CN112644646A - 大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***及工作方法 - Google Patents

大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于水下机器人技术领域。目的是提供一种基于水下视觉辅助的大水域鱼类资源调查的水下机器人***，以实现高精度、高效率、低破坏性的大水域鱼类资源调查，并显著降低了鱼类调查的人力成本。技术方案是：大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***，其特征在于：该***包括置于岸边基地的岸基控制台和水下智能调查***；所述岸基控制台包括岸基服务器以及与岸基服务器进行信息沟通的岸基无线通讯模块，用于对无人船传回的图像信息进行分类处理以及鱼群位置、深度和运动信息进行记录，并对获得的信息处理分析，从而计算鱼类数据；无线通讯模块还用于与无人船的实时通信。

Description

大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***及工作方法
技术领域
本发明属于水下机器人技术领域，具体是一种大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***及工作方法。
背景技术
海洋总面积约有3.61亿平方公里，是我们人类巨大的资源宝库。海洋里蕴藏着丰富的资源，现在这种全球生活资源紧张、能源缺口巨大、人口增长迅速的情况下，人类开发海洋资源并且学会加以利用，这一点是十分重要的，特别是鱼类资源，海洋中生活着多达几万中鱼类生物。如何对海洋鱼类进行勘探与识别是探索海洋，利用海洋，实现海洋经济、科考的关键技术之一。其中鱼类识别是海洋资源评估中的重要手段之一，目前的海洋鱼类识别大多使用的是声呐探测与定点捕捞等技术，这些技术虽然可以取得一定的效果，但是成本与精确性都有所欠缺，比如定点捕捞技术，如何实现捕捞、清点、这对于技术人员来说是一个巨大的挑战，并且这样采集出来的数据也具有一定的误差。所以，迫切需要设计一个具有自主调查鱼类资源能力的智能***，这相比传统的调查方法更加具有精确性和低破坏性，并且大大降低了人力成本。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种基于水下视觉辅助的大水域鱼类资源调查的水下机器人***，以实现高精度、高效率、低破坏性的大水域鱼类资源调查，并显著降低了鱼类调查的人力成本。
本发明提供的技术方案是：
大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***，其特征在于：该***包括置于岸边基地的岸基控制台和水下智能调查***；
所述岸基控制台包括岸基服务器以及与岸基服务器进行信息沟通的岸基无线通讯模块，用于对无人船传回的图像信息进行分类处理以及鱼群位置、深度和运动信息进行记录，并对获得的信息处理分析，从而计算鱼类数据；无线通讯模块还用于与无人船的实时通信；
所述水下智能调查***，包括无人船及无人潜航器，无人船上载有声呐、北斗导航***，航速仪、姿态传感器以及船载无线通讯模块；无人潜航器携带超高清水下摄像机、深度传感器、控制电路与姿态调节模块以及速度传感器，无人潜航器的通信组件通过光缆与无人船通信，以将水下探测到的鱼类信息传回无人船；无人船上的船载无线通讯模块将信号传至岸基服务器，岸基服务器将鱼类信息识别并保存。
所述岸基控制台通过无人船上的北斗导航***实现岸基对无人船检测点位置信息的实时掌控；所述无人船通过声呐探测器实现对鱼群运动位置的勘探。
所述无人潜航器,通过所搭载的超高清水下摄像机、深度传感器以及速度传感器，以将拍摄到的鱼类信息以及调查到的鱼群所处位置深度信息回传给岸基控制台。
所述岸基服务器计算鱼类数据时采用鱼类图像识别算法；鱼类图像识别算法采用网络层数为5层的深度卷积网络。
无人潜航器的控制电路与姿态调节模块、通讯组件分别放在两个耐压密封舱中；超高清水下摄像机安装在无人潜航器下甲板上并分别通过两个固定环与下甲板固定；深度传感器安装在超高清水下摄像机正后方。
大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***的工作方法，分为如下两种：
一种是鱼群整体运动速度较快的情况时，另一种是鱼群整体处于一个相对静止的情况时；
大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***勘查运动速度较快的鱼群时：无人船先在预勘察水域内按照事先规划的轨迹路径自主运动；同时无人船上搭载的声呐开始对周围水域内的鱼类集群进行探测；当在某区域探测到鱼类或鱼群时，将信息通过岸基无线通讯模块传递给岸基控制台；当无人船到达指定位置时，下放无人潜航器并使用水下超高清相机拍摄鱼群，各类传感器也启动工作；发现鱼群整体运动速度较快时，岸基控制台控制无人船和无人潜航器一起跟随鱼群运动，从而实现对高速运动鱼群的图像信息和活动信息进行记录，并通过无人船的船载无线通讯模块将信息传回给岸基服务器；由岸基服务器使用鱼类图像识别算法进行分类和识别；如若要重复测试，则需先控制无人潜航器回到初始位置，然后再重新开始循环整个控制过程。
大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***勘察相对静止的鱼群时：无人船先在预勘察水域内按照事先规划的轨迹路径自主运动，同时无人船上搭载的声呐开始对周围水域内的鱼类集群进行探测；当在某区域探测到鱼类或鱼群时，将信息通过岸基无线通讯模块传递给岸基控制台；当无人船到达指定位置时，下放无人潜航器并使用超高清水下摄像机拍摄鱼群，各类传感器也启动工作；发现鱼群整体处于一个相对静止的状态时，岸基服务器先控制无人船静止不动，由无人潜航器对不同水深层次的鱼群进行拍摄并且传输至无人船，接着无人船环绕鱼群从不同角度拍摄，获得一个全方位，不同水深层次的图像信息；然后无人船将图像信息与传感器获得的活动信息通过无人船上的船载无线通讯模块将信息传回岸基服务器；岸基服务器鱼类图像识别算法进行分类和识别。如若重复测试则需先控制无人潜航器回到初始位置，然后再重新开始循环整个过程。
所述活动信息包括速度传感器记录的当前鱼群运动速度、深度传感器记录的当前鱼群位置的深度。
本发明的有益效果是：
1)本发明将声呐探测与超高清水下摄像机相结合，实现声呐探测鱼类集群鱼类出现方位，超高清水下摄像机采集鱼类图像资源且将信息传回岸基控制台，使用鱼类图像识别算法对鱼类数据进行分类和识别，有效提高了调查精度。
2)本发明使用深度图像识别技术，避免了传统定点捕捞对鱼类的伤害，可实现高精度、高效率、低破坏性的大水域鱼类资源调查，显著降低了鱼类调查的人力成本。
3)本发明无人船搭载北斗导航***、航速仪等设备，能够实现岸基对无人船及鱼群位置的实时定位与确定，可实现鱼群位置常出没区域记录功能。
附图说明
图1为本发明所述大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***示意图。
图2为图1中无人潜航器的放大结构示意图。
图3为本发明所述大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***工作方法之一流程图。
图4为本发明所述大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***工作方法之二流程图。
图中:101.岸基服务器；102.岸基无线通讯模块；201.船载无线通讯模块；202.北斗导航***；203.声呐；204.无人船甲板；205.无人船潜航器放置船舱；206.无人船；301.潜航器上盖板；302.耐压密封舱；303.超高清水下摄像机；304.深度传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。
如图1所示，本发明由岸基控制台以及水下智能调查***组成。
岸基控制台置于陆地上，包括岸基服务器101以及岸基无线通讯模块102。岸基服务器101主要完成对无人船传回的图像信息的分类处理以及深度和位置信息的记录；岸基无线通讯模块102与岸基服务器101相连接，用于与无人船的船载无线通讯模块实时通信。
水下智能调查***包括无人船206及无人潜航器；无人船206搭载声呐203、北斗导航***202、船载无线通讯模块201、无人船甲板204、无人潜航器放置舱205以及无人潜航器；
无人潜航器舱位于无人船底部,当无人船上声呐探测到水下存在大规模鱼群时，打开无人潜航器舱门，将无人潜航器下放至鱼群深度，使用深度传感器记录鱼群深度信息并由通信组件通过光缆传输至无人船，再通过无人船上的船载无线通讯模块回传给岸基服务器。
无人潜航使用大扭矩防水舵机驱动转向机构实现无人潜航器的转向，其控制电路与姿态调节模块、通讯组件分别放在两个耐压密封舱302中，另外还包含了潜航器上盖板301，侧盖板以及底板；超高清水下摄像机303安装在无人潜航器下甲板上并分别通过两个固定环与下甲板固定；深度传感器304安装在超高清水下摄像机303正后方。
本发明的工作方法如下：
大水域鱼类自主调查水下机器人***的工作方法分为两种，一种是鱼群整体运动速度较快时，另一种是鱼群整体处于一个相对静止的情况时。
大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***勘查高速运动鱼群时(工作方法流程如图3所示)：探测开始后，首先，无人船206在预勘察水域内按照事先规划的轨迹路径自主运动，无人潜航器存放在无人船舱205内。同时无人船206上搭载的声呐203开始对周围水域(优选方圆100m水域)内的鱼类集群进行探测，当在某区域探测到一定规模的鱼类或鱼群的存在时，将北斗导航***202记录的信息通过船载无线通讯模块201传递给岸基服务器101；当无人船到达指定位置时，岸基服务器发出指令，下放无人潜航器到指定深度后使用水下超高清相机303拍摄鱼群，发现鱼群整体运动速度较快时，岸基服务器101设定无人船以及无人潜航器的参数，使无人船和无人潜航器一起跟随鱼群运动从而实现一个对高速运动鱼群的跟拍功能(通过无人潜航器的上浮和下潜对不同水深层次的鱼群进行拍摄)，然后用速度传感器记录当前运动的速度，深度传感器304记录当前鱼群位置的深度，由通信组件通过光缆传输回无人船，再通过无人船的船载无线通讯模块201将鱼群的深度信息、速度信息以及鱼群的图片信息传回给岸基服务器101；岸基服务器101根据反馈的数据使用鱼类资源识别算法(所述鱼类资源识别算法采用网络深度5层的深度卷积算法,可以在多台服务器上运行以识别大规模的鱼类资源深度)进行分类和识别。如若重复测试则需先控制无人潜航器回到初始位置，然后再重新开始循环整个过程。
大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***勘察较为静止的鱼群时(工作方法流程如图4所示)：探测开始后，首先，无人船206在预勘察水域内按照事先规划的轨迹路径自主运动，无人潜航器存放在无人船舱205内。同时无人船206上搭载的声呐203开始对周围水域(优选方圆100m水域)范围内的鱼类集群进行探测；当在某区域探测到一定规模的鱼类或鱼群的存在时，将北斗导航***202记录的信息通过船载无线通讯模块201传递给岸基服务器101；当无人船到达指定位置时，岸基服务器发出指令，下放无人探测器到指定深度后使用超高清水下摄像机305拍摄鱼群，发现鱼群整体处于一个较为静止的状态时，岸基服务器101设定无人船206以及无人潜航器的参数使得无人船先静止不动，无人潜航器开始上浮以及下潜，实现对不同水深层次的鱼群进行拍摄；拍摄完成后，无人船206将环绕鱼群运动，使得ROV能对鱼群进行一个全方位，不同层次的图像信息记录，并且由通信组件实时将鱼群的深度信息、速度信息以及图片信息通过光缆传回无人船206，再通过无人船206的船载无线通讯模块201将信息传回岸基控制台的岸基服务器101；岸基服务器101根据反馈的数据使用鱼类资源识别算法将鱼类数据进行分类和识别。如若重复测试则需先控制无人潜航器回到船舱205内，然后再重新开始循环整个过程。
本发明针对鱼类勘察作业和海洋科学研究作业，提供了一款由无人船携带潜水器的鱼类资源调查装置，可以采集不同深度不同位置的鱼类信息，回收进行分析处理，得到更为全面的鱼类资源数据。

Claims (7)

1.大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***，其特征在于：该***包括置于岸边基地的岸基控制台和水下智能调查***；
所述岸基控制台包括岸基服务器(101)以及与岸基服务器进行信息沟通的岸基无线通讯模块，用于对无人船传回的图像信息进行分类处理以及深度和位置信息进行记录，并对获得的信息处理分析，从而计算鱼类数据；无线通讯模块还用于与无人船的实时通信；
所述水下智能调查***，包括无人船(206)及无人潜航器，无人船上载有声呐(203)、北斗导航***(202)、航速仪、姿态传感器以及船载无线通讯模块(201)；无人潜航器携带超高清水下摄像机、深度传感器(304)、控制电路与姿态调节模块以及速度传感器，无人潜航器的通信组件通过光缆与无人船通信，以将水下探测到的鱼类信息传回无人船；无人船上的船载无线通讯模块将信号传至岸基服务器，岸基服务器将鱼类信息识别并保存。
2.根据权利要求1所述的大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***，其特征在于：所述岸基控制台通过无人船上的北斗导航***实现岸基对无人船检测点位置信息的实时掌控；所述无人船通过声呐探测器实现对鱼群运动位置的勘探。
3.根据权利要求2所述的大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***，其特征在于：所述无人潜航器,通过所搭载的超高清水下摄像机、深度传感器以及速度传感器，以将拍摄到的鱼类信息以及调查到的鱼群所处位置深度信息回传给岸基控制台。
4.根据权利要求3所述的大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***，其特征在于：所述岸基服务器计算鱼类数据时采用鱼类图像识别算法；鱼类图像识别算法采用网络层数为5层的深度卷积网络。
5.根据权利要求4所述的大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***，其特征在于：无人潜航器的控制电路与姿态调节模块、通讯组件分别放在两个耐压密封舱(302)中；超高清水下摄像机(303)安装在无人潜航器下甲板上并分别通过两个固定环与下甲板固定；深度传感器(304)安装在超高清水下摄像机303正后方。
6.权利要求1所述的大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***的工作方法，分为如下两种：
一种是鱼群整体运动速度较快的情况时，另一种是鱼群整体处于一个相对静止的情况时；
大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***勘查运动速度较快的鱼群时：无人船先在预勘察水域内按照事先规划的轨迹路径自主运动；同时无人船上搭载的声呐开始对周围水域内的鱼类集群进行探测；当在某区域探测到鱼类或鱼群时，将信息通过岸基无线通讯模块传递给岸基控制台；当无人船到达指定位置时，下放无人潜航器并使用水下超高清相机拍摄鱼群，各类传感器也启动工作；发现鱼群整体运动速度较快时，岸基控制台控制无人船和无人潜航器一起跟随鱼群运动，从而实现对高速运动鱼群的图像信息和活动信息进行记录，并通过无人船的船载无线通讯模块将信息传回给岸基服务器；由岸基服务器使用鱼类图像识别算法进行分类和识别；如若要重复测试，则需先控制无人潜航器回到初始位置，然后再重新开始循环整个控制过程。
大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***勘察相对静止的鱼群时：无人船先在预勘察水域内按照事先规划的轨迹路径自主运动，同时无人船上搭载的声呐开始对周围水域内的鱼类集群进行探测；当在某区域探测到鱼类或鱼群时，将信息通过岸基无线通讯模块传递给岸基控制台；当无人船到达指定位置时，下放无人潜航器并使用超高清水下摄像机拍摄鱼群，各类传感器也启动工作；发现鱼群整体处于一个相对静止的状态时，岸基服务器先控制无人船静止不动，无人潜航器对不同水深层次的鱼群进行拍摄并且传输至无人船，接着无人船环绕鱼群从不同角度拍摄，获得一个全方位，不同水深层次的图像信息；然后实时将图像信息与传感器获得的活动信息通过无人船上的船载无线通讯模块将信息传回岸基服务器；岸基服务器鱼类图像识别算法进行分类和识别。如若重复测试则需先控制无人潜航器回到初始位置，然后再重新开始循环整个过程。
7.根据权利要求6所述的大水域鱼类资源调查的水下机器人智能***的工作方法，其特征在于：所述活动信息包括速度传感器记录的当前鱼群运动速度、深度传感器记录的当前鱼群位置的深度。
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