[发明专利]基于图像处理的水下机器人避让平台

权利要求书

1.一种基于图像处理的水下机器人岩石避让平台，所述避让平台包括水下机器人主体、岩石检测设备和水上处理设备，所述岩石检测设备位于所述水下机器人主体上，用于检测水下是否存在岩石，并在检测到岩石时将岩石相关信息通过所述水下机器人主体传送给所述水上处理设备；

其特征在于，所述避让平台还包括：

挖掘设备，设置在所述水下机器人主体上，包括挖掘电机和挖掘驱动器，所述挖掘驱动器与所述挖掘电机连接，用于对前方岩石进行挖掘；

水上浮标，设置在所述水下机器人主体的上方水面上；

供电设备，设置在所述水上浮标上，包括防水密封罩、太阳能供电器件、蓄电池、切换开关和电压转换器，所述防水密封罩用于容纳所述太阳能供电器件、所述蓄电池、所述切换开关和所述电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述蓄电池分别连接，根据蓄电池的剩余电量决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压；

GPS定位设备，设置在所述水上浮标上，由所述供电设备提供电力供应，用于接收GPS卫星发送的GPS定位数据；

声纳探测设备，设置在所述水上浮标上，由所述供电设备提供电力供应，用于探测所述水下机器人主体到所述水上浮标的相对距离，并作为第一相对距离输出；

超声波测距设备，设置在所述水下机器人主体上，用于测量所述水下机器人主体距离前方岩石的距离，并作为第二相对距离输出；

静态存储设备，预先存储了黑白阈值和像素数阈值，所述黑白阈值用于对图像执行二值化处理，所述静态存储设备预先存储了灰度化岩石模版，所述灰度化岩石模版为对基准岩石进行拍摄所得到的岩石图像执行灰度化处理而获得，所述静态存储设备还预先存储了岩石面积阈值、岩石高度阈值和岩石宽度阈值，所述岩石面积阈值与水下机器人挖掘输出功率成正比，所述岩石高度阈值与水下机器人瞬时爬升输出功率成正比，所述岩石宽度阈值与所述水下机器人瞬时绕行输出功率成正比；

摄像设备，位于所述水下机器人主体上，包括半球形防水透明罩、辅助照明子设备和CMOS摄像头，所述半球形防水透明罩用于容纳所述辅助照明子设备和所述CMOS摄像头，所述辅助照明子设备为所述CMOS摄像头的水下拍摄提供辅助照明，所述CMOS摄像头对前方目标拍摄以获得包含前方目标的水下图像；

所述水上处理设备用于接收所述水下机器人主体通过电缆传送的水下信息，所述水上处理设备位于水上船舶或岸边位置；

所述水下机器人主体包括驱动设备、电缆和嵌入式处理器，所述电缆将所述驱动设备和所述嵌入式处理器分别与所述水上处理设备连接以建立通信，所述驱动设备包括驱动控制器、左舷直流减速电机、右舷直流减速电机、沉浮电机、正螺旋桨、反螺旋桨、附带螺旋桨和联轴器，所述左舷直流减速电机、所述右舷直流减速电机和所述沉浮电机分别通过所述联轴器与所述正螺旋桨、所述反螺旋桨和所述附带螺旋桨连接，所述驱动控制器接收所述水上处理设备发送的驱动控制信号，以根据所述驱动控制信号的内容驱动所述左舷直流减速电机和所述右舷直流减速电机以分别控制所述正螺旋桨和所述反螺旋桨，驱动水下机器人主体实现前进、后退和左右动作，还用于根据所述驱动控制信号的内容驱动所述沉浮电机以控制所述附带螺旋桨，驱动水下机器人主体实现上升与下潜动作；

所述岩石检测设备包括图像预处理子设备、二值化处理子设备、列边缘检测子设备、行边缘检测子设备、目标分割子设备和目标识别子设备，所述图像预处理子设备与所述CMOS摄像头连接，以对所述水下图像依次执行自适应边缘增强和小波滤波处理，以获得预处理水下图像；所述二值化处理子设备与所述图像预处理子设备和所述静态存储设备分别连接，将所述预处理水下图像的每一个像素的亮度与所述黑白阈值分别比较，当像素的亮度大于所述黑白阈值时，将像素记为白色像素，当像素的亮度小于所述黑白阈值时，将像素记为黑色像素，从而获得二值化水下图像；所述列边缘检测子设备与所述二值化处理子设备和所述静态存储设备分别连接，用于对所述二值化水下图像，计算每列黑色像素的数目，将黑色像素的数目大于等于所述像素数阈值的列记为边缘列；所述行边缘检测子设备与所述二值化处理子设备和所述静态存储设备分别连接，用于对所述二值化水下图像，计算每行黑色像素的数目，将黑色像素的数目大于等于所述像素数阈值的行记为边缘行；所述目标分割子设备与所述列边缘检测子设备和所述行边缘检测子设备分别连接，将边缘列和边缘行交织的区域作为目标存在区域，并从所述二值化水下图像中分割出所述目标存在区域以作为目标子图像输出；所述目标识别子设备与所述目标分割子设备和所述静态存储设备分别连接，将所述目标子图像与所述灰度化岩石模版匹配，匹配成功，则输出存在岩石信号，匹配失败，则输出不存在岩石信号；

岩石状态分析设备，与所述岩石检测设备和所述超声波测距设备分别连接，当接收到所述存在岩石信号时，基于所述第二相对距离和所述目标子图像占据所述二值化水下图像的面积百分比计算水下岩石横向面积，基于所述第二相对距离和所述目标子图像纵向高度占据所述二值化水下图像纵向高度的高度百分比计算水下岩石高度，基于所述第二相对距离和所述目标子图像横向宽度占据所述二值化水下图像横向宽度的宽度百分比计算水下岩石宽度；

其中，所述嵌入式处理器与所述GPS定位设备、所述声纳探测设备、所述超声波测距设备、所述水上处理设备、所述岩石检测设备和所述驱动设备分别连接，用于监视所述驱动设备的驱动状态，还用于在接收到所述存在岩石信号时，启动所述GPS定位设备、所述声纳探测设备和所述超声波测距设备以接收所述GPS定位数据、所述第一相对距离和所述第二相对距离，基于所述GPS定位数据、所述第一相对距离和所述第二相对距离计算并输出岩石GPS定位数据，并通过电缆将所述预处理水下图像和所述岩石GPS定位数据传输到所述水上处理设备；

其中，所述嵌入式处理器还与所述岩石状态分析设备、所述岩石检测设备和所述静态存储设备分别连接，当接收到所述存在岩石信号时，将所述水下岩石横向面积与所述岩石面积阈值比较，所述水下岩石横向面积小于等于所述岩石面积阈值则发出挖掘驱动信号，所述水下岩石横向面积大于所述岩石面积阈值则进入躲避工作模式；

其中，所述嵌入式处理器在所述躲避工作模式中执行以下操作：当所述水下岩石高度小于等于所述岩石高度阈值时则发出上升驱动信号，当所述水下岩石高度大于所述岩石高度阈值时，进一步判断所述水下岩石宽度和所述岩石宽度阈值的比较结果：当所述水下岩石宽度小于等于所述岩石宽度阈值时则发出左右绕行驱动信号，否则，发出后退驱动信号；

其中，所述嵌入式处理器还与所述驱动设备连接，以将所述上升驱动信号、所述左右绕行驱动信号或后退驱动信号发送到所述驱动设备；

其中，所述嵌入式处理器还与所述挖掘驱动器连接，以将所述挖掘驱动信号发送到所述挖掘驱动器；

所述嵌入式处理器在接收到所述不存在岩石信号时，关闭所述GPS定位设备、所述声纳探测设备和所述超声波测距设备；

所述嵌入式处理器将所述预处理水下图像和所述岩石GPS定位数据传输到所述水上处理设备包括：将所述预处理水下图像执行MPEG-2压缩编码以获得压缩水下图像，将所述压缩水下图像与所述岩石GPS定位数据传输到所述水上处理设备；

其中，所述图像预处理子设备、所述二值化处理子设备、所述列边缘检测子设备、所述行边缘检测子设备、所述目标分割子设备和所述目标识别子设备分别采用的不同的FPGA芯片，均采用硬件描述语言完成的电路设计，完成的电路设计经过综合与布局后，快速烧录到对应的FPGA芯片上，以通过能够编辑的连接把对应的FPGA芯片内部的逻辑块连接起来，完成对应的FPGA芯片所需完成的功能。