CN216052232U - 用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置，涉及深海探测领域。该用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置，包括多传感器信息融合成像的六维精准成像模块、目标识别跟踪定位装置模块、高精度水下导航定位模块、运动控制及智能决策模块以及对外传输通信模块；所述多传感器信息融合成像的六维精准成像模块由激光探测器、声学探测器、红外探测器以及摄像头组成。在实现深水多维成像、水下精准导航定位、水下机器人精准运动控制等功能的基础上，实现了具有泛化性和鲁棒性的自主识别、定位及跟踪功能，提高了水下机器人的自主化和智能化，同时也实现了深水高精度导航定位，值得大力推广。

Description

用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置

技术领域

本实用新型涉及深海探测领域，具体为用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置。

背景技术

目前深海探测领域高速发展，各种探测方法及相关受到了学术界及工程界的高度重视，取得了一定的成就。深海探测深特指在深海领域通过传感或取样手段获取海洋或海底特定地区单一时刻数据的，主要包括深海运载器探测、深海传感探测、深海取样探测等主要研究方向。深海探测正在朝着体系化、协同化、智能化的方向发展，随着人工智能的不断进步，智能化的发展方向也备受关注。未来人工智能将会在探测目标的识别和提取、探测装备的故障诊断和容错控制、深海环境的高效感知等方面发挥作用，推动深海探测的全面智能化。在深海传感探测方面，声学成像已经应用于工程领域，一定程度上提高了深水探测能力，但该成像本身在成像质量、图像可辨识度、小目标探测等方面存也在一些局限性，限制了其发展。激光探测具有足够的空间分辨率，能够分辨目标的尺寸和形状，因而是有效的探测水下目标并进行分类的工具。激光成像也存在一些局限性，制约了该探测的使用。如果能够克服多传感器信息融合的难题，将两种探测方法的图像信息进行深度融合，二者可以互相补充，实现不同距离、不同水深和不同环境条件下，对水下目标进行全方位探测的目的。

目前用于深海探测的成像、识别和定位装置及装置存在探测手段单一、探测能力有限、成像精度与维度不足、导航定位精度不足、无法实现复杂的多传感器信息融合、自主识别定位能力不足等问题，由于目前及方法存在这样一些缺陷，导致水下自主机器人自治化程度受到限制，无法完成复杂的水下任务；另外由于目前深海探测的成像、识别和定位装置及装置存在的问题，导致用于深水复杂探测与作业的非自主遥控机器人的发展也在一定程度上受到了限制，为此，我们研发出了新的用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置。

实用新型内容

(一)解决的问题

针对现有的不足，本实用新型提供了用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置，解决了目前用于深海探测的成像、识别和定位装置及装置存在探测手段单一、探测能力有限、成像精度与维度不足、导航定位精度不足、无法实现复杂的多传感器信息融合、自主识别定位能力不足的问题。

(二)方案

为实现以上目的，本实用新型通过以下方案予以实现：用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置，包括多传感器信息融合成像的六维精准成像模块、目标识别跟踪定位装置模块、高精度水下导航定位模块、运动控制及智能决策模块以及对外传输通信模块。

优选的，所述多传感器信息融合成像的六维精准成像模块由激光探测器、声学探测器、红外探测器以及摄像头组成。

优选的，所述目标识别跟踪定位装置模块由目标识别***、目标跟踪***以及立体视觉***组成。

优选的，所述高精度水下导航定位模块包括惯性导航***、水声通讯定位***以及多信息融合水下建图***。

用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置方法，包括以下具体内容：

S1.在进行深海探测时，水下机器人在潜入深海后，多传感器信息融合成像的六维精准成像模块中的激光探测器可以对摄像头视距范围以外的实物进行精准探测，延伸探测范围，提高探测维度；声学探测器可以利用超声波的特性进行超声成像，使用不同频率、波长的声音信号可以探测特定目标表面及内部信息；红外探测器可以将探测信息融合到多维成像中，实现温度场及生命体的探测；

S2.高精度水下导航定位模块使用卡尔曼滤波器对惯性导航单元进行信息融合，水声通讯定位对惯性导航***进行定期修正，得以提升导航***对复杂环境的适应性；于此同时，在接入多传感器信息融合的高精度建图后，可以有效提高深水导航对复杂环境的适应能力，提高导航定位精度；

S3.高精度水下导航定位模块在输出机器人的位置信息后，目标识别跟踪定位装置模块会通过人工智能算法对不同程度融合的图像信息进行目标识别。目标识别跟踪定位装置模块利用多目标跟踪算法，在决策模块的协调下，运动控制模块配合完成自主跟踪，同时利用立体视觉方法实现目标的三维信息测量，准确计算出目标相对水下机器人的信息；

S4.运动控制及智能决策模块可以根据目标识别跟踪定位装置模块导入的信息进行处理及决策。目标识别跟踪定位装置模块对双目摄像头采集到的图像信息分别进行极线及畸变矫正，并对矫正后的信息进行立体匹配，在填充空洞后计算三维距离，读取左摄像头图片，并进行目标检测与跟踪，并在目标检测与跟踪的基础上调用目标区域距离信息，输出目标序号及目标信息，并最终将目标位置信息输出给信息接收模块；

S5.对外传输通信模块可以获得的目标位置信息输出给水上信息接收模块，水上控制中心可以对水下情况进行实时监控，同时也能根据信息的变化对水下机器人进行灵活的控制。

优选的，所述S1中多个摄像头采用多角度分布式结构布置。

优选的，所述S1中红外探测器还可以进行一定的距离探测。

优选的，所述S3中立体视觉***可以精确测量出水下机器人和目标之间的距离和位置关系信息。

优选的，所述S4中运动控制及智能决策模块通过数据线与对外传输通信模块进行数据连接。

优选的，所述S5中对外传输通信模块主要由无线信号收发装置组成。

(三)有益效果

本实用新型提供了用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置。具备以下有益效果：

1、该用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置，在实现深水多维成像、水下精准导航定位、水下机器人精准运动控制等功能的基础上，实现了具有泛化性和鲁棒性的自主识别、定位及跟踪功能，提高了水下机器人的自主化和智能化，同时也实现了深水高精度导航定位，使得水下机器人深水高度自主探测、作业成为可能。

2、该用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置，在解决六维精准成像，水下自主识别、定位及跟踪，水下高精度导航定位等问题的同时，克服了多传感器信息融合、多模块信息交互与融合的难题，可以最大限度发挥整体的效能，为智能水下机器人的设计提供和理论支撑。

3、该用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置，通过运用了水下多传感器信息融合，克服了复杂信息融合的难点，引入了红外探测方法，实现了激光、超声、摄像头、红外等多传感器信息融合的六维高精度成像，提高了水下成像的精度和探测维度。

4、该用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置，依托深水多维成像、水下精准导航定位装置、水下机器人精准运动控制等，利用人工智能(AI) 算法、多目标跟踪算法、立体视觉算法等先进，可以实现完全自主识别、定位、跟踪功能，具有较强的鲁棒性；通过成像模块、目标识别与跟踪模块、立体视觉定位模块、水下精准导航定位模块、运动控制与决策模块的深度交互，可以极大的提高水下机器人自主识别、定位、跟踪能力，从而推动水下机器人的发展，解除水下机器人自主完成复杂任务的限制。

5、该用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置，通过综合使用水声通讯、惯性导航、多传感器信息融合的水下建图等，可以高精度、高频率的更新水下机器人的位置，有效提高了水下导航定位精度；同时通过该方法可以克服短基线和超短基线定位***精度不足的问题，实现低成本的高精度水下导航定位；另外，结合立体视觉、目标识别模块可以实现水下目标的自主识别与标记，准确的识别出特定目标，并且可以准确的标记出目标在世界坐标系中的位置。

附图说明

图1为本实用新型用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置的框架结构图；

图2为本实用新型基于多传感器信息融合的六维成像的结构示意图；

图3为本实用新型基于人工智能、立体视觉、多目标跟踪算法的自主识别、定位及跟踪方法的结构示意图；

图4为本实用新型目标识别、立体视觉测距的实现方法的结构示意图；

图5为本实用新型基于模块间信息交互、水声通讯、惯性导航、多传感器信息融合的水下建图等的高精度水下导航***的结构示意图；

图6为本实用新型水下目标位置信息标记原理的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例：

如图1-6所示，本实用新型实施例提供用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置，包括多传感器信息融合成像的六维精准成像模块、目标识别跟踪定位装置模块、高精度水下导航定位模块、运动控制及智能决策模块以及对外传输通信模块。

基于传感器信息融合实现高精度六维成像，提升深海探测能力，为实现深海自主探测、作业提供支持，在实现深水多维成像、水下精准导航定位、水下机器人精准运动控制等功能的基础上，进行模块间信息的深度交互，利用人工智能(AI)算法进行目标识别、多目标跟踪算法结合运动控制实现目标跟踪、立体视觉方法实现三维测距，进而实现高可靠性的自主目标识别、跟踪及定位功能，利用惯性导航、水声通讯定位、多传感器信息融合的水下建图等，完成水下高精度导航定位，使得水下机器人深水高度自主探测、作业成为可能。

多传感器信息融合成像的六维精准成像模块由激光探测器、声学探测器、红外探测器以及摄像头组成，由于深海环境的特殊性，造成了水下摄像机成像存在视距范围小、图像清晰度不足等缺点，然而水下摄像机成像在图像辨识度、成像速度方面具有优势，本设计通过提供随环境变化的光源、布置多角度不同焦距的深度摄像机、使用图像增强克服以上缺点，结合使用立体视觉、图像增强等，实现近距离三维成像。

目标识别跟踪定位装置模块由目标识别***、目标跟踪***以及立体视觉***组成。

高精度水下导航定位模块包括惯性导航***、水声通讯定位***以及多信息融合水下建图***。

用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置方法，包括以下具体内容：

S1.在进行深海探测时，水下机器人在潜入深海后，多传感器信息融合成像的六维精准成像模块中的激光探测器可以对摄像头视距范围以外的实物进行精准探测，延伸探测范围，提高探测维度；声学探测器可以利用超声波的特性进行超声成像，使用不同频率、波长的声音信号可以探测特定目标表面及内部信息；红外探测器可以将探测信息融合到多维成像中，实现温度场及生命体的探测；

激光在水下传播时表现出传输速度快、传输距离长、衰减程度低等特性，将其应用于深水探测成像领域，可以在某些方面克服摄像机成像的缺点，红外探测方法提升了探测能力，丰富了成像信息，使用激光、超声、摄像头、红外等多种探测方法，基于多传感器信息融合的，实现六位精准成像；

S2.高精度水下导航定位模块使用卡尔曼滤波器对惯性导航单元进行信息融合，水声通讯定位对惯性导航***进行定期修正，得以提升导航***对复杂环境的适应性；于此同时，在接入多传感器信息融合的高精度建图后，可以有效提高深水导航对复杂环境的适应能力，提高导航定位精度；

S3.高精度水下导航定位模块在输出机器人的位置信息后，目标识别跟踪定位装置模块会通过人工智能算法对不同程度融合的图像信息进行目标识别。目标识别跟踪定位装置模块利用多目标跟踪算法，在决策模块的协调下，运动控制模块配合完成自主跟踪，同时利用立体视觉方法实现目标的三维信息测量，准确计算出目标相对水下机器人的信息；

使用卡尔曼滤波器对惯性导航单元进行信息融合，有效的提高了定位精度及位置更新速度，水声通讯定位对惯性导航***进行定期修正，有效的提高了水下导航定位的精度、克服了水声定位更新速度慢的缺点、提升了导航***对复杂环境的适应性，使用多传感器信息融合的高精度建图可以有效提高深水导航对复杂环境的适应能力，提高了导航定位精度，使得水下机器人自主水下作业成为可能，高精度水下导航定位模块通过融合自主识别、定位及跟踪模块、运动控制及智能决策模块的信息可以实现计算出目标在世界坐标系中的位置，实现目标定位功能；

S4.运动控制及智能决策模块可以根据目标识别跟踪定位装置模块导入的信息进行处理及决策。目标识别跟踪定位装置模块对双目摄像头采集到的图像信息分别进行极线及畸变矫正，并对矫正后的信息进行立体匹配，在填充空洞后计算三维距离，读取左摄像头图片，并进行目标检测与跟踪，并在目标检测与跟踪的基础上调用目标区域距离信息，输出目标序号及目标信息，并最终将目标位置信息输出给信息接收模块；

S5.对外传输通信模块可以获得的目标位置信息输出给水上信息接收模块，水上控制中心可以对水下情况进行实时监控，同时也能根据信息的变化对水下机器人进行灵活的控制。

S1中多个摄像头采用多角度分布式结构布置，通过提供随环境变化的光源、布置多角度不同焦距的深度摄像机、使用图像增强克服很多缺点，结合使用立体视觉、图像增强等，实现近距离三维成像。

S1中红外探测器还可以进行一定的距离探测。

S3中立体视觉***可以精确测量出水下机器人和目标之间的距离和位置关系信息。

S4中运动控制及智能决策模块通过数据线与对外传输通信模块进行数据连接。

S5中对外传输通信模块主要由无线信号收发装置组成。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置，其特征在于：包括多传感器信息融合成像的六维精准成像模块、目标识别跟踪定位装置模块、高精度水下导航定位模块、运动控制及智能决策模块以及对外传输通信模块。

2.根据权利要求1所述的用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置，其特征在于：所述多传感器信息融合成像的六维精准成像模块由激光探测器、声学探测器、红外探测器以及摄像头组成。

3.根据权利要求1所述的用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置，其特征在于：所述目标识别跟踪定位装置模块由目标识别***、目标跟踪***以及立体视觉***组成。

4.根据权利要求1所述的用于深海探测的六维精准成像、识别和定位装置，其特征在于：所述高精度水下导航定位模块包括惯性导航***、水声通讯定位***以及多信息融合水下建图***。

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