本发明涉及潜水器检测领域，具体涉及一种自治遥控潜水器（autonomousremotely-operatedvehicle，简称arv）水下管道检测跟踪方法及装置。
背景技术：
海洋是人类生存和社会可持续发展的新领域，海洋的开发与通过已成为决定国家兴衰的基本因素之一。据有关资料介绍，自我国正式开采海洋石油、天然气以来，如今已在海底铺设了数十条、几千公里长的输油、输气管道。由于海底管道长期在高压力下承受海水腐蚀，以及材料质量、疲劳、地壳变动、锚链拖曳等原因，世界上已发生多起海底管道破损，石油、天然气外泄事故，造成了巨大的经济损失和对海洋的严重污染。近几年来，世界工业发达国家相继开展了通过缆控潜水器(remotelyoperatedvehicle，简称rov)对海底管道外部进行检查的研究工作，少数国家已开始通过无缆自治潜水器(autonomousunderwatervehicle，简称auv)对海底管道进行自动跟踪的方法研究。
通过rov进行水下管道跟踪由于受限于脐带缆长度原因，只能在较小的范围内作业，在水下环境复杂时，又容易发生电缆缠绕、断裂而导致潜水器丢失。对于较长管道的检测需要反复多次回收rov并移动水面母船，同时如何稳定沿着管道跟踪检测完全取决于作业者的熟练程度。而对于auv的水下管道检测跟踪来说,它不像rov那样有脐带电缆的限制，可在水下较大范围内工作，工作时间长，对支持母船要求低。缺点是由于水声通信限制，无法实现实时图像传输，auv完全依赖于其自主能力，水面母船无法实时监测具体的水下环境，对于复杂的水下作业情况存在不安全性，容易发生auv丢失等情况。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种自治遥控潜水器水下管道检检测跟踪装置及检测方法，该arv系统及其检测方法兼顾了无缆自治潜水器auv和缆控潜水器rov的特点，从而使自治遥控潜水器实现完成实时图像传输，水面母船能够实时监测具体的水下环境，确保复杂的水下作业情况的安全性，完成水下管道的检测跟踪任务。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种自治遥控潜水器水下管道检检测跟踪装置，其中，包含：下位机和上位机，上述的下位机设置在水面下的潜水器上，上述的上位机设置在水面母船上，该下位机与该上位机通过光纤相连接；上述的下位机包含：传感器模块、光视觉模块、嵌入式控制器及水下光端机；上述的上位机包含：水上光端机、水面监控模块及手操器；上述的传感器模块、上述的光视觉模块分别与上述的嵌入式控制器的信号输入端相连接，该嵌入式控制器的信号输出端与上述的水下光端机信号输入端相连接；上述的手操器与上述的水面监控模块电路连接，该水面监控模块与上述的水上光端机电路连接；上述的水下光端机与上述的水上光端机通过光纤相连接，通过串口通信实现数据传输。
一种自治遥控潜水器水下管道检检测跟踪装置，其中，上述的光视觉模块包含：光学成像传感器、云台及辅助照明灯；上述的光学成像传感器、上述的辅助照明灯分别设置在上述的云台上。该光学成像传感器的信号输出端与上述的嵌入式控制器的信号输入端相连接。
一种自治遥控潜水器水下管道检检测跟踪装置，其中，上述的传感器模块包含：深度传感器、速度传感器、姿态传感器、声纳传感器、电池监控传感器及推进器监控传感器；上述的深度传感器的信号输出端、速度传感器的信号输出端、姿态传感器的信号输出端、声纳传感器的信号输出端、电池监控传感器的信号输出端及推进器监控传感器的信号输出端分别与上述的嵌入式控制器的信号输入端相连接。
一种自治遥控潜水器水下管道检检测跟踪装置，其中，上述的水面监控模块包含：主处理器、图像采集卡、可编程逻辑控制器、以太网交换机、水面监控面板及can总线通讯模块；上述的主处理器分别与上述的图像采集卡、上述的can总线通讯模块电路连接，该主处理器与上述的以太网交换机电路连接；该以太网交换机与上述的可编程逻辑控制器电路连接；该以太网交换机通过上述的的水上光端机与上述的下位机电路连接；该可编程逻辑控制器与上述的手操器通过上述的水面监控面板电路连接。
一种自治遥控潜水器水下管道检测跟踪方法，该方法包含如下几个步骤：
步骤1，手操器设置在手动操作模式下，将自治遥控潜水器引导到水下管道起始点的上方。
步骤2，下位机的光视觉模块的光学成像传感器，进行实时采集水下管道的周围图像信息；通过下位机的传感器模块进行实时采集水下管道内潜水器的深度信息、速度信息、姿态信息、前方图像信息、电池状态信息及推进器状态信息。
步骤2.1，深度传感器测量潜水器在水中的深度，将测得深度数据转化为深度电压信号传到嵌入式控制器；
步骤2.2，速度传感器测量潜水器在水中的航行速度，将测得航行速度数据转化为速度电压信号传到嵌入式控制器；
步骤2.3，姿态传感器测量潜水器的水下姿态，测得方向数据转化为电压信号传到嵌入式控制器；
步骤2.4，声纳传感器测量潜水器前视环境，测得图像数据转化为电压信号传到嵌入式控制器；
步骤2.5，电池监控传感器测量潜水器电池组状态，测得电池组状态数据转化为电压信号传到嵌入式控制器；
步骤2.6，推进器监控传感器测量潜水器推进器转速，测得推进器转速信号转换为电压信信号传到嵌入式控制器。
步骤3，下位机的嵌入式控制器分别接收并处理所述的光视觉模块实时水下管道的周围图像信息、传感器模块的传感信号，通过水下光端机传输到上位机；
步骤3.1，下位机的水下光端机接收嵌入式控制器的处理信号并通过光纤，采用rs485串口通信方式传输到上位机的水上光端机。
步骤4，上位机的水面监控模块通过水下光端机水上光端机接收实时水下管道信息进行识别、处理，并转化为实际导航信息；
步骤4.1，上位机的水面监控模块通过水上光端机接收实时水下管道信息；
步骤4.2，上位机的水面监控模块的图像采集卡接收经处理的水下管道的图像信息的模拟信号，通过该图像采集卡，对上述模拟信号进行采样、量化，将模拟信号转换为数字信号并传送至主处理器；上位机的水面监控模块的以太网交换机接收下位机的传感信号经处理后传送至主处理器，通过主处理器对上述信号进行处理转化为实际导航信息。
步骤5，上位机的水面监控模块对自治遥控潜水器所处环境复杂程度的识别，通过形成的自治遥控潜水器实际导航信息，确定并控制对自治遥控潜水器实施自动控制方式或是手动控制方式，使自治遥控潜水器完成水下管道的检测。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
自治遥控潜水器arv水下管道检测跟踪方法与装置的使用解决了传统潜水器用于复杂水下环境中的管道检测，主要体现在：
1.arv能够实现边放缆边作业，避免rov脐带缆的拖动，使水下机动性提高。
2.arv自带电池，可以以auv模式运行，扩展了水下运动范围。
3.arv通过光纤进行通讯，传输信息量大，特别是有利于图像传输。
4.arv水下管道检测跟踪方法通过光学成像传感器（水下ccd摄像头）与图像采集卡对于水下管道进行图像采集与预处理，特别是对于水下可视情况较差的情况，通过图像计算处理，获得水下管道信息，通过针对水下管道的自动定高控制、自动定向控制、自动侧移控制三个自动控制回路进行管道的自动跟踪；与rov相比，arv智能化较高，可以以预编程auv模式实现半自动水下管道检测跟踪作业，同时与auv相比又能实时观测传感设备上传的图像，有利于实时评估判断管道的损坏情况，在复杂水下环境下或是紧急情况下又能根据需要转为手动操作。
附图说明
图1为本发明一种自治遥控潜水器水下管道检检测跟踪装置的结构框图。
图2为本发明一种自治遥控潜水器水下管道检检测跟踪装置的水面监控模块的电路原理图。
图3为本发明一种自治遥控潜水器水下管道检测跟踪方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示的一种自治遥控潜水器水下管道检检测跟踪装置，包含：下位机10和上位机20，下位机10设置在水面下，上位机20设置在水面母船上；该下位机10与该上位机20通过光纤相连接。下位机10包含：传感器模块11、光视觉模块12、嵌入式控制器13及水下光端机14。传感器模块11、光视觉模块12分别与嵌入式控制器13的信号输入端相连接，该嵌入式控制器13的信号输出端与水下光端机14信号输入端相连接。
光视觉模块12包含：光学成像传感器121（水下ccd摄像头）、云台122及辅助照明灯123；光学成像传感器121、辅助照明灯123分别设置在云台122上。该光学成像传感器121的信号输出端与嵌入式控制器13的信号输入端相连接。
传感器模块11包含：深度传感器111、速度传感器112、姿态传感器113、声纳传感器114、电池监控传感器115及推进器监控传感器116；深度传感器111的信号输出端、速度传感器112的信号输出端、姿态传感器113的信号输出端、声纳传感器114的信号输出端、电池监控传感器115的信号输出端及推进器监控传感器116的信号输出端分别与该嵌入式控制器13的信号输入端相连接。
设置于潜水器上的深度传感器111用以测量潜水器的水中深度，并将测得的深度数据转变为深度电压信号。设置于潜水器上的速度传感器112用以测量潜水器的航行速度，并将测得的航行速度数据转变为速度电压信号。设置于潜水器上的姿态传感器113用以测量潜水器的转首、纵倾和横摇方向，并将测得的方向数据转变为相应电压信号。设置于潜水器上的声纳传感器114用以测量潜水器的前方图像，并将测得的图像数据转变为相应电压信号。设置于潜水器上的光学成像传感器121（水下ccd摄像头）用以测量潜水器的周围的图像，并将测得的图像数据转变为相应电压信号。设置于潜水器上的电池监控传感器115用以测量潜水器电池组工作状态，并将测得的状态数据转变为相应电压信号。设置于潜水器上的推进监控传感器116用以测量潜水器推进器的工作状态，并将测得的状态数据转变为相应电压信号。
设置在潜水器上的嵌入式控制器13的信号输入端与深度传感器111、速度传感器112、姿态传感器113、声纳传感器114、光学成像传感器121（水下ccd摄像头）、电池监控传感器115、推进器监控传感器116的信号输出端连接，以接收深度传感器111、速度传感器112、姿态传感器113、声纳传感器114、光学成像传感器121、电池监控传感器115、推进监控传感器116发送来的深度电压信号、速度电压信号、姿态电压信号、声纳电压信号、光学电压信号、电池状态电压信号、推进器状态电压信号。
嵌入式控制器13密封于潜水器载体中，包含有信号放大滤波模块、a/d转换器、多路开关模块、rs485串行通信口及微处理器。多路开关模块的输入端与各信号传感器连接，该多路开关模块的输出端与信号放大滤波模块电路输入端连接，a/d转换器信号的输入端与信号放大滤波模块电路的输出端连接，上述微处理器与a/d转换器信号输出端连接，并与rs485串行通信口连接。
嵌入式控制器13内部设有用于驱动传感器信号传输任务的通信模块，嵌入式控制器连接预编程auv搜索模式的闪存卡。上述的嵌入式控制器13采用了基于pc/104总线的多版卡嵌入式系统，共四层板。由上至下分别为：pmi-6d-n主控制器、msp-8-n多串口板、dmm-32x-at数据采集板、he104电源板，主控制器主要负责和水面控制单元通信，上述的嵌入式控制器13与水上机20之间采用rs485和以太网通过光纤传输，多串口板主要和外围设备进行rs485和rs232通信获取外围设备信息，如深度传感器111、速度传感器112、姿态传感器113、声纳传感器114、电池监控传感器115及推进监控传感器116。
上位机20包含：水上光端机21、水面监控模块22及手操器23；手操器23与水面监控模块22电路连接，该水面监控模块22与水上光端机21电路连接。水下光端机14与水上光端机21通过光纤相连接，通过rs485串口通信实现数据传输。
设置在水面母船上的通过水上光端机21与潜水器上的水下光端机14输出端连接，用以接收嵌入式控制器13发送过来的各种信号进行水下定位及图像处理，进而进行完成arv的水下管道检测跟踪。
手操器23通过水面监控面板226与可编程逻辑控制器plc223相连接，可编程逻辑控制器plc223将手操器23输出的控制信号传输给以太网交换机224，通过水面母船上的水上光端机21与下位机10进行通讯，实现数据传输。
如图2所示的一种自治遥控潜水器水下管道检检测跟踪装置的水面监控模块，其中，水面监控模块22包含：主处理器221、图像采集卡222、可编程逻辑控制器223、以太网交换机224、can总线通讯模块225及水面监控面板226；主处理器221分别与图像采集卡222、can总线通讯模块225电路连接，该主处理器221与以太网交换机224电路连接；该以太网交换机224与可编程逻辑控制器223电路连接；该以太网交换机224通过上述的水上光端机21与上述的下位机10电路连接；该可编程逻辑控制器223通过水面监控面板226与上述的手操器23电路连接。可编程逻辑控制器223用于采集操作面板的模拟和开关数据并发送主处理器221，该主处理器221再与下位机10进行实时的同步通信。其中对电池监控数据采用can总线通讯模块225转usb接口传输。
水面监控模块22的顶层主要通过vb6.0来设计系统，由access来保存与下位机的实时通讯数据，软件系统部分运行于windowsxp环境下。在本发明中，上位机20接收可编程逻辑控制器223的数据及下位机10的数据都是采用的udp通信方式并且共用了同一个主处理器221的端口，而上位机20向下位机10发送数据则采用的是rs485通信方式，从而可以实现全双工的通信。在接收数据中，主处理器221与可编程逻辑控制器223及下位机20通过以太网交换机224连接，同时共用一个网口。
本实施例中，主处理器选用型号为gen-e9455的研扬主板，可编程逻辑控制器选用型号750-841plc，图像采集卡选用型号dh-vt123，以太网交换机选用型号tl-sf1005。
如图3所示的一种自治遥控潜水器水下管道检测跟踪方法，该方法包含如下几个步骤：
步骤1，手操器23设置在手动操作模式下，将自治遥控潜水器引导到水下管道起始点的上方。
步骤2，下位机10的光视觉模块12的光学成像传感器121，进行实时采集水下管道的周围图像信息；通过下位机10的传感器模块11进行实时采集水下管道内潜水器的深度信息、速度信息、姿态信息、前方图像信息、电池状态信息及推进器状态信息。
步骤2.1，深度传感器111测量潜水器在水中的深度，将测得深度数据转化为深度电压信号传到嵌入式控制器13；
步骤2.2，速度传感器112测量潜水器在水中的航行速度，将测得航行速度数据转化为速度电压信号传到嵌入式控制器13；
步骤2.3，姿态传感器113测量潜水器的水下姿态，测得方向数据转化为电压信号传到嵌入式控制器13；
步骤2.4，声纳传感器114测量潜水器前视环境，测得图像数据转化为电压信号传到嵌入式控制器13；
步骤2.5，电池监控传感器115测量潜水器电池组状态，测得电池组状态数据转化为电压信号传到嵌入式控制器13；
步骤2.6，推进器监控传感器116测量潜水器推进器转速，测得推进器转速信号转换为电压信信号传到嵌入式控制器13。
步骤3，下位机10的嵌入式控制器13分别接收并处理所述的光视觉模块12实时水下管道的周围图像信息、传感器模块11的传感信号，通过水下光端机14传输到上位机20；
步骤3.1，下位机10的水下光端机14接收嵌入式控制器13的处理信号并通过光纤，采用rs485串口通信方式传输到上位机20的水上光端机21。
步骤4，上位机20的水面监控模块22通过水下光端机14及水上光端机21接收实时水下管道信息进行处理，并对下位机10实现控制；
步骤4.1，上位机20的水面监控模块22通过水上光端机21接收实时水下管道信息；
步骤4.2，上位机20的水面监控模块22的图像采集卡222接收经处理的水下管道的图像信息的模拟信号，通过该图像采集卡222，对上述模拟信号进行采样、量化，将模拟信号转换为数字信号并传送至主处理器；上位机20的水面监控模块22的以太网交换机224接收下位机10的传感信号经处理后传送至主处理器，通过主处理器对上述信号进行处理转化为实际导航信息，并对下位机10实现控制。
步骤5，上位机20的水面监控模块22对自治遥控潜水器所处环境复杂程度的识别，通过形成的自治遥控潜水器实际导航信息，确定并对自治遥控潜水器实施自动控制方式或是手动控制方式，使自治遥控潜水器完成水下管道的检测。自治遥控潜水器水下管道检检测跟踪装置的控制过程分为人工半自动导引和自动跟踪两个步骤，包含以下步骤：
步骤5.1，当水下管道环境周围障碍物多致使潜水器难以自动避障或脱离，或者获得的水下管道环境的图像使潜水器难以自动定位管道时，通过手动操作模式完成检测；
步骤5.2，当水下管道环境简单时，通过传感器获得信息，潜水器通过相对于水下管道的自动定高控制功能、自动定向控制功能、自动侧移控制功能，再由水面监控模块22发出前进指令，潜水器即在被跟踪管道的上方以给定的速度和高度，自动跟踪水下管道前进。
尽管本发明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发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。