礙物閃躲程式同樣利用Labview軟體 架構而成’其相關的邏輯則如前一段所述。 最後,當整個系統完成之後,本發明進行系統性能的測試,其結果如 第八圖所示,第八圖顯示載具在測試池中的實際行走路徑。載具由零點出 ^ 發,當其往前移動至圓形點處(離測試池的邊緣X2Cm),影像辨識程式即成 功辨識出前方有障礙物,因此命令載具旋轉,之後,當判斷前方已無障礙 物後,則繼續前進,如此,載具沿著測試池的邊緣前進,一直到其遭遇到 •前方預設的障礙物,便繞猶礙物而行,如此,職復始的繞著途中 的軌跡行進,因此,吾人可以得到’本發明的載具可以成功的進行障礙物 的閃避’而且’當其行進的時候,基地台簡作可以透過人機介面隨 時得知前方的景象。 綜上所述,本發明所述之微小型自主式水下載具及基地台系統應用方 法,不僅可達預期之實用功效外並且為前所未見之設計,已符合專利法發 明之要件,爰依法具文申請之。為此,謹請責審委員詳予審查,並祈早 13 1304038 日賜請專利,至感德便。 以上已將發明作一詳細說明,惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施 例而已,當不能限定本發明實施之範圍,即凡一本發明申請專利範圍所作 之均等變化與修飾等,皆應屬本發明之專利涵蓋範圍意圖保護之範疇。 1304038 【圖式簡單說明】 第一圖本發明之系統架構圖; 第二圖本發明之影像處理流程圖 第三圖本發明之閃躲邏輯判斷流程圖 第四圖之一本發明之自主式水下載具立體圖 第四圖之二本發明之自主式水下載具立體及透視圖 第五圖本發明之天線拖矣示意圖
第六圖本發明之實施例圖 第七圖本發明之小型水下載具性能規格表 第八圖本發明之載具在測試池中的實際行走路徑示意圖 【主要元件符號說明】 ίο自主式水下載具 11 CCD攝影機 12防水罩 φ 13傳動模組 14天線 15浮標 16影像發射器 20基地台 21影像接收器 15
Claims (1)
1304038 、十、申請專利範圍: 月7修(美)正替換頁j 1 _ wmnil-M····11*·11 11~~ 11· ι__ιι_·___··· II —-ρ j L -種微小型自主式水下載具及基地台,其包括有一下水載具與基地台, 其中下水載具,其含有: —載具外殼,其係為-密封防水性外殼裝置,其内包括有、動力模組、 影像模組、以及無線傳輸模組; 一動力模組,其係接收到無線傳輸模組之執行訊號去推動水下載具於 水中行進; | -祕模組’係可做—即時水巾之影像錄影,將影像資料介由無線傳 輸模組傳送; —無線傳輸模組,接收基地台所傳輸之控制指令,並做—影像傳輸之 功能; 其中基地台包括有: -影像接㈣’其係將則、型自主式水下載具賴攝得來之影像經無 線傳輸過程加以接收;
-影像處理暨載具運動控制器,將影像接收器接收之影像經過影像處 理暨載具運動控制器運算處理,且將處理結果送至無線訊號傳輸模組; -無線訊號傳輸额,郷像處理暨魅運動控繼運該理結果傳 送至微小型自主式水下載具去控制其移動方向· -影像儲存器,將影像接收雜絲之影像加簡存使用。 2.如申請專利範圍第1項所述之微小型自主式水下載具及基地台,其中動 力模組係由複數個馬達所構成。 主式水下載具及基地台,其中動 3·如申請專利範圍第2項所述之微小型自 16 1304038 力模組前後各有一顆馬達,用L以推動截具士浮〜下潛,可控制往上、 下、左、右移動。 4.如申請專利範圍第1項所述之微小型自主式水下載具及基地台,其中影 像模組係由單-或複數個CCD攝影機所架構而成,負責即時錄影之功 能。
5·如申請專利細帛4項所述之微小型自主式水下載具及基地台,其中影 像模組之CCD攝影機可為針孔式微型攝影機。 6·如申請專利細第4項所述之微小型自主式水下載具及基地台,其中影 像模組之CCD攝影機可為半球型攝影機、吸頂攝影機、魚眼攝影機、螺 絲攝影機、鈕扣攝影機、特殊攝影機等之微型攝影機。 7 •如申請專利範圍第1項所述之微小型自主式水下載具及基地台,其中無 線傳輸模組可用NTSC電視訊號傳輸。 8·如申請專利範圍帛!項所述之微小型自主式水下載具及基地台,其中無 線傳輪模組可用一般無線訊號傳輸。 如申請專利範圍第1項所述之微小型自主式水下載具及基地台,其中無 線傳輸模組可用GPS衛星訊號傳輸。 〇·如申請專利範圍第1項所述之微小型自主式水下載具及基地台,其中 影像處理暨載具運動控制器包括有: 〜影像擷取卡,供以擷取影像接收器之影像,以便分析; 電腦運算單元’將掏取之影像做一影像處理,以辨識載具前方的障 礙物,並計算控制指令來進行障礙物閃避的動作; 17 1304038
一 DAQ卡,將電腦運算單元所得到之控制弒麗傳:C無躁適»凝^ 組,以便傳輸至載具。 11. 一種微小型自主式水下載具及基地台系統應用方法,其方法步驟如 下: 其微小型自主式水下載具中之影像模組先獲取載具前方影像,再將所 獲得之影像透過無線傳輸的方式傳達至基地台,同時基地台透過影像 接收器接收所得影像傳送至影像處理暨載具運動控制器,並將影像加 以處理分析運算來辨識載具前方之障礙物,將所計算得到之控制指令 透過無線訊號傳輸模組傳回載具,讓載具可依照控制指令來推動動力 模組,以進行障礙物的閃避,然其所有的即時影像都可透過影像儲存 器加以儲存。
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