水下光谱成像系统的控制方法及其系统和存储介质

1.本发明涉及光谱成像技术领域，具体涉及一种水下光谱成像系统的控制方法及其系统和存储介质。


背景技术：

2.海洋遥感探测是人类认识海洋的重要手段，光谱成像由于可以同时获取空间信息和光谱信息，广泛应用于海洋地形测绘、海洋资源勘探、海洋生态环境监测、海洋应急救援等领域。为了对海底目标进行探测和识别，水下光谱成像已经成为世界各国竞相发展的新型海洋探测技术。
3.凝视型水下光谱成像系统的滤光片轮在成像时需要将对应的滤光片与光路、探测器等精确对准，因此需要精确的控制滤光片轮的位置。因此目前大多数公司选择高精度光电式编码器作为角度测量元件，但是成本高，若选择体积更小，成本更低的角度测量元件，却存在精度低、线性度差的问题。
4.因此，如何提高水下光谱成像系统的探测精度的技术问题，亟待解决。


技术实现要素：

5.为解决上述背景技术中阐述的如何提高水下光谱成像系统的探测精度的技术问题。本发明提出一种水下光谱成像系统的控制方法及其系统和存储介质。
6.本发明的一个目的在于提出一种水下光谱成像系统的控制方法。通过选用体积更小但是精度稍低的角度测量元件，利用前n个时刻的滤光片轮的实际转动角度和第一驱动电机的转动角速度预测滤光片轮当前时刻的预测转动角度，并将角度检测传感器在当前时刻检测到的测量转动角度与预测转动角度进行融合，得到滤光片轮当前时刻的实际转动角度，能够弥补角度检测传感器在测量角度的精度上的缺陷，提高角度测量的精度和线性度。
7.本发明的另一个目的在于提出一种水下光谱成像系统。
8.本发明的再一个目的在于提出一种存储介质。
9.根据第一方面，本技术实施例提供了一种水下光谱成像系统的控制方法，所述水下光谱成像系统包括第一驱动电机、滤光片轮和角度检测传感器，所述角度检测传感器用于测量所述滤光片轮的转动角度，所述控制方法包括：获取所述滤光片轮的前n个时刻的滤光片轮的实际转动角度和所述第一驱动电机的转动角速度，其中，n≥1；基于所述实际转动角度和所述转动角速度确定所述滤光片轮当前时刻的预测转动角度；获取所述角度检测传感器在所述当前时刻检测的测量转动角度；将所述测量转动角度和所述预测转动角度进行融合得到当前时刻的实际转动角度。
10.本技术通过选用体积更小但是精度稍低的角度测量元件，利用前n个时刻的滤光片轮的实际转动角度和第一驱动电机的转动角速度先计算滤光片轮当前时刻的预测转动角度，再将角度检测传感器在当前时刻检测到的测量转动角度与预测转动角度进行融合，得到滤光片轮当前时刻的实际转动角度，能够弥补角度检测传感器在测量角度的精度上的
缺陷，提高角度测量的精度和线性度。
11.可选地，所述将所述测量转动角度和所述预测转动角度进行融合得到当前时刻的实际转动角度包括：基于卡尔曼滤波的数据融合算法将所述测量转动角度和所述预测转动角度进行融合得到当前时刻的实际转动角度。
12.可选地，所述基于卡尔曼滤波的数据融合算法将所述测量转动角度和所述预测转动角度进行融合得到当前时刻的实际转动角度包括：获取所述水下光谱成像系统的前n个时刻的第一均方误差和系统噪声序列方差阵；基于所述第一均方误差和所述系统噪声序列方差阵确定所述卡尔曼滤波的数据融合算法的滤波增益参数。
13.可选地，所述基于所述第一均方误差和所述系统噪声序列方差阵确定所述卡尔曼滤波的数据融合算法的滤波增益参数包括：基于所述第一均方误差和所述系统噪声序列方差阵确定当前时刻的均方误差；基于所述当前时刻的均方误差确定所述滤波增益参数。
14.可选地，所述基于所述当前时刻的均方误差确定所述滤波增益参数包括：获取所述水下光谱成像系统的状态观测矩阵、量测噪声方差阵和所述当前时刻的均方误差；基于所述状态观测矩阵、所述量测噪声方差阵和所述当前时刻的均方误差得到所述滤波增益参数。
15.可选地，所述水下光谱成像系统还包括位置检测传感器、调焦机构和与所述调焦机构连接的第二驱动电机，所述第二驱动电机能够驱动所述调焦机构向不同的方向运动，用于为所述水下光谱成像系统调焦，所述控制方法还包括：在获取到所述位置检测传感器的触发信号时，确认调焦机构处于零位；在未检测到所述触发信号时，控制所述第二驱动电机向第一方向运动，直至检测到所述触发信号时停止。
16.可选地，所述在获取到所述位置检测传感器的触发信号时，确认调焦机构处于零位之后包括：判断所述第二驱动电机的运动方向；在所述第二驱动电机的运动方向为第一方向时，计算所述调焦机构的当前位置，并获取所述位置检测传感器的触发信号；在获取到所述位置检测传感器的触发信号时，确定所述调焦机构到达零位限位位置；在所述第二驱动电机的运动方向为第二方向时，判断所述第二驱动电机是否达到最大输出行程；在所述第二驱动电机达到最大输出行程时，确定所述调焦机构到达最大限位位置。
17.根据第二方面，本技术实施例提供了一种水下光谱成像系统，调焦系统，用于为所述水下光谱成像系统调焦；滤光片轮，与所述调焦机构机械固定连接，用于实现成像光谱波段的切换和选择；控制器，分别与所述调焦机构和所述滤光片轮电连接，用于执行权利上述任一项所述的水下光谱成像系统的控制方法步骤。
18.根据本发明实施例的新能源汽车能量回收系统，通过选用体积更小但是精度稍低的角度测量元件，利用前n个时刻的滤光片轮的实际转动角度和第一驱动电机的转动角速度预测滤光片轮当前时刻的转动角度，并将角度检测传感器在当前时刻检测到的测量转动角度与预测转动角度进行融合，得到滤光片轮当前时刻的实际转动角度，提高角度测量的精度和线性度。
19.可选地，所述调焦系统包括：第二驱动电机，与所述控制器连接，用于为所述水下光谱成像系统提供驱动力；从动轴，与所述驱动电机固定连接；调焦机构，与所述从动轴转动连接，且与所述控制器电连接，用于为所述水下光谱成像系统调焦；位置检测传感器，与所述控制器电连接，用于检测所述调焦机构的位置信息，并将所述位置信息发送至控制器。
20.根据第三方面，本技术实施例提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项所述的水下光谱成像系统的控制方法步骤。
附图说明
21.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
22.图1为本发明一个实施例的水下光谱成像系统的控制流程图；
23.图2为本发明一个实施例的水下光谱成像系统的部分结构示意图；
24.图3为本发明一个实施例的调焦控制流程图。
具体实施方式
25.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示结构相同或结构相似但功能相同的部件。
26.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
27.凝视型水下光谱成像系统的滤光片轮在成像时需要将对应的滤光片与光路、探测器等精确对准，因此需要精确的控制滤光片轮的位置。因此目前大多数公司选择高精度光电式编码器作为角度测量元件，但是成本高，若选择体积更小，成本更低的角度测量元件，却存在精度低、线性度差的问题。
28.本技术提出一种水下光谱成像系统的控制方法，所述水下光谱成像系统包括第一驱动电机、滤光片轮和角度检测传感器，所述角度检测传感器用于测量所述滤光片轮的转动角度，参见图1所示，所述控制方法包括：
29.s10.获取所述滤光片轮的前n个时刻的滤光片轮的实际转动角度和所述第一驱动电机的转动角速度，其中，n≥1。
30.s20.基于所述实际转动角度和所述转动角速度确定所述滤光片轮当前时刻的预测转动角度。
31.s30.获取所述角度检测传感器在所述当前时刻检测的测量转动角度。
32.s40.将所述测量转动角度和所述预测转动角度进行融合得到当前时刻的实际转动角度。
33.在本实施例中，滤光片轮与第一驱动电机固定连接，因此第一驱动电机的转动角速度即为滤光片轮的转动角速度，同时获取前n个时刻的滤光片轮的实际转动角度，以n等于1为例，在已知转动角速度、上一时刻的实际转动角度和上一时刻与当前时刻的间隔时长后，即可提前计算当前时刻的滤光片轮的转动角度。
34.参见式(1)所示：
[0035][0036]
其中，θ
k+1
为当前时刻的预测转动角度，θk为上一时刻的实际转动角度，ts为当前时
刻与上一时刻的间隔时长，为滤光片轮的转动角速度，wk为系统激励噪声序列。
[0037]
需要注意的是，本技术中的预测转动即为第一驱动电机的转动角度，同样也是水下光谱成像系统的控制模块控制第一驱动电机转动的角度，即控制滤光片轮转动的角度，但是，采用精度较低的角度检测传感器测量滤光片轮的转动角度误差较大，因此，将测量转动角度和预测转动角度进行融合，对误差进行闭环管理，将误差限定在一定范围内，提高最终获得的实际转动角度的精度，控制模块以实际转动角度控制第一驱动电机运动，进而实现滤光片轮以实际转动角度转动，提高水下光谱成像系统的探测精度，融合过程参见下述内容。
[0038]
在计算出当前时刻的预测转动角度后，通过角度检测传感器获取当前时刻检测到的滤光片轮的测量转动角度，并将当前时刻的预测转动角度和测量转动角度进行融合得到当前时刻的实际转动角度。
[0039]
示例性的，所述将所述测量转动角度和所述预测转动角度进行融合得到当前时刻的实际转动角度包括：基于卡尔曼滤波的数据融合算法将所述测量转动角度和所述预测转动角度进行融合得到当前时刻的实际转动角度。在本实施例中，将当前时刻的预测转动角度和测量转动角度进行融合的方式可以是基于卡尔曼滤波的数据融合算法获得，在计算过程中，还需要考虑角度检测传感器检测角度时的系统测量噪声，进一步提高水下光谱成像系统的探测精度。
[0040]
作为示例性的实施例，所述基于卡尔曼滤波的数据融合算法将所述测量转动角度和所述预测转动角度进行融合得到当前时刻的实际转动角度包括：获取所述水下光谱成像系统的前n个时刻的第一均方误差和系统噪声序列方差阵；基于所述第一均方误差和所述系统噪声序列方差阵确定所述卡尔曼滤波的数据融合算法的滤波增益参数。
[0041]
在融合时，需要求得卡尔曼滤波的数据融合算法的滤波增益参数，示例性的，首先通过上一时刻的均方误差计算当前时刻的均方误差，参见式(2)所示：
[0042]
p
(k|k-1)
＝ap
k-1at
+q
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0043]
其中，p
k-1
为上一时刻的均方误差，q为系统噪声序列方差阵，a为状态转移矩阵，p
(k|k-1)
为当前时刻的均方误差。
[0044]
计算出当前时刻的均方误差后，基于当前时刻的均方误差以及量测噪声方差阵计算滤波增益参数，参见式(3)所示：
[0045]kk
＝p
(k|k-1)ht
(hp
(k|k-1)ht
+r)-1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0046]
其中，kk为滤波增益参数，p
(k|k-1)
为当前时刻的均方误差，r为量测噪声方差阵，h为状态观测矩阵，t代表转置。
[0047]
通过计算，获得滤波增益参数，基于滤波增益参数以及状态观测矩阵将测量转动角度和预测转动角度进行融合，参见式(4)所示：
[0048][0049]
其中，为当前时刻的实际转动角度，为当前时刻的预测转动角度，kk为滤波增益参数，θ
m,k
为当前时刻的测量转动角度，h为状态观测矩阵。
[0050]
若只依赖预测转动角度进行控制，误差会随着时间的积累越来越大，时间越长不
确定性越大；若只根据测量转动角度进行控制，受限于传感器的测量精度不高等问题，无法实现较好的控制效果。因此，本技术中，利用卡尔曼滤波算法巧妙地将预测转动角度和测量转动角度融合在一起，对误差进行闭环管理，将误差限定在一定范围内；得到了可信度更高的实际转动角度，因此处理之后的实际转动角度精度和线性度都将大幅提高。
[0051]
作为示例性的实施例，所述水下光谱成像系统还包括位置检测传感器、调焦机构和与所述调焦机构连接的第二驱动电机，所述第二驱动电机能够驱动所述调焦机构向不同的方向运动，用于为所述水下光谱成像系统调焦，所述控制方法还包括：在获取到所述位置检测传感器的触发信号时，确认调焦机构处于零位；在未检测到所述触发信号时，控制所述第二驱动电机向第一方向运动，直至检测到所述触发信号时停止。
[0052]
在水下光谱成像系统运行时，需要对调焦机构进行定位，以便于对水下光谱成像系统调焦的控制，受限于水下光谱成像系统的体积和空间要求，同时降低成本，示例性的，位置检测传感器可以采用开关霍尔传感器实现调焦机构的定位。
[0053]
参见图2所示，将开关霍尔传感器设置在第二驱动电机10的近端，在开始阶段，获取位置检测传感器20的触发信号，在获取到触发信号时，即标定此处为零位位置，作为调焦机构30运动的基准，以便实现调焦的精准控制；在未检测到触发信号时，控制调焦机构30向第二驱动电机10的方向运动，在本技术中，设定调焦机构30向第二驱动电机10运动的方向为第一方向，与第一方向相反的方向为第二方向，在调焦机构30的运动过程中，实时获取触发信号，只有当检测到触发信号时，标定此位置为零位位置，并控制调焦机构30停止运动。需要注意的是，在检测触发信号时存在其他信号的干扰，因此可以是连续多拍检测到触发信号时，才确定当前位置为零位位置，但是为了防止调焦机构30碰撞到机械限位，连续检测的拍数也不宜过多。
[0054]
在找到了零位位置后，需进行零位位置坐标的计算，示例性的，所述在获取到所述位置检测传感器20的触发信号时，确认调焦机构30处于零位之后包括：判断所述第二驱动电机10的运动方向；在所述第二驱动电机10的运动方向为第一方向时，计算所述调焦机构30的当前位置，并获取所述位置检测传感器20的触发信号；在获取到所述位置检测传感器20的触发信号时，确定所述调焦机构30到达零位限位位置；在所述第二驱动电机10的运动方向为第二方向时，判断所述第二驱动电机10是否达到最大输出行程；在所述第二驱动电机10达到最大输出行程时，确定所述调焦机构30到达最大限位位置。其中，第二驱动电机10以步进电机为例进行解释说明。
[0055]
参见图3所示，首先判断调焦机构30的运动方向，即步进电机的运动方向，当步进电机的运动方向为第一方向时，调焦机构30的当前位置为之前位置减去一个步长，判断此时是否检测到触发信号，当未检测到触发信号时，控制步进电机继续向第一方向运动一个步长，并检测触发信号，当检测到触发信号时，确定调焦机构30到达零位限位位置，此时步进电机无法继续向第一方向运动；当步进电机的运动方向为第二方向时，调焦机构30的当前位置为之前位置加上一个步长，并判断此时步进电机是否达到最大步数，当步进电机达到最大步数时，确定调焦机构30达到最大限位位置，此时步进电机无法继续向第二方向运动。
[0056]
通过寻找调焦机构30的零位位置、当前位置、零位限位位置和最大限位位置，能够准确计算调焦机构30的坐标，进而实现对调焦机构30的准确控制，实现精确调焦。
[0057]
根据本技术的第二个方面，提供了一种水下光谱成像系统，包括：调焦系统，用于为所述水下光谱成像系统调焦；滤光片轮，与所述调焦机构30机械固定连接，用于实现成像光谱波段的切换和选择；控制器，分别与所述调焦机构30和所述滤光片轮电连接，用于执行上述任一项所述的水下光谱成像系统的控制方法步骤。其中，调焦系统包括：第二驱动电机10，与所述控制器连接，用于为所述水下光谱成像系统提供驱动力；从动轴40，与所述驱动电机固定连接；调焦机构30，与所述从动轴40转动连接，且与所述控制器电连接，用于为所述水下光谱成像系统调焦；位置检测传感器20，与所述控制器电连接，用于检测所述调焦机构30的位置信息，并将所述位置信息发送至控制器。
[0058]
本技术中的水下光谱成像系统，能够基于卡尔曼滤波利用体积更小的角度检测传感器实现对滤光片轮的转动角度的精确控制，并能够依靠开关霍尔传感器这种低成本元件实现调焦机构30的精确调焦，大幅度提高了水下光谱成系统的探测精度。
[0059]
根据本技术的第三个方面，还提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项所述的水下光谱成像系统的控制方法步骤。
[0060]
另外，根据本发明实施例的车辆的其它构成以及作用对于本领域的普通技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，此处不做赘述。
[0061]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0062]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。