一种基于光栅投影改进的水下地形测量系统的制作方法

本发明涉及一种基于光栅投影改进的水下地形测量系统，具体地说是采用了摄像机、图像采集卡、激光、条形光栅等能够进行水下地形三维测量的一种系统，属于水下机器人地形跟踪领域。

背景技术：

水下机器人技术迅速发展，在控制技术、动力系统、视觉技术，路径规划和跟踪，地形跟踪等方面都已经逐渐成熟，其中，水下机器人地形跟踪是水下机器人主动完成水下任务的关键，但考虑到自然水下环境中的不确定性和三维活动，水下地形跟踪相对陆地更具有挑战性。然而，现在的水下地形测量系统，主要的工具是水下高度计(即声呐高度计)，但是水下高度计只能进行单点测量，所以只能测量水下机器人离海底的高度，不能进行三维重建，且水下高度计极其昂贵。

近几十年来，由于不同水下环境的需要，国内外许多学者开发了不同环境下的地形跟踪技术，这些跟踪技术也各自具有各自的特点。总结国内外已有的地形跟踪系统，目前主要有两种研究趋势，一种是控制算法或者控制策略的更新及改变，另一种则是强调于对外界环境的感知的提升，及通过更多传感器的数据融合，从而获得更加准确的信息。所以，需要一种能够代替水下高度计巨大费用且能够进行地形测量的一种装置。

技术实现要素：

针对水下测量技术稀少且水下高度计昂贵的问题，本发明提供了一种基于光栅投影改进的水下地形测量系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于光栅投影改进的水下地形测量系统，是由激光器通过孔、ccd摄像机通过孔、白炽灯、地形装置支撑架、水下机器人、电缆线、激光器、展开透镜、正弦光栅、1881型ccd摄像机、p540图像采集卡、电脑、陀螺仪和水下深度计组成的，所述的激光器通过孔、ccd摄像机通过孔位于地形装置支撑架上，水下机器人与地形装置支撑架固定连接，电缆线位于水下机器人的上部，激光器、展开透镜、正弦光栅、1881型ccd摄像机和白炽灯都安装于地形装置支撑架上，且激光器、展开透镜和正弦光栅三点一线，且与地面有一定角度，且可忽略不计，1881型ccd摄像机垂直于参考平面，且与p540图像采集卡相连接，图像采集卡安装于水下机器人上，且通过电缆线与电脑相连接，陀螺仪、水下深度计安装于水下机器人内部，地形装置支撑架安装于水下机器人底部。

一种基于光栅投影改进的水下地形测量方法，是采用由激光器通过孔、ccd摄像机通过孔、白炽灯、地形装置支撑架、水下机器人、电缆线、激光器、展开透镜、正弦光栅、1881型ccd摄像机、p540图像采集卡、电脑、陀螺仪和水下深度计组成的装置，所述的激光器通过孔、ccd摄像机通过孔位于地形装置支撑架上，水下机器人与地形装置支撑架固定连接，电缆线位于水下机器人的上部，激光器、展开透镜、正弦光栅、1881型ccd摄像机和白炽灯都安装于地形装置支撑架上，且激光器、展开透镜和正弦光栅三点一线，且与地面有一定角度，且可忽略不计，1881型ccd摄像机垂直于参考平面，且与p540图像采集卡相连接，图像采集卡安装于水下机器人上，且通过电缆线与电脑相连接，陀螺仪、水下深度计安装于水下机器人内部，地形装置支撑架安装于水下机器人底部。

该方法，包括以下步骤：

(1)首先，利用水下深度计保持水下机器人到水面的高度，使其为一定值m，不能改变。

(2)微调陀螺仪角度，使水下机器人水平，即θ＝0。

(3)利用激光器将条纹密度为10条/m的正弦光栅投影到参考平面上，当激光器与参考平面间的距离很大并且投影光束与1881型ccd摄像机轴线的夹角(图中∠egf)很小时，可认为激光器发出的光束为平行光并且投影在参考平面上的条纹是等间隔的,即条纹具有固定的空间周期。则参考平面上的光强分布为:

i(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos(2πfx)

式中的i(x,y)表示参考平面上的光强分布，a(x,y)表示背景光强分布，b(x,y)为条纹光强变化的振幅，f＝1/p表示投影光栅的基频，p是条纹宽度在图像监视器上所占的像素数，2πfx表示光波前的相位分布(因本实验中光栅投影垂直于水平方向,故cos项无y分量)。

如果将正弦光栅投影到任意物体表面上,物体表面上的光强分布为

i1(x,y)＝a1(x,y)+b1(x,y)cos[2πfx+φ(x,y)]

式中的i1(x,y)表示物体表面上的光强分布，a1(x,y)表示背景光强分布，b1(x,y)为条纹光强变化的振幅，f意义同上，而(x,y)为物体高度分布h(x,y)引起的相位调制。

对于公式,可改用复数形式来表示

i1(x,y)＝a1(x,y)+c(x,y)exp(j2πfx)+c*(x,y)exp(-j2πfx)

式中

c(x,y)＝2^-1b1(x,y)exp[jφ(x,y)]

式中对x轴进行傅里叶变换,得

g(f,y)＝a(f,y)+c(fx-f,y)+c*(fx+f,y)

由于a1(x,y)，b1(x,y)相对f变化缓慢,所以在频谱图中它们与基频是分开的,而载频c(fx-f,y)携带有用的相位信息。选用指数滤波器进行滤波后得出载频分量c(fx-f,y),平移到原点为c(f,y)。然后对其进行傅里叶逆变换,得

c(x,y)＝2^-1b(x,y)exp[jφ(x,y)]

将公式用欧拉公式进行三角变换为

c(x,y)＝2^-1b(x,y){cos[φ(x,y)]+jsin[φ(x,y)]

则φ(x,y)为

real,image分别代表的实部和虚部，上式中，求反正切时，由于其值域为-π～+π,因而需要对其结果进行去包裹处理得到正确的φ(x,y)值。

(4)在远心投影光路条件下，考虑到实际测量中l＞＞h(x,y)被测物体表面的高度分布和调制相位的关系为

φ(x,y)≈(2φfd/l)h(x,y)

又因为d/l＝cot(∠fge)，且f＝1/p，可得到

φ(x,y)≈2πcot(∠fge)h(x,y)p^-1

于是h(x,y)＝φ(x,y)(p/2π)tan(∠fge)

将步骤(3)中式中去包裹处理得到正确的φ(x,y)值代入上式中，可解出地形高度场h(x,y)。

(5)然后通过计算机软件，不断进行读取图片并处理，能够得出三维地形图。

该发明的有益之处是，针对水下地形自然环境中的不确定性和三维活动，能够实时探测水下三维地形。水下深度计能够使水下机器人保持一定的深度，激光器发射激光通过展开透镜和正弦光栅从而在水底进行投影，1881型ccd摄像机通过p540图像采集卡能够实时采集打在水底面的变形光栅，白炽灯能够照明水下地面环境，便于图像采集，陀螺仪能够实时测出光心与参考平面的夹角，电脑通过绘图软件能够实时汇出水底三维地形，地形装置支撑架承载所有装置且具有密封元器件效果，且能够保护上方水下机器人气囊。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，

图2为本发明的下视图，

图3为本发明的结构原理图，

图4为本发明的剖面图，

图5为本发明有倾角的工作原理图，

图6为本发明消除倾角的工作原理图

图7为本发明的工作流程图。

图中，1、激光器通过孔，2、ccd摄像机通过孔，3、白炽灯，4、地形装置支撑架，5、水下机器人，6、电缆线，7、激光器，8、展开透镜，9、正弦光栅，10、1881型ccd摄像机，11、p540图像采集卡，12、电脑，13、陀螺仪，14、水下深度计。

具体实施方式

一种基于光栅投影改进的水下地形测量系统，是由激光器通过孔1、ccd摄像机通过孔2、白炽灯3、地形装置支撑架4、水下机器人5、电缆线6、激光器7、展开透镜8、正弦光栅9、1881型ccd摄像机10、p540图像采集卡11、电脑12、陀螺仪13和水下深度计14组成的，所述的激光器通过孔1、ccd摄像机通过孔2位于地形装置支撑架4上，水下机器人5与地形装置支撑架4固定连接，电缆线6位于水下机器人5的上部，激光器7、展开透镜8、正弦光栅9、1881型ccd摄像机10和白炽灯3都安装于地形装置支撑架4上，且激光器7、展开透镜8和正弦光栅9三点一线，且与地面有一定角度，且可忽略不计，1881型ccd摄像机10垂直于参考平面，且与p540图像采集卡11相连接，图像采集卡11安装于水下机器人5上，且通过电缆线6与电脑12相连接，陀螺仪13、水下深度计14安装于水下机器人5内部，地形装置支撑架4安装于水下机器人5底部。

一种基于光栅投影改进的水下地形测量方法，是采用由激光器通过孔1、ccd摄像机通过孔2、白炽灯3、地形装置支撑架4、水下机器人5、电缆线6、激光器7、展开透镜8、正弦光栅9、1881型ccd摄像机10、p540图像采集卡11、电脑12、陀螺仪13和水下深度计14组成的装置，所述的激光器通过孔1、ccd摄像机通过孔2位于地形装置支撑架4上，水下机器人5与地形装置支撑架4固定连接，电缆线6位于水下机器人5的上部，激光器7、展开透镜8、正弦光栅9、1881型ccd摄像机10和白炽灯3都安装于地形装置支撑架4上，且激光器7、展开透镜8和正弦光栅9三点一线，且与地面有一定角度，且可忽略不计，1881型ccd摄像机10垂直于参考平面，且与p540图像采集卡11相连接，图像采集卡11安装于水下机器人5上，且通过电缆线6与电脑12相连接，陀螺仪13、水下深度计14安装于水下机器人5内部，地形装置支撑架4安装于水下机器人5底部。

该方法，包括以下步骤：

(4)首先，利用水下深度计14保持水下机器人5到水面的高度，使其为一定值m，不能改变。

(5)微调陀螺仪13角度，使水下机器人5水平，即θ＝0。

(6)利用激光器7将条纹密度为10条/m的正弦光栅9投影到参考平面上，当激光器7与参考平面间的距离很大并且投影光束与1881型ccd摄像机10轴线的夹角(图中∠egf)很小时，可认为激光器7发出的光束为平行光并且投影在参考平面上的条纹是等间隔的,即条纹具有固定的空间周期。则参考平面上的光强分布为:

i(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos(2πfx)

式中的i(x,y)表示参考平面上的光强分布，a(x,y)表示背景光强分布，b(x,y)为条纹光强变化的振幅，f＝1/p表示投影光栅的基频，p是条纹宽度在图像监视器上所占的像素数，2πfx表示光波前的相位分布(因本实验中光栅投影垂直于水平方向,故cos项无y分量)。

如果将正弦光栅9投影到任意物体表面上,物体表面上的光强分布为

i1(x,y)＝a1(x,y)+b1(x,y)cos[2πfx+φ(x,y)]

式中的i1(x,y)表示物体表面上的光强分布，a1(x,y)表示背景光强分布，b1(x,y)为条纹光强变化的振幅，f意义同上，而(x,y)为物体高度分布h(x,y)引起的相位调制。

对于公式,可改用复数形式来表示

i1(x,y)＝a1(x,y)+c(x,y)exp(j2πfx)+c*(x,y)exp(-j2πfx)

式中

c(x,y)＝2^-1b1(x,y)exp[jφ(x,y)]

式中对x轴进行傅里叶变换,得

g(f,y)＝a(f,y)+c(fx-f,y)+c*(fx+f,y)

由于a1(x,y)，b1(x,y)相对f变化缓慢,所以在频谱图中它们与基频是分开的,而载频c(fx-f,y)携带有用的相位信息。选用指数滤波器进行滤波后得出载频分量c(fx-f,y),平移到原点为c(f,y)。然后对其进行傅里叶逆变换,得

c(x,y)＝2^-1b(x,y)exp[jφ(x,y)]

将公式用欧拉公式进行三角变换为

c(x,y)＝2^-1b(x,y){cos[φ(x,y)]+jsin[φ(x,y)]

则φ(x,y)为

real,image分别代表的实部和虚部，上式中，求反正切时，由于其值域为-π～+π,因而需要对其结果进行去包裹处理得到正确的φ(x,y)值。

(4)在远心投影光路条件下，考虑到实际测量中l＞＞h(x,y)被测物体表面的高度分布和调制相位的关系为

φ(x,y)≈(2φfd/l)h(x,y)

又因为d/l＝cot(∠fge)，且f＝1/p，可得到

φ(x,y)≈2πcot(∠fge)h(x,y)p^-1

于是h(x,y)＝φ(x,y)(p/2π)tan(∠fge)

将步骤(3)中式中去包裹处理得到正确的φ(x,y)值代入上式中，可解出地形高度场h(x,y)。

(5)然后通过电脑12软件，不断进行读取图片并处理，能够得出三维地形图。

该装置在运行时，首先把水下机器人放入水中，通过水下深度计调节到一定的深度，这时水下机器人会有一定的倾角，通过陀螺仪调节倾角，使倾角约为零，忽略不计，然后当水下机器人前进时，通过激光器、展开透镜、正弦光栅把光线投射到地面上，通过1881型ccd摄像机10和p540图像采集卡11通过电缆线把数据传送到电脑12上，通过电脑上的软件，进行傅里叶变换、相位展开、傅里叶逆变换、三角变换、包裹处理得出真实的调制相位，通过调制相位与高度关系的公式，从而得出地形的高度，从而构建地形的三维图。

对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。