CN112055150A - 一种基于矢量推进的水下实时图像增强拍摄无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于矢量推进的水下实时图像增强拍摄无人机,解决了目前水下无人机拍摄不清晰、操控不灵活的弊端,其技术方案要点是包括有机身,安装于机身前端的图像传感器、补光灯、透明防水罩、安装于机身内的电池组、通过喷水推进的矢量喷水推进装置,还包括有安装于机身内部用于控制处理的电路***;电路***包括有耦接于图像传感器以对实时采集的图像进行增强处理的图像处理模块、耦接于矢量喷水推进装置以进行无人机运行控制的矢量推进控制模块、用于对电池组的供电进行管理的电源管理模块,本发明的一种基于矢量推进的水下实时图像增强拍摄无人机,能够便捷实时的提高水下拍摄质量,水下运动更加灵活易控。
Description
技术领域
本发明涉及水下拍摄技术,特别涉及一种基于矢量推进的水下实时图像增强拍摄无人机。
背景技术
随着无人机技术的发展,越来越多的公司研发带有摄像头的水下无人机,用于水下景象的拍摄或水下搜寻等功能。但是通过图像传感器拍摄水下图像和在空气中拍摄图像有很大的差异,水下拍摄图像时往往会受到光的折射、散射、光线不足,通透性不够等问题的影响,从而无法拍摄出清晰的图像,并且在水下运动不同于空气中,对于无人机的掌控也更加的不便,还有待改进的空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于矢量推进的水下实时图像增强拍摄无人机,能够便捷实时的提高水下拍摄质量,水下运动更加灵活易控。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:
一种基于矢量推进的水下实时图像增强拍摄无人机,包括有机身,安装于机身前端对水下环境进行实时信号采集的图像传感器、安装于图像传感器的两侧进行补光的补光灯、安装于机身前端对图像传感器及补光灯进行防护的透明防水罩、安装于机身内进行供电的电池组、通过喷水推进的矢量喷水推进装置,还包括有安装于机身内部用于控制处理的电路***;
所述电路***包括有耦接于图像传感器以对实时采集的图像进行增强处理的图像处理模块、耦接于矢量喷水推进装置以进行无人机运行控制的矢量推进控制模块、用于对电池组的供电进行管理的电源管理模块。
作为优选,所述机身包括有上舱和下舱,所述电池组及电路***安装于所述上舱内,所述矢量喷水推进装置安装于下舱,所述上舱和下舱之间开设有供电缆穿设连接的开孔。
作为优选,所述矢量喷水推进装置包括有三个分别设置于机身两侧及尾部的矢量喷水推进器、连通连接于机身的前侧及矢量喷水推进器之间以供水流进入的进水通道;每一所述矢量喷水推进器包括有连通于进水通道的容积泵、设置于容积泵一侧进行电控的电机、设置于机身外侧用于喷水推进的喷头以及设置于容积泵和喷头之间进行水流流量控制的节流阀。
作为优选,三个所述矢量喷水推进器之间相互独立,且所述矢量喷水推进器包括有360度可调的喷头。
作为优选,所述进水通道的进水口设置有两个,分别连通连接于机身的前方两侧并于机身内部汇合连接至各容积泵。
作为优选,所述矢量推进控制模块包括有设置于机身内部对机身的姿态进行采集的陀螺仪及加速度计、用于对无人机的运行航线进行记录及设定的航行单元、根据机身姿态及运行航线对矢量推进装置进行控制的控制器。
作为优选,所述电源管理模块对所述电池组电量进行实时检测且设定有低电量预设值,当检测到电池组电量低于低电量预设值时,所述电源管理模块控制所述电池组仅对矢量推进控制模块及矢量喷水推进装置进行供电。
作为优选,所述图像处理模块包括有对实时视频数据进行处理、加载存储及推送的图像应用单元,还包括有通过图像增强算法进行图像增强处理的图像处理加速单元;所述图像处理模块对实时采集的图像视频进行处理存储,对视频数据进行切片后通过流媒体形式推送视频码至水面无线中继端,并转发视频流至接收端。
综上所述,本发明具有以下有益效果:
通过在机身前侧安装的图像传感器配合于两侧的补光灯,能够在水下光线不足的情况下进行补光拍摄,以使得图像传感器采集区域内光线充足,拍摄获取的图像能够更加的清晰;并且配合于图像处理模块,增强对采集获得图像的处理,进而使得拍摄采集的图像能够更加的真实、清晰;
通过矢量推进控制模块及矢量喷水推进装置使得无人机在水下运行更加的灵活,可以实现更小的回转半径,更容易实现进退、首摇、横摇、升降等操控,使水下无人机具有高速的机动性。
附图说明
图1为无人机的结构示意图;
图2为为机身上舱结构示意图;
图3为机身下舱内矢量喷水推进装置的结构示意图;
图4为电路***的组成示意框图;
图5为无人机内各模块之间连接示意图;
图6为图像处理模块的处理示意图。
图中:1、机身;11、上舱;12、下舱;13、开孔;2、图像传感器;3、补光灯;4、矢量喷水推进装置;41、矢量喷水推进器;411、容积泵;412、电机;413、节流阀;414、喷头;42、进水通道;5、电池组;6、电路***;61、矢量推进控制模块;62、电源管理模块;63、图像处理模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
根据一个或多个实施例,公开了一种基于矢量推进的水下实时图像增强拍摄无人机,无人机包括有机身,以及安装于机身上的图像传感器、补光灯、矢量喷水推进装置、电池组及电路***。
如图1及图2所示,机身采用流线型结构设计以减少水下的阻力,机身内部分为上下两层,分别为上舱和下舱,电池组及电路***安装于上舱内,图像传感器安装于机身的前侧,补光灯设置有两个分别安装在图像传感器的两侧,且在图像传感器的前侧与机身之间固定安装有对图像传感器及补光灯进行防护的透明防水罩。
如图3所示,矢量喷水推进装置安装于下舱,上舱和下舱之间开设有供电缆穿设连接的开孔,以实现上舱的电池组及电路***与下舱内的矢量喷水推进装置的连接。矢量喷水推进装置包括有三个分别设置于机身两侧及尾部的矢量喷水推进器、连通连接于机身的前侧及矢量喷水推进器之间以供水流进入的进水通道;每一个矢量喷水推进器包括有连通于进水通道的容积泵、设置于容积泵一侧进行电控的电机、设置于机身外侧用于喷水推进的喷头以及设置于容积泵和喷头之间进行水流流量控制的节流阀。三个矢量喷水推进器之间相互独立,且矢量喷水推进器的喷头为360度可调的矢量喷口。进水通道的进水口设置有两个,分别连通连接于机身的前方两侧并于机身内部汇合连接至三个容积泵,在下舱内呈“大”字型分布。
如图4所示,电路***包括有耦接于图像传感器以对实时采集的图像进行增强处理的图像处理模块、耦接于矢量喷水推进装置以进行无人机运行控制的矢量推进控制模块、用于对电池组的供电进行管理的电源管理模块。
矢量推进控制模块包括有设置于机身内部对机身的姿态进行采集的陀螺仪及加速度计、用于对无人机的运行航线进行记录及设定的航行单元、根据机身姿态及运行航线对矢量推进装置进行控制的控制器。水下无人机的控制对实时性有着很高的要求,矢量推进控制模块采用实时操作***FreeRTOS。根据安装在机身内部的加速度传感器以及陀螺仪,采用多惯性传感器数据最优融合算法实现姿态实时控制。可实现水下无人机的直航、首摇、升潜等功能。
矢量推进控制模块优选运行在ATSAME70Q21芯片之上,通过矢量喷水推进器的控制器分别控制容积泵电机、节流阀、电机实现推进控制功能。矢量推进控制模块硬件主要由单核心ARM处理器来组成,一个处理器型号为ATSAME70Q21,该芯片最大主频为300MHZ,片内程序存储空间2MB,处理通过SPI接口与控制器通信,矢量喷水推进器的控制器控制三路独立的推进***,从而实现无人机的操控。ATSAME70Q21通过I2C总线连接惯性测量单元,包括三轴陀螺仪、三轴加速度计等传感器。陀螺仪、加速度计采用芯片MPU9150通过I2C和ATSAME70Q21通信。矢量推进控制模块的软件采用FreeRTOS实时操作***,每隔10毫秒采集陀螺仪、加速度计的数据,计算出当前运行的姿态,依据遥控命令或自主跟踪指令控制无人机的喷水推进***和矢量喷口。
如图5及图6所示,图像处理模块包括有对实时视频数据进行处理、加载存储及推送的图像应用单元,还包括有通过图像增强算法进行图像增强处理的图像处理加速单元;图像处理模块对实时采集的图像视频进行处理存储,对视频数据进行切片后通过流媒体形式推送视频码至水面无线中继端,并转发视频流至接收端。图像处理加速单元经过FPGA实现水下图像增强算法的加速处理。大量计算任务通过Xilinx FPGA进行加速,可以通过较低的功耗实现高性能的算法,实现基于改进暗通道优先的图像增强算法对单目视觉图像进行预处理,首先对水下图像的色偏与雾化等现象进行处理,通过计算亮暗通道的视差来获取图像的景深信息,以精确估计水体的背景颜色,同时计算得到相应的透射图;在此基础上采取自适应比例因子选择策略对透射图进行后处理以得到具有更高对比度的图像恢复效果。此外,进一步采用颜色校正方法以去除残余色偏,并提高图像的整体亮度。
无人机背部可以连接脐带电缆,通过光纤连接水面无线中继模块,无人机通过配置6核心高性能处理器,可以将增强后的视频数据通过流媒体的方式通过无线中继模块推送到接收端。
图像应用单元运行图像处理并将实时视频转换为流媒体码流通过光纤接口推送到水面无线中继端,需要一个多核心的CPU来运行各类复杂的图像应用程序,CPU选择6核心SOC Rockchip RK3399,四个核心分配给图像应用单元,两个核心用来执行图像的压缩、流媒体的生成及推流任务,图像应用单元及图像处理模块存储在EMMC上,8GB DDR3动态存储器作为运行存储器以及图像的缓冲存储器。采集的实时图像通过SATA接口存储视频到外部固态硬盘上。通过PCIE高速接口和图像处理加速单元通信,PCIE提供了高速通信通道,可以承载各种分辨率各种码流的实时图像数据,Rockchip RK3399通过N-3775M以太网光纤转换模块和水面无线中继端进行图像的实时传输,Rockchip RK3399上运行Linux操作***,为大型的图像库***OpenCV以及机器学***台,Linux***之上运行图像处理应用程序,以及图像传输应用程序,图像处理应用程序。图像应用单元可实现各种图像处理如:图像除雾、图像锐化、图像去噪声、目标识别与分类、目标跟踪等。但由于部分算法无法在Rockchip RK3399芯片上达到实时性的要求,故视频中实时性要求高、运算量大的图像处理算法交由图像处理加速单元完成。
传统的CPU无论是ARM架构还是X86架构无法达到较高的并行度,所以都不适合进行大量的图像运算,从而无法实现图像的实时处理,为实现图像的实时增强功能,图像处理加速单元采用XILINX Kintex-7 XC7K410T来完成图像处理的加速任务,XC7K410T通过片外Nor Flash对FPGA进行配置。外接4GB DDR3存储器,存储视频中的每一帧数据以及计算中间过程中产生的数据。***通过PCIe高速接口向Rockchip RK3399传输视频数据,PLK310K相机模块通过HDMI2.0接口传送实时图像数据至FPGA芯片中,FPGA芯片完成图像的采集、缓存、以及图像分辨率的调整、图像增强算法的加速等工作。FPGA内配置有DDR controller、HDMI RX IP、UART IP、PCIe IP等IP模块。占用FPGA最多资源的是各类图像处理加速算法IP,采用动态可重配置的技术加载不同的图像处理算法到FPGA划定的可配置区域。FPGA内配置有MicroBlaze嵌入式软核,用于FPGA内部简单的逻辑控制。
电池组优选采用锂电池组,电源管理模块对电池组电量进行实时检测且设定有低电量预设值,当检测到电池组电量低于低电量预设值时,电源管理模块控制电池组仅对矢量推进控制模块及矢量喷水推进装置进行供电,保证无人机安全返回水面。通过电源管理模块合理地为每个功能模块单元供电,可实现整体功耗的最优化。当某一模块单元不工作时,电源管理模块将切断电池组对该模块的供电以降低***的功耗,延长电池组的放电时间。电源管理模块通过监测锂电池的充电过程,正确计算充电的电量以及放电的电量。
具体的,优选采用11.4伏的锂电池作为电源,采用BQ25700升压充电芯片,配合4颗MOS管,通过5V的充电器对电池进行充电。通过一颗单独的CPU芯片STM32F303对电源进行管理,通过STM32F303控制两颗LM26480电源管理芯片为各模块供电。STM32F303芯片上运行前后台程序,每个模块通过主控芯片GPIO维持心跳节奏,如果没有接收到心跳信号,则对对应的主控芯片进行复位。STM32F303每隔10秒钟通过SPI接口获取每个单元的运行状态,在电源管理模块CPU内部维持每个单元的运行状态机,每个子***的状态进入idle时,电源管理模块的CPU负责关闭部分外设电源以节省功耗,当某一模块进入工作状态时,电源管理模块负责为外设打开电源。CPU上同时运行电池电量的监控程序,以保证***有充足的电源返回水面,同时电源管理***需要管理充电和放电的过程,进行充放电过程的电量计算。
与现有的水下无人机相比,本发明可以实时图像增强的水下拍摄无人机,可克服水下光照条件不好、颜色失真、清晰度不够等情况而获得清晰的图像,并通过脐带缆将实时视频传输至水面无线中继端,进而传送到手持移动端。可胜任低能见度水下鱼群跟踪,水下环境勘察,沉船等狭窄环境中的搜寻等任务。
图像处理模块通过目标识别算法,通过下发跟踪指令,无人机的矢量推进控制模块通过自主航行控制,让水下无人机跟随被拍摄物体进行视频拍摄。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释,其并不是对本发明的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (8)
1.一种基于矢量推进的水下实时图像增强拍摄无人机,其特征是:包括有机身,安装于机身前端对水下环境进行实时信号采集的图像传感器、安装于图像传感器的两侧进行补光的补光灯、安装于机身前端对图像传感器及补光灯进行防护的透明防水罩、安装于机身内进行供电的电池组、通过喷水推进的矢量喷水推进装置,还包括有安装于机身内部用于控制处理的电路***;
所述电路***包括有耦接于图像传感器以对实时采集的图像进行增强处理的图像处理模块、耦接于矢量喷水推进装置以进行无人机运行控制的矢量推进控制模块、用于对电池组的供电进行管理的电源管理模块。
2.根据权利要求1所述的基于矢量推进的水下实时图像增强拍摄无人机,其特征是:所述机身包括有上舱和下舱,所述电池组及电路***安装于所述上舱内,所述矢量喷水推进装置安装于下舱,所述上舱和下舱之间开设有供电缆穿设连接的开孔。
3.根据权利要求1所述的基于矢量推进的水下实时图像增强拍摄无人机,其特征是:所述矢量喷水推进装置包括有三个分别设置于机身两侧及尾部的矢量喷水推进器、连通连接于机身的前侧及矢量喷水推进器之间以供水流进入的进水通道;每一所述矢量喷水推进器包括有连通于进水通道的容积泵、设置于容积泵一侧进行电控的电机、设置于机身外侧用于喷水推进的喷头以及设置于容积泵和喷头之间进行水流流量控制的节流阀。
4.根据权利要求3所述的基于矢量推进的水下实时图像增强拍摄无人机,其特征是:三个所述矢量喷水推进器之间相互独立,且所述矢量喷水推进器包括有360度可调的喷头。
5.根据权利要求4所述的基于矢量推进的水下实时图像增强拍摄无人机,其特征是:所述进水通道的进水口设置有两个,分别连通连接于机身的前方两侧并于机身内部汇合连接至各容积泵。
6.根据权利要求4所述的基于矢量推进的水下实时图像增强拍摄无人机,其特征是:所述矢量推进控制模块包括有设置于机身内部对机身的姿态进行采集的陀螺仪及加速度计、用于对无人机的运行航线进行记录及设定的航行单元、根据机身姿态及运行航线对矢量推进装置进行控制的控制器。
7.根据权利要求1所述的基于矢量推进的水下实时图像增强拍摄无人机,其特征是:所述电源管理模块对所述电池组电量进行实时检测且设定有低电量预设值,当检测到电池组电量低于低电量预设值时,所述电源管理模块控制所述电池组仅对矢量推进控制模块及矢量喷水推进装置进行供电。
8.根据权利要求1所述的基于矢量推进的水下实时图像增强拍摄无人机,其特征是:所述图像处理模块包括有对实时视频数据进行处理、加载存储及推送的图像应用单元,还包括有通过图像增强算法进行图像增强处理的图像处理加速单元;所述图像处理模块对实时采集的图像视频进行处理存储,对视频数据进行切片后通过流媒体形式推送视频码至水面无线中继端,并转发视频流至接收端。
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CN113177986A (zh) * | 2021-03-16 | 2021-07-27 | 上海大学 | 一种水下大视野摄像*** |
CN114426085A (zh) * | 2022-02-11 | 2022-05-03 | 中国人民解放军海军特色医学中心 | 一种智能潜水跟随机器人、跟随***及跟随方法 |
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- 2020-09-30 CN CN202011062205.4A patent/CN112055150A/zh active Pending
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CN114426085A (zh) * | 2022-02-11 | 2022-05-03 | 中国人民解放军海军特色医学中心 | 一种智能潜水跟随机器人、跟随***及跟随方法 |
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