[发明专利]水下机器人摄像机云台实时控制系统及其方法

说明书

本发明公开了一种水下机器人摄像机云台实时控制系统及其方法。其中，该控制系统包括跟踪头部运动的VR装置、摄像机云台和远程控制平台；所述摄像机云台安装于水下机器人机体上，且用于接收远程控制平台所发送的控制指令来实现摄像机云台的左右转动和俯仰转动；摄像机云台上还固定有图像采集装置，其用于在摄像机云台转动的同时采集水下作业现场视频图像并上传至远程控制平台；所述远程控制平台，用于将接收到的水下作业现场视频图像发送至跟踪头部运动的VR装置中，同时将跟踪头部运动的VR装置的实时头部位姿信息转换为相应控制指令来实时调整摄像机云台的角度和水下摄像机变焦镜头的焦距。

技术领域

本发明属于水下机器人控制领域，尤其涉及一种水下机器人摄像机云台实时控制系统及其方法。

背景技术

深海作业型缆控无人水下机器人(ROV)是目前应用最为广泛的水下机器人，它通过与水面母船相连的脐带电缆接受能源供给和操控指令，可实现远程安全控制，具有良好的机动性和静止悬浮能力。依据不同的作业需求，ROV可选配各种观测设备(摄像机、照相机、照明灯等)和作业设备(机械臂、切割器、清洗器等)。

目前，很多体型较大的ROV都装配了水下作业机械臂。在作业过程中，机械臂操作员需要通过观看水下摄像机拍摄的作业现场视频图像来完成对机械臂的操作。但水下摄像机拍摄的角度范围有限，且水下机器人在悬停作业时会受到海洋洋流的影响，不可避免地导致机体出现倾斜旋转，而安装在水下机器人机体上的摄像机云台也会随之产生视角偏离，影响机械臂操作员的作业观察。因此，操作员除了需要操作机械臂执行作业动作外，还需要实时调整摄像机云台的拍摄角度(水下机器人的航行控制另配备机器人操作员负责)，这一任务通常是由机械臂操作员在远程控制平台上使用鼠标或操作杆手动控制完成。

机械臂自由度的增加使操作越来越繁琐，为降低操作难度，某些多自由度机械臂采用了主从控制方式。主从控制方式是设计一款与作业机械臂(从臂)具有相同构型并能提供关节力反馈的小型机械臂(主臂)，使主臂和从臂之间构成主从关系，即由机械臂操作员在机械臂控制平台上通过观看水下摄像机拍摄的作业现场视频图像远程操作主臂，从臂根据主臂的关节位姿跟随运动，并将从臂各关节承受的力矩反馈到主臂相应关节，使机械臂操作员具有临场力觉，便于完成复杂的作业任务。但如果水下机器人装配两只机械臂(如美国的“Jason号”ROV、中国的“海马号”ROV等型号)，机械臂操作员的双手需要同时操作两只主臂，此时无法对摄像机云台进行控制调整，水下摄像机产生视角偏离，影响操作员的作业观察，这会对水下机器人的海底作业产生较大影响。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种水下机器人摄像机云台实时控制系统，其利用跟踪头部运动的VR装置，通过测量机械臂操作员的头部位姿信息实现对水下机器人摄像机云台的实时控制(两轴转动和水下摄像机变焦)，构成跟踪头部运动的VR装置—摄像机云台随动系统，解放了操作员的双手以完成对两只机械臂主臂的操纵，实现了良好的人机交互。同时，跟踪头部运动的VR装置提供近眼观察方式，通过第一视角的视频图像给操作员身临其境的感觉，产生浸入感，可大幅提高其操作水下机器人机械臂的作业效率。

本发明的一种水下机器人摄像机云台实时控制系统，包括跟踪头部运动的VR装置、摄像机云台和远程控制平台；

所述摄像机云台安装于水下机器人机体上，且用于接收远程控制平台所发送的控制指令来实现摄像机云台的左右转动和俯仰转动；摄像机云台上还固定有图像采集装置，其用于在摄像机云台转动的同时采集水下作业现场视频图像并上传至远程控制平台；

所述远程控制平台，用于将接收到的水下作业现场视频图像发送至跟踪头部运动的VR装置中，同时将跟踪头部运动的VR装置的实时头部位姿信息转换为相应控制指令来实时调整摄像机云台的角度和水下摄像机变焦镜头的焦距。

其中，跟踪头部运动的VR装置包括头部位姿跟踪器，头部位姿跟踪器包括陀螺仪、加速度计和磁力计这些惯性传感器。这些惯性传感器用来测定操作员头部所指向的角度与运动方向。