水下激光测距装置及测距系统的制作方法

1.本发明属于测距装置技术领域，具体涉及一种水下激光测距装置及测距系统。


背景技术：

2.当前，我国的渔业养殖具有从近海走向深海的发展趋势。在针对养殖网衣的维护作业过程中，需要实时获取作业机构与网衣的距离，以避免作业机构与网衣发生缠绕，保证网衣维护作业的安全顺利进行。
3.关于作业机构与网衣之间的测距，主要通过水下激光测距仪实现。目前普遍采用的水下激光测距仪是基于相位式激光测距原理的单点激光测距仪，其采用调制方式发射激光并通过对相位差的测量以实现测距。然而，网衣等网状物具有周期性细线与网眼结构，具有声光信号反射面积比例小的特点，即网衣的目标平面是周期性中空的，水下激光测距仪发出的点激光束可能穿过网眼的中空区域而未能获取反射信号，从而导致水下相机难以采集到完整的点激光光斑图像以用作测距分析；另一方面，深海环境下的养殖水体存在平流、湍流、内波等复杂海流情况，而网衣的柔性结构使其具有随海流波动的瞬态特征，也就是说，网衣的目标平面处于不断波动变形的状态，其与点激光束投射方向之间的角度情况极其复杂，可能存在旋转角和俯仰角杂合的情况。
4.基于上述问题，传统的点激光束测距方式用于水下网衣时，测距准确率极低，因此目前亟需一种针对柔性网状物的精准可靠的测距方式。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的上述缺点，本发明的目的在于提供一种水下激光测距装置，旨在解决现有的点激光束测距方式用于柔性网状物时，测距准确率极低的技术问题。
6.本发明为达到其目的，所采用的技术方案如下：
7.一种水下激光测距装置，所述水下激光测距装置包括激光器、反射台体、驱动装置、视觉传感装置和多个第一反射镜；其中：
8.所述驱动装置用于驱动所述反射台体绕所述反射台体的中心轴旋转；所述反射台体的侧面为反射面，所述激光器用于将激光沿所述反射面的入射方向投射到所述反射面上，所述反射面的出射方向与每一所述第一反射镜的入射方向相对，每一所述第一反射镜的出射方向均用于朝向目标网状物；所述视觉传感装置用于朝向所述目标网状物并采集激光投射到所述目标网状物上的图像。
9.进一步地，所述水下激光测距装置还包括第二反射镜；其中：
10.所述第二反射镜的入射方向与所述激光器投射激光的方向相对，所述第二反射镜的出射方向与所述反射面的入射方向相对。
11.进一步地，所述水下激光测距装置还包括基板，所述激光器、所述驱动装置、所述第二反射镜和多个所述第一反射镜安装于所述基板的一侧面上，且所述反射台体的中心轴垂直于所述基板。
12.进一步地，所述激光器投射激光的方向用于朝向所述目标网状物。
13.进一步地，所述驱动装置连接于所述反射台体的底面上，所述视觉传感装置设置于所述反射台体的顶面上，所述视觉传感装置的中心轴位于所述反射台体的中心轴处；
14.进一步地，在所述反射台体的中心轴方向上，所述视觉传感装置的成像面与多个所述第一反射镜中心的距离差不大于1mm。
15.进一步地，所述水下激光测距装置还包括底板和减振装置，所述基板安装于所述底板的一侧面上，所述减振装置的一端连接于所述底板的一侧面上，所述减振装置的另一端连接于所述驱动装置上。
16.进一步地，所述第一反射镜为四个且环绕所述反射台体设置，以使激光从所述第一反射镜的出射面投射出去的激光轮廓线呈矩形。
17.进一步地，所述反射台体为正四棱台，所述反射面为所述正四棱台的四个侧面，且所述反射面与所述第一反射镜一一对应设置。
18.进一步地，任意两个相对的所述第一反射镜的出射方向平行于所述反射台体的中心轴，另外两个所述第一反射镜的出射方向相对所述反射台体的中心轴呈向外的夹角。
19.对应地，本发明还提出一种测距系统，所述测距系统包括电路板以及如前述的水下激光测距装置；所述电路板分别与所述激光器、所述驱动装置、所述视觉传感装置电连接，且所述电路板用于连接终端通信设备。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21.本发明提出的水下激光测距装置，通过设置驱动装置驱动反射台体旋转，将激光器投射到反射台体的反射面上的点激光束扫掠成线激光束并经第一反射镜投射到目标网状物表面，以连续的线激光束解决了采用点激光束方式时因点激光束打在网眼的中空区域处而无法获取反射信号的问题，使视觉传感装置得以采集打在目标网状物网线上的线激光束并在成像面上形成线激光光斑。另外，由于第一反射镜为多个，投射到目标网状物上的线激光束也为多条，根据成像倍率关系，可通过显示在成像面上的多条线激光光斑之间的距离关系推导出目标网状物的偏转角度情况，从而可更准确地计算出水下测距装置到目标网状物表面的实际距离，提高了在目标网状物存在波动变形情况下的测距精确性。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
23.图1为本发明水下激光测距装置一实施例的结构示意图；
24.图2为本发明实施例方案中线激光束投射在目标网状物上的轮廓示意图；
25.图3为本发明实施例方案中激光的第一反射轨迹示意图；
26.图4为本发明实施例方案中激光的第二反射轨迹示意图。
27.附图标记说明：
[0028][0029][0030]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0031]
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的一部分实施例，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作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。
[0032]
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0033]
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”或者“及/或”，其含义包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0034]
参照图1至图3，本发明一实施例提供一种水下激光测距装置，该水下激光测距装置包括激光器1、反射台体2、驱动装置3、视觉传感装置4和多个第一反射镜5；其中：
[0035]
驱动装置3用于驱动反射台体2绕反射台体2的中心轴旋转；反射台体2的侧面为反射面21，激光器1用于将激光沿反射面21的入射方向投射到反射面21上，反射面21的出射方向与每一第一反射镜5的入射方向相对，每一第一反射镜5的出射方向均用于朝向目标网状物10；视觉传感装置4用于朝向目标网状物10并采集激光投射到目标网状物10上的图像。
[0036]
在本实施例中，目标网状物10可以是用于渔业养殖的网衣；激光器1具体为可向目标发射点激光束的仪器，点激光束的波长可为660nm。反射台体2为上窄下宽的棱台结构，以使反射面21沿远离反射台体2中心轴的方向向下倾斜，其中，反射面21可为设置于反射台体2侧面上的反射镜片，亦可将反射台体2整体设置为反射棱镜；反射台体2的两个端面分别为顶面(面积较小)和底面(面积较大)，中心轴垂直于顶面和底面。驱动装置3具体可为旋转电
机，其电机轴可连接于反射台体2底面的中心处，以使反射台体2的反射面21绕中心轴旋转。第一反射镜5优选为四个，其可环绕反射台体2的中心轴设置且在径向上位于反射面21之外，第一反射镜5的倾斜方向可为沿远离反射台体2中心轴的方向向上倾斜，即第一反射镜5同时朝向目标网状物10和反射台体2的反射面21。视觉传感装置4可以是配置有激光光点采集功能及相应图像处理功能的水下摄像机，打在目标网状物10网线上的激光束将被视觉传感装置4采集并以光斑形式显现在视觉传感装置4的成像面上；视觉传感装置4可采用防水抗压材料进行封装并保留朝向目标网状物10的平面玻璃视窗，其安装位置不作限定，只需保证拍摄方向朝向目标网状物10且不阻碍激光传播即可。此外，本实施例中的水下激光测距装置还需通过不锈钢、石英等抗压材料进行一体化防水封装处理，即上述各组件均封装于一个抗压、防水的密闭舱体内，以保证在水下正常工作。
[0037]
在实际测距过程中，激光器1可设置多个且环绕反射台体2均匀分布，其发射的点激光束打在反射台体2的反射面21上(可以是直接投射或经反射后间接投射)，当驱动装置3驱动反射台体2旋转时，打在反射面21上的点激光束被持续旋转的反射面21扫掠为线激光束，该线激光束横向垂直于激光器1的发射方向并被反射面21投射到第一反射镜5上，第一反射镜5再将该线激光束投射到目标网状物10上。线激光束可看作由若干光点组成的一段连续的线段，因此无论目标网状物10如何波动变形，连续的线激光束上总有光点能打在目标网状物10的网线上而被视觉传感装置4所采集，以用作后续测距分析，不存在采用点激光束方式时因点激光束打在网眼的中空区域处而无法获取反射信号的问题。另外，由于第一反射镜5为多个，线激光束经第一反射镜5的出射方向投射出去后亦形成与第一反射镜5一一对应的多条线激光束，以图1所示的第一反射镜5为四个时的情况为例，当第一反射镜5在反射台体2四周排列成矩形时，最终经第一反射镜5的出射方向投射到目标网状物10上的线激光束亦为四条，且该四条线激光束在目标网状物10表面围合成矩形(如图2所示)。在理想状况下，目标网状物10表面垂直于线激光束的投射方向，此时，目标网状物10表面的四条线激光束的到视觉传感装置4成像面的距离相同，根据成像倍率关系，在成像面上显示的每一条线激光光斑，其到矩形中心(矩形中心指的是目标网状物10表面线激光束矩形的中心点投影到成像面上的点，即图2中的o点)的距离与该条线激光光斑到目标网状物10上对应线激光束处的距离成反比，因此，理想状况下，成像面上显示的每一条线激光光斑到矩形中心的距离均相同；当目标网状物10因波动而存在偏转角度时，成像面上各条线激光光斑到目标网状物10上对应线激光束处的距离将不一致，此时根据成像倍率关系，成像面上各条线激光光斑到矩形中心的距离亦不一致，如此，即可通过成像面上各条线激光光斑到矩形中心的距离来反向推导目标网状物10的偏转角度，从而可计算出该水下测距装置到目标网状物10表面的实际距离，提高了在目标网状物10存在波动变形情况下的测距精确性。
[0038]
由此可见，本实施例提供的水下激光测距装置，通过设置驱动装置3驱动反射台体2旋转，将激光器1投射到反射台体2的反射面21上的点激光束扫掠成线激光束并经第一反射镜5投射到目标网状物10表面，以连续的线激光束解决了采用点激光束方式时因点激光束打在网眼的中空区域处而无法获取反射信号的问题，使视觉传感装置4得以采集打在目标网状物10网线上的线激光束并在成像面上形成线激光光斑。另外，由于第一反射镜5为多个，投射到目标网状物10上的线激光束也为多条，根据成像倍率关系，可通过显示在成像面上的多条线激光光斑之间的距离关系推导出目标网状物10的偏转角度情况，从而可更准确
地计算出水下测距装置到目标网状物10表面的实际距离，提高了在目标网状物10存在波动变形情况下的测距精确性。
[0039]
具体地，参照图1和图3，水下激光测距装置还包括第二反射镜6；其中：
[0040]
第二反射镜6的入射方向与激光器1投射激光的方向相对，第二反射镜6的出射方向与反射面21的入射方向相对。
[0041]
在该具体实施方式中，激光器1发射的点激光束在经第二反射镜6的一次反射后再投射到反射台体2的反射面21上。如图1和图3所示，由于反射面21需同时朝上以及朝外设置，以保证线激光束能投射到第一反射镜5上并最终投射向目标网状物10，因此如利用激光器1直接向反射面21发射点激光束，激光器1需安装在与反射面21同等高度位置上并与反射面21相隔一定距离，且不能干涉第一反射镜5，如此便使得激光器1的安装及接线极为不便。基于此，本具体实施方式通过增设第二反射镜6，使激光器1的安装位置可根据需要更加灵活地设置，降低了安装及接线难度。其中，第二反射镜6的数量可与激光器1一一对应。
[0042]
具体地，参照图1，水下激光测距装置还包括基板7，激光器1、驱动装置3、第二反射镜6和多个第一反射镜5安装于基板7的一侧面上，且反射台体2的中心轴垂直于基板7。
[0043]
具体地，参照图1，所述激光器1投射激光的方向用于朝向所述目标网状物10。
[0044]
具体地，参照图1，驱动装置3连接于反射台体2的底面上，视觉传感装置4设置于反射台体2的顶面上，视觉传感装置4的中心轴位于反射台体2的中心轴处；
[0045]
本实施例方案中的水下激光测距装置要保证测距精度，需保证激光束投射角度的准确性，因此需确保各个反射件之间相对位置的准确性及稳定性，因此在该具体实施方式中，通过为激光器1、驱动装置3、第二反射镜6和第一反射镜5设置统一的安装基准面(基板7)，使上述器件之间具有良好的几何固定关系，从而可提高激光束投射的准确性及稳定性。
[0046]
图示性地，驱动装置3设置于基板7的中心位置，激光器1环绕驱动装置3设置，激光器1的一端连接于基板7上，另一端(发射端)朝向目标网状物10，基于驱动装置3和激光器1的安装方式，与激光器1配合使用的其它反射件的安装位置亦可相应地向内(靠近反射台体2中心轴的方向)收缩，视觉传感装置4设置于反射台体2上亦可保证其不占用其余空间，且视觉传感装置4位于中心处可提高采集的激光光斑图像质量。通过上述结构布局，节省了水下激光测距装置在径向上的空间。
[0047]
具体地，参照图1，在反射台体2的中心轴方向上，视觉传感装置4的成像面与多个第一反射镜5中心的距离差不大于1mm。
[0048]
在该具体实施方式中，图示性地，以朝向目标网状物10表面的方向为高度方向，多个第一反射镜5优选为处于同一高度位置，则以各个第一反射镜5的中心共同经过的高度平面为基准面，视觉传感装置4的成像面与该基准面的高度差不大于1mm，优选为视觉传感装置4的成像面与该基准面处于同一高度，如此可获得较好的激光光斑成像效果。
[0049]
具体地，参照图1，水下激光测距装置还包括底板8和减振装置9，基板7安装于底板8的一侧面上，减振装置9的一端连接于底板8的一侧面上，减振装置9的另一端连接于驱动装置3上。
[0050]
驱动装置3在运行过程中会产生振动和噪音，本具体实施方式通过设置减振装置9，可将驱动装置3产生的振动传递到底板8上，从而降低噪音。优选地，减振装置9为多个且分设于驱动装置3的各个边角处。其中，减振装置9可以包括弹性件、阻尼器、液压或气压避
震器等器件，此处不作限定。
[0051]
具体地，参照图1，第一反射镜5为四个且环绕反射台体2设置，以使激光从第一反射镜5的出射面投射出去的激光轮廓线呈矩形。
[0052]
具体地，参照图1，反射台体2为正四棱台，反射面21为正四棱台的四个侧面，且反射面21与第一反射镜5一一对应设置。
[0053]
具体地，参照图1、图3和图4，任意两个相对的第一反射镜5的出射方向平行于反射台体2的中心轴，另外两个第一反射镜5的出射方向相对反射台体2的中心轴呈向外的夹角。
[0054]
在上述具体实施方式中，当第一反射镜5在反射台体2四周排列成矩形时，最终经第一反射镜5的出射方向投射到目标网状物10上的线激光束亦为四条，且该四条线激光束在目标网状物10表面围合成矩形光斑，优选地，第一反射镜5在反射台体2四周排列成正方形，从而四条线激光束在目标网状物10表面围合成正方形光斑。基于第一反射镜5的设置方式，激光器1及第二反射镜6亦可对应设置为如图1所示的四个。反射台体2设置为正四棱台，且每一反射面21优选为分别与每一第一反射镜5相对，如此，可在将点激光束转换为线激光束、以及将线激光束投射到第一反射镜5上这两个过程中，提高线激光束的直线度。
[0055]
如图3所示，当任意两个相对的第一反射镜5的出射方向平行于反射台体2的中心轴时，若目标网状物10因波动而相对这两个反射台体2的连线方向存在偏转角度，则视觉传感装置4成像面上对应这两个第一反射镜5的两条线激光光斑到目标网状物10上对应线激光束处的距离将不一致，此时根据成像倍率关系，成像面上这两条线激光光斑到矩形中心的距离亦不一致，如此，即可通过成像面上各条线激光光斑到矩形中心(即目标网状物10表面线激光束矩形的中心点投影到成像面上的点)的距离来反向推导出目标网状物10相对这两个反射台体2的连线方向所存在的偏转角度。
[0056]
如图4所示，当另外两个相对的第一反射镜5的出射方向相对反射台体2的中心轴呈向外的夹角(即图4中的α角，优选为6
°
)时，针对这两个第一反射镜5投射到目标网状物10上的两条线激光束，这两条线激光束到矩形中心的距离将随着目标网状物10与视觉传感装置4之间距离的增大而增大。基于此，可以理解的是，若目标网状物10因波动而相对这两个反射台体2的连线方向存在偏转角度(一侧相对另一侧更靠近视觉传感装置4)，则视觉传感装置4成像面上对应这两个第一反射镜5的两条线激光光斑到矩形中心的距离将不一致，且视觉传感装置4成像面上对应这两个第一反射镜5的两条线激光光斑到目标网状物10上对应线激光束处的距离亦不一致。如此，基于这两个第一反射镜5所对应的线激光光斑之间距离关系的差异，再根据成像倍率关系，可反向推导出目标网状物10相对这两个反射台体2的连线方向所存在的偏转角度。
[0057]
综上所述，在目标网状物10波动变形情况较为复杂的情况下，将上述两种推导方式相结合，可更便于确定目标网状物10的在两个坐标方向上的偏转角度。
[0058]
对应地，本发明实施例还提供一种测距系统，该测距系统包括电路板以及上述任一实施例中的水下激光测距装置；电路板分别与激光器1、驱动装置3、视觉传感装置4电连接，且电路板用于连接终端通信设备。
[0059]
在本实施例中，电路板具体可包括控制芯片，通过控制芯片，终端通信设备可根据预定程序实现对激光器1、驱动装置3、视觉传感装置4的动作方式的控制，视觉传感装置4亦可将采集的数据反馈至终端通信设备。关于水下激光测距装置的具体结构，可参照上述实
施例。由于该测距系统采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
[0060]
需要说明的是，本发明公开的水下激光测距装置及测距系统的其它内容可参见现有技术，在此不再赘述。
[0061]
以上仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。