[发明专利]一种应用于水下机器人的视觉远程控制随动系统及方法

说明书

本发明公开了一种应用于水下机器人的视觉远程控制随动系统及方法，该设备由用户控制系统、摄像头随动系统和信号传输系统三大部分组成。当操作者佩戴嵌入头部姿态感应模块的VR眼镜时，头部姿态感应模块采集用户头部运动姿态，并将姿态信息发送至步进电机控制板，进而产生控制信号，驱动云台带动摄像头转动，从而实现了摄像头视角与用户视角的一致性。最终，用户可根据实时图像操作水下机器人完成一系列操作。本专利操作简单、稳定性强、具有广泛的实用性，尤其是对人员无法进入的危险区域能够进行有效的探测，并最终为决策者提供有利依据。

技术领域

本发明涉及水下机器人领域，特别是涉及到利用头部转动的角度数据控制云台转动的技术，它融合了水下机器人控制技术、通信技术以及嵌入式系统。

背景技术

纵观人类的发展史，从中国古代的郑和下西洋到如今的大型海上作业平台，人类一直都在致力于海上世界的探索和开发。尤其是近代以来科学技术的高速迅猛发展，海底工业革命一直在悄然进行着，这其中最为功不可没的就是水下机器人。目前水下机器人技术在渔业养殖、水库检查、潜水科考、海岸工程以及安防监控发挥着不可替代的作用。但是水下机器人中搭载摄像头设备的控制方式还是只能通过转动旋钮发出控制命令，这种控制方式不够机动灵活，控制繁琐，精度较低等众多缺陷。本发明相对于现有的水下机器人技术，结合了视觉和随动控制技术，具有响应快、操作简单、实用性强等优点。

发明内容：

针对现有水下机器人摄像设备大多依靠机械控制，缺少灵活性和实时的“现场”操控性，本发明针对现有技术的不足之处，提供一种应用于水下机器人的视觉远程控制随动系统及方法。

本发明所述系统包括用户控制系统、摄像头随动系统和信号传输系统，其特征在于：

所述用户控制系统包括VR眼镜、头部姿态感应模块和上位机；头部姿态感应模块上由嵌入式单片机STM32ZET6和GY-87传感器组成，通过USB转RS232串口线与上位机相连接；上位机是采用QT开发的人机交互界面，上位机与VR眼镜通过HDMI线连接，将图像信息投影至VR眼镜；

所述摄像头随动系统包括两自由度云台、主控模块和摄像头；主控模块利用嵌入式处理器运行嵌入式Linux操作系统，主控模块对图像信号进行采集并利用TCP/IP通信协议发送视频信号以及接收用户控制信号；主控模块与两自由度云台进行连接并对其进行控制；

所述信号传输系统为半有缆设计，包括线缆、浮标和无线转接装置；浮标漂浮在水面与线缆相连且可拖动，浮标通过WIFI连接至用户上位机；传输摄像头采集的图像信息和用户发送的控制信号；

进一步的，所述的GY-87传感器内部集成了三轴陀螺仪、三轴数字加速度计、三轴磁阻传感器检测板以及数字压力传感器，性能稳定可靠。

进一步的，嵌入式单片机通过I2C通信模块读取传感器原始数据，采用动力学解算和卡尔曼滤波，进而数据融合以及姿态解算，得到准确的角度值。采用USB转RS232串口线向上位机发送经过姿态解算后角度大小；姿态解算后会得到航向角、俯仰角和横滚角的大小，实际应用中只需要航向角和俯仰角就可以准确描述用户头部姿态。

进一步的，所述两自由度云台用来模拟人们抬头和摇头两个方向的运动。

进一步的，所述的摄像头为免驱双目摄像头。

进一步的，所述的主控模块将接收到的头部姿态信息通过USB转RS232串口线发送至步进电机控制板，步进电机控制板对姿态信息进行整合计算出完整的角度大小进而产生控制信号，通过驱动器使步进电机转动相应的角度；所述的步进电机控制板产生控制信号包括步进电机的脉冲信号、方向信号。方向信号控制电机转动的方向，脉冲信号控制电机转动的角度。

进一步的，所述的半有缆设计是将无线通信模块内置于浮标内，将视频信号无线传输至用户端，将控制信号通过线缆传输至主控模块，浮标可漂浮在水面受水下机器人拖动。