一种水下多角度观测航行器及其控制系统的制作方法

本发明主要涉及水下潜器相关技术领域，具体是一种水下多角度观测航行器及其控制系统。

背景技术：

近年来，随着海洋强国战略的实施，水下航行器研究和创新的热度不断增加，各种新型构型和功能不断涌现。目前用于航行器实现大视角观测的主要手段有：

1.潜器内部用广角摄像头，但会有明显的畸变，潜器的外形也会造成画面失真(如潜器某一部分为球罩，但摄像头的位置不在焦点上)；

2.摄像头仅在潜器内部旋转，会受到明显的遮挡，观察视野有限；

3.多摄像头切换，但画面不连续；

4.潜器主体旋转移动，但会影响正常的航行或作业。

目前，水下航行器的图像传输功能基本仅限于二维的观测用途，有相当的视觉误差，并需要手动操控，干扰了操作者的判断。水下机器人的摄像头多为固定式或小角度旋转，画面内容有限。即使是多摄像头切换，也会有画面不连续的弊端。且画面为二维画面，没有深度感，有较大的视觉误差。

技术实现要素：

为解决目前技术的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种水下多角度观测航行器及其控制系统，通过外置的摄像舱配合伺服装置实现水下图像的采集，能够有效的扩大视野，提升操作者的环境感知能力和视觉体验，提高作业效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

根据本发明的一个方面提供一种水下多角度观测航行器，

包括主密封舱、设置于主密封舱上的推进器，在所述主密封舱外部设置独立的摄像密封舱，摄像密封舱内固定安装有摄像头，摄像密封舱连接有双轴伺服装置，所述双轴伺服装置能够驱动所述摄像密封舱在水平角度和俯仰角度转动。

进一步的，所述双轴伺服装置包括连接座和支撑座，其中所述连接座固定连接主密封舱，支撑座设置于连接座上方，连接座内设置驱动支撑座转动的水平旋转舵机，所述摄像密封舱安装于支撑座上，支撑座一侧设置驱动摄像密封舱转动的俯仰旋转舵机。

进一步的，在所述摄像密封舱外部安装有探照灯，探照灯可以和摄像密封仓做同步运动。

进一步的，设置于所述摄像密封舱内的摄像头为双目摄像头。

进一步的，所述摄像密封舱设置于主密封舱前部正上方。

根据本发明另一个方面，提供一种水下多角度观测航行器的控制系统，本控制系统包括设置于岸基上的第一处理器和设置于航行器上的第二处理器，其中第一处理器用于发射控制推进器以及双轴伺服装置的信号，第二处理器用于接收第一处理器的信号并通过相应的控制器控制推进器以及双轴伺服装置动作，第二处理器同时连接摄像头用于提供水下的影像数据。

进一步的，设置于岸基上的第一处理器连接有遥控器和头戴设备，其中头戴设备能够获取操作者头部的运动姿态，然后通过蓝牙传输至第一处理器，第二处理器接收到第一处理器的控制信号后将信号输出至第一控制器，由第一控制器生成相应的pwm信号，控制摄像密封仓做出与头部相应的动作；遥控器以ppm编码的方式通过2.4ghz信号无线传输至第一处理器，第二处理器接收到第一处理器的控制信号后将信号传输至第二控制器，由第二控制器生成相应pwm信号至电子调速器，驱动推进器的电机运转。

进一步的，第二处理器进行影像响数据处理时，应用计算机视觉技术，基于视差原理利用双目摄像头从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，获取物体三维几何信息；头戴设备采用透镜聚焦式vr眼镜结合手机或采用内置屏幕的vr一体机获取双画面图像后，通过人眼融合左右两幅画面能够获得具有明显深感度的图像。

进一步的，所述第一处理器为计算机，所述第二处理器为树莓派，所述第一控制器为stm32单片机，所述第二控制器为pixhawk开源控制器，pixhawk开源控制器内置有三余度惯性导航系统(imu)，可以获取航行器的自身姿态，遥控器无操作时，可以自主控制电机实现水下悬停，第二处理器使用基于linux的raspbian系统的树莓派，通过mjpg-streamer流从连接在树莓派的usb摄像头获取视频数据。

进一步的，所述第一处理器和第二处理器之间通过电力载波模块进行通信。

本发明的有益效果：

本发明通过外置于独立密封舱的双目摄像头可以在不影响航行器这运动的前提下尽可能的扩大视野，并通过增强现实技术尽可能地还原现场，并实时提供各类信息，为使用者提供沉浸式的操作体验，减少操作误差。

附图说明

附图1为本发明总体结构示意图一；

附图2为本发明总体结构示意图二；

附图3为本发明双轴伺服装置示意图；

附图4为本发明摄像密封舱结构示意图；

附图5为本发明控制原理图。

附图中所示标号：

1、主密封舱；2、摄像密封舱；3、探照灯；4、推进器；5、搭载平台；6、连接座；7、支撑座；8、水平旋转舵机；9、俯仰旋转舵机；10、摄像头。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

如图1～5所示，本发明主要提供一种小型水下有缆航行器结构及其配套的控制系统，并将增强现实技术应用于水下航行器，提升操作者的视觉体验，从而提高作业效率。

以下针对本航行器的具体结构进行说明：

航行器主体：本航行器为小型观测级航行器，主密封舱1体长450mm，主密封舱直径160mm，排水量约10kg，主要用途为水下观测，并可携带外接设备进行低强度的作业，布置有四个推进器4，可以实现三个自由度的操控。采用四桨构型，以实现三个自由度的操控。四桨设计虽牺牲了更多的自由度，但能够在兼顾便携性的同时获得较高的推进效率。底部设计有搭载平台5，可以搭载配重块和小型外接设备，并提供水密数据接口，方便用户使用。

推进器：本发明在x轴和z轴方向各布置一对推进器4，通过联动和差动，可实现三个自由度的操控。采用导管螺旋桨技术，由于导管内外部压差产生一个附加推力以及能减少螺旋桨后水流的收缩，同时又能减少叶片本身在叶梢部分的效率损失，使其更加适合潜航器所处的低速、重载的工况。推进器4的成对布置和正反桨设计能够抵消反扭和重力的不平衡，使潜器航行更加稳定。

图像采集：为了在不影响航行器主运动的前提下尽可能地扩大视野，本发明创造性地将主摄像头10外置于独立的摄像密封舱2，在y轴和z轴分别配有水平旋转舵机8和俯仰旋转舵机9，y轴上另设有探照灯3，可使其一起做绕轴运动，理论上可以实现双轴360度回转。但考虑到线缆缠绕、摄像头视角、潜器主体对视线的遮挡以及相关配套设备的供应等因素，本发明的摄像密封舱2和探照灯3独立于航行器主体实现水平270度和竖直180度的绕轴旋转。

本发明的控制系统主要分为岸上部分和水下部分，两者之间采用电力载波模块进行水下和岸基之间通信，即通过零线和火线，通过载波的方式将信号等进行独立高速传输，最大带宽100mbps，传输距离500米，适合本发明使用时的实际工况。本发明在岸上基站和潜器中各设一块电力载波模块，负责信号的调制、传输、解调，进一步地，可以通过载波线输送电力，延长潜器的续航时间。

本发明采用了130万像素90度视角60帧双目摄像头，在硬件上实现帧同步，保证了图像的稳定性。双目摄像头的采用可以使人眼融合左右两幅画面并观察它们之间的差别，使观测者获得明显的深度感。更进一步地，通过计算机视觉技术，即基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息，可以扩展如测距、物体识别、物体追踪等更多功能。另外，可以在航行器的首端加装例如低照度、红外等特殊摄像头作为辅助观察手段，更加全面地感知水下环境。

本发明的头戴设备可以采用简易的透镜聚焦式vr眼镜结合手机进行图像输出，也可以采用内置屏幕的vr一体机。双画面输出后，人眼融合左右两幅画面并观察它们之间的差别，便可以获得明显的深度感。进一步地，测距、物体识别结果等信息也可随图像一起输出至头戴设备。

利用头戴设备上的陀螺仪、加速度计等传感器，获取操作者头部的运动姿态，经过第一处理器即岸基上的计算机处理后，输出至第二处理器即树莓派，第二处理器将信号传输至第一控制器即stm32单片机，经单片机处理后输出pwm信号驱动舵机同头部作相应运动。

水下的第一控制器采用stm32单片机，第二控制器采用pixhawk开源控制器来控制潜器的主运动。pixhawk使用nuttx实时arm系统，是一个拥有双处理器的飞行控制器。一个处理器擅长于强大运算的32bitstm32f427cortexm4核心168mhz/256kbram/2mbflash处理器，另一个主要定位于工业用途的协处理器32bitstm32f103，它的特点就是安全稳定。即使主处理器死机，还有一个协处理器来保障安全。通过刷写不同的固件，可以支持不同架构的无人机，小车以及水下设备使用。由于完全开源，并有丰富的拓展接口，可以自主开发固件以适应实际需求。

遥控器信号以ppm编码的方式使用2.4ghz频率无线传输至岸上基站的计算机，计算机处理后通过电力载波模块传输至pixhawk控制器。pixhawk控制器能够将获取到的信号转化为对电子调速器的pwm信号，再通过电子调速器驱动四个推进电机。控制器内置有三余度惯性导航系统(imu)，可以获取潜器的自身姿态。遥控器无操作时，可以自主控制电机实现水下悬停，操作遥控器可实现航行器的相应动作。

本发明的视频信号由树莓派进行采集和处理，树莓派是一种仅有信用卡大小的微型计算机，它负责视频信号读取与处理。本发明的树莓派使用基于linux的raspbian系统，通过mjpg-streamer流从连接在树莓派的usb摄像头获取视频数据，然后发送到用户浏览器中。

一般地，树莓派通过网线与路由器直连，在本发明应用中，网线信号即通过电力载波模块进行远距离传输。手机或其他终端连接此路由器，便可在浏览器中访问并获取影像，vr眼镜最后将双目摄像头影像合成为立体效果。

计算机作为第一处理器，将遥控器的运动控制信号和头戴设备的头部姿态信号融合，通过电力载波模块传输至作为第二处理器的树莓派，由第二处理器分发至各控制器。第二处理器将视频信号和各控制器的反馈信号融合，通过电力载波模块传输至路由器，由路由器共享至第一处理器和头戴设备。第一处理器可显示控制器的反馈数据，头戴设备显示水下画面。即岸基和水下航行器建立双向通信。

本发明有很好的人机交互体验，运用增强现实技术使使用者能够很好地感知水下环境，潜器状态稳定，控制方便，并预留了其他设备搭载空间和接口，适合完成对水下环境感知要求较高的观测和低强度作业任务，能为游客提供沉浸式的水下观察体验，在工业和民用方面都有广阔的应用前景。