具有水樣采集功能的觀測(cè)型水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)

劉 赫, 高 興, 張成剛, 千承輝

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130061)

0 引 言

隨著人類社會(huì)能源需求量的日益增加和海洋開發(fā)進(jìn)程的不斷深入, 部分科研人員已經(jīng)把研究重點(diǎn)投向海洋探測(cè)開發(fā)領(lǐng)域[1], 目前, 利用水下機(jī)器人做為海洋科學(xué)探索工具, 得到了極大的重視并擁有非常廣闊的發(fā)展前景, 已逐漸成為海洋資源開發(fā)、 環(huán)境探測(cè)的主要工具。目前, 水下機(jī)器人可分為以下兩類： 一類是無纜水下機(jī)器人, 即自主式水下潛器(AUV: Autonomous Underwater Vehicle), 另一類是有纜水下機(jī)器人, 即遙控?zé)o人潛水器(ROV: Remote Operated Vehicle)[2]。

水樣采集在漁業(yè)養(yǎng)殖、 水體環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、 水體成分分析等領(lǐng)域都有著較大需求。目前水樣采集領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)品良莠不齊, 采集的水樣質(zhì)量得不到保證。操作人員控制水下機(jī)器人, 可移動(dòng)至水域范圍內(nèi)任意的位置, 即可通過機(jī)器人搭載的水樣采集裝置, 實(shí)現(xiàn)水域指定位置的水樣采集。實(shí)際應(yīng)用時(shí), 水下機(jī)器人需要實(shí)時(shí)感知外界環(huán)境并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。由于不同介質(zhì)中的折射率不同, 導(dǎo)致攝像頭采集的水下圖像存在畸變、 對(duì)比度低、 噪聲信號(hào)明顯等問題。如何經(jīng)過對(duì)水下圖像進(jìn)行色彩校正和圖像增強(qiáng), 實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境對(duì)象的有效捕捉和識(shí)別, 是水下機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)新興熱點(diǎn)[3-4]。筆者設(shè)計(jì)了操作簡(jiǎn)便、 交互性強(qiáng)、 作業(yè)范圍廣的具有水樣采集功能的觀測(cè)型水下機(jī)器人。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用Pixhawk飛控作為主控制器、 樹莓派作為協(xié)處理器, 利用上位機(jī)平臺(tái)處理、 顯示采集信息。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)主控器輸出不同的電平信號(hào)控制水下螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng), 進(jìn)而控制水下機(jī)器人在各自由度方向的運(yùn)動(dòng), 并通過控制云臺(tái)舵機(jī), 改變攝像頭位置調(diào)整機(jī)器人的觀測(cè)范圍。主控制器通過搭載各種類型的傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫度、 壓強(qiáng)等參數(shù)。樹莓派作為協(xié)助處理器主要作為視頻采集和網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)備。系統(tǒng)由鋰電池組供電, 使用電源管理模塊進(jìn)行電源管理, 確保各系統(tǒng)模塊都獲得適當(dāng)?shù)碾妷骸?電流, 并回傳電流信息確保系統(tǒng)電力供應(yīng)正常。電力載波模塊將通信數(shù)據(jù)耦合到零浮力線上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。通過配置USB接口實(shí)現(xiàn)主處理器和協(xié)處理器之間的數(shù)據(jù)通信, 電力載波模塊間通過零浮力電纜線傳輸數(shù)據(jù)。電力載波模塊和協(xié)處理器、 PC端上位機(jī)間通過網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式控制和圖像采集。

2 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析

目前水下機(jī)器人的主流框架結(jié)構(gòu)可分為仿生結(jié)構(gòu)和開架式結(jié)構(gòu)兩種。仿生結(jié)構(gòu)一般以海洋生物為原型設(shè)計(jì)外形, 水下機(jī)器人呈流線型設(shè)計(jì), 運(yùn)動(dòng)阻力小。一般以類魚鰭結(jié)構(gòu)作為動(dòng)力單元, 系統(tǒng)提供的動(dòng)力有限, 運(yùn)動(dòng)速度較慢。而開架式結(jié)構(gòu)并不過度追求水下機(jī)器人外形, 并可根據(jù)實(shí)際需求完成整體框架設(shè)計(jì), 系統(tǒng)多以螺旋槳協(xié)同推進(jìn)的方式提供動(dòng)力[5]。

筆者設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人為開架式結(jié)構(gòu), 共分為上、 中、 下3層： 上層放置浮力塊及兩個(gè)垂直方向的推進(jìn)器； 中上層放置電子艙, 中層放置4個(gè)水平方向的推進(jìn)器, 中下層放置電源倉(cāng)及水樣采集系統(tǒng)； 下層放置可移動(dòng)分布的配重塊。整機(jī)質(zhì)量為3.7 kg, 尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為0.38 m×0.33 m×0.22 m。為了充分發(fā)揮水下機(jī)器人動(dòng)力優(yōu)勢(shì)、 降低能耗、 延長(zhǎng)系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間, 作業(yè)前可根據(jù)外界環(huán)境條件調(diào)節(jié)系統(tǒng)上方浮力材料大小、 下方鉛塊數(shù)量和位置。保證系統(tǒng)靜止?fàn)顟B(tài)下懸浮在水中, 降低系統(tǒng)自重造成的能量損耗。水下機(jī)器人的整體布局如圖2所示。系統(tǒng)的動(dòng)力單元為6個(gè)雙向推進(jìn)器。推進(jìn)器在水下機(jī)器人框架中的安裝位置如圖3所示。

圖2 水下機(jī)器人整體布局 圖3 水下機(jī)器人推進(jìn)器安裝示意圖

為進(jìn)一步改善水下機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性和運(yùn)動(dòng)能力, 使其具有縱向、 橫向、 垂直運(yùn)動(dòng)以及艏向轉(zhuǎn)動(dòng)的能力, 兩個(gè)推進(jìn)器垂直安放在框架上層, 其余4個(gè)推進(jìn)器互相垂直布置在中層。假設(shè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的中心在水下機(jī)器人的重心處, 只分析其水平方向上的運(yùn)動(dòng)情況, 則其運(yùn)動(dòng)方程式可簡(jiǎn)化為

(1)

(2)

(3)

其中X、Y為在x、y軸上力F分量；N為z軸上力矩M的分量；m為水下機(jī)器人質(zhì)量；u、v為在x、y軸上中心點(diǎn)速度的分量；Iz為z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；r為z軸上角速度的分量。

設(shè)水下機(jī)器人為艏向運(yùn)動(dòng), 為了對(duì)機(jī)器人進(jìn)行更精確的運(yùn)動(dòng)控制, 建立機(jī)器人的艏向運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。在艏向運(yùn)動(dòng)的情況下, 可以等效認(rèn)為機(jī)器人處于水平狀態(tài), 設(shè)其懸浮在水中, 所以重力和浮力暫不考慮[6]。做艏向運(yùn)動(dòng)時(shí), 分析水平布置的4個(gè)推進(jìn)器產(chǎn)生的力矩, 假設(shè)每個(gè)推進(jìn)器的推力相同, 則可推出在水平面內(nèi)的總推力矩為

M=4T0c=4KTρn2D2c

(4)

其中KT為螺旋槳推力系數(shù),ρ為海水密度,n為螺旋槳轉(zhuǎn)速,D為螺旋槳直徑,c為推力對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)原點(diǎn)的力臂。

行進(jìn)過程所受到阻力產(chǎn)生的阻力矩如下

MN=0.5NrρAr2

(5)

其中Nr為阻力系數(shù)；A為等效受力面積。

除了推進(jìn)器的推力和水的阻力外, 水下機(jī)器人在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)還會(huì)受到慣性影響, 其受到的慣性力產(chǎn)生的力矩可由

(6)

將式(4)～式(6)帶入式(3)中可得水下機(jī)器人在水面做艏向運(yùn)動(dòng)的方程

(7)

對(duì)式(7)進(jìn)行泰勒展開并整理, 再進(jìn)行拉普拉斯變換, 得到艏向角對(duì)合力矩M1的傳遞函數(shù)

(8)

電機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型比較復(fù)雜, 在一般的控制系統(tǒng)中, 可將其簡(jiǎn)化模型為一階慣性環(huán)節(jié), 傳遞函數(shù)為

(9)

其中T為電機(jī)的時(shí)間常數(shù)；K為電機(jī)的放大系數(shù)。

由式(4)可知, 推進(jìn)器的推力和轉(zhuǎn)速平方成正比, 對(duì)其進(jìn)行線性處理后, 得到傳遞函數(shù)

G3(s)=2KTρD4n0

(10)

圖4 Simulink仿真結(jié)構(gòu)框圖 圖5 階躍響應(yīng)仿真曲線

由圖5分析可知, 在PID參數(shù)值設(shè)置恰當(dāng)時(shí), 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和延遲時(shí)間較短, 超調(diào)較低, 能很好滿足對(duì)水下機(jī)器人控制的需求。該設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用了功能齊全的開源解決方案----ArduSub。

3 水樣采集系統(tǒng)

3.1 采樣器設(shè)計(jì)

為了能在水體特定深度采集水樣標(biāo)本, 該設(shè)計(jì)搭載了外掛式水樣采集器。水樣采集器通過控制電磁閥通斷控制水介質(zhì)的流進(jìn)流出, 實(shí)現(xiàn)對(duì)水樣的采集。控制電磁閥的通斷需要電平信號(hào), 本系統(tǒng)基于BA6688芯片設(shè)計(jì)了一種信號(hào)解調(diào)電路, 對(duì)主控制器輸出的占空比可調(diào)的PWM(Pulse-Width Modulation)信號(hào)進(jìn)行解調(diào), 轉(zhuǎn)換為控制采樣器開啟和關(guān)閉的標(biāo)準(zhǔn)直流電平信號(hào)。如圖6所示, 水樣采集器掛載在水下機(jī)器人尾端。

3.2 采樣測(cè)試

測(cè)試環(huán)境為3 m×2 m×2 m的蓄水池, 蓄水池水深1.6 m。利用手柄控制水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和水樣采集。通過控制水下機(jī)器人在蓄水池的15個(gè)位置(見圖7)定點(diǎn)采集水樣, 驗(yàn)證水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及水樣采集能力。

圖6 水下采樣作業(yè)圖 圖7 采樣點(diǎn)在水中的位置示意圖

調(diào)整配重塊數(shù)量和位置可使機(jī)器人水平懸浮在水中。通過觀察上位機(jī)回傳的水下圖像, 遠(yuǎn)程操作遙控器手柄, 使水下機(jī)器人做出指定動(dòng)作, 實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定深采樣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該水下機(jī)器人具有操作簡(jiǎn)便、 交互性強(qiáng)、 作業(yè)范圍廣的特點(diǎn)。

4 水下視覺處理

4.1 圖像增強(qiáng)

在自然水域環(huán)境中, 由于水介質(zhì)本身的光學(xué)特性以及水中的懸浮物的影響, 可見光在水介質(zhì)中傳播時(shí)容易出現(xiàn)強(qiáng)烈的吸收和散射效應(yīng), 最終導(dǎo)致采集到的水下圖像色彩偏移、 對(duì)比度降低[11]。在對(duì)圖像處理前, 首先進(jìn)行圖像預(yù)處理。針對(duì)顏色失真問題應(yīng)用動(dòng)態(tài)閾值自動(dòng)白平衡的方法, 消除光源強(qiáng)度和色偏的影響, 進(jìn)行顏色校正解決顏色失真現(xiàn)象[12-13]。其基本流程是對(duì)圖像分塊進(jìn)行檢測(cè), 去除顏色分布均勻的塊, 對(duì)剩余區(qū)域進(jìn)行處理提取出參考白點(diǎn), 分通道計(jì)算參考白點(diǎn)亮度的平均值Raver、Gaver、Baver, 然后根據(jù)

(11)

計(jì)算各個(gè)通道的增益。其中Ymax即為YCbCr色彩空間中Y分量在整個(gè)圖像中的最大值。再根據(jù)增益對(duì)各通道進(jìn)行色偏校正, 公式如下

(12)

其中R、G、B為原始的顏色空間的值。

圖像增強(qiáng)技術(shù)能改善水下圖像質(zhì)量, 為此筆者給出了3種圖像增強(qiáng)有關(guān)的算法, 并取一些水下圖像對(duì)其實(shí)際性能進(jìn)行評(píng)估。圖8為經(jīng)過圖像預(yù)處理后, 3種不同圖像增強(qiáng)算法處理效果圖。

1) 對(duì)比度拉伸(Contrast Stretching)。對(duì)比度拉伸即灰度拉伸處理, 可使圖像較亮的部分更亮, 較暗的部分更暗

(13)

其中S為變換后灰度級(jí)；l、m、n分別為不同區(qū)域的斜率；r為原始灰度級(jí)；a和b為閾值的上下限；v、w為灰度補(bǔ)償系數(shù)。

通過在灰度圖像中確定兩個(gè)拐點(diǎn)控制變換函數(shù)的形狀。通過調(diào)整斜率, 可使圖像亮的區(qū)域更亮, 暗的區(qū)域更暗[14]。

2) 直方圖均衡(HE: Histogram Equalization)。圖像直方圖表示圖像每一灰度級(jí)與其出現(xiàn)頻率的關(guān)系, 是數(shù)字圖像的一個(gè)重要統(tǒng)計(jì)特性[15], 公式如下

(14)

其中P(rk)為圖像第k級(jí)灰度出現(xiàn)的概率；rk為第k級(jí)灰度的灰度值級(jí)；nk為圖像中灰度值為rk的像素的個(gè)數(shù)；N為圖像的總像素?cái)?shù)；L為總的灰度級(jí)數(shù)。

HE可使原始圖像的灰度直方圖從比較集中的某個(gè)灰度區(qū)間拉伸成全部灰度范圍內(nèi)的均勻分布。水下圖像往往光照不足, 且在復(fù)雜的水下環(huán)境下, 圖像容易偏暗且背景亮度不均, 針對(duì)水下圖像的這些問題, 直方圖均衡能擴(kuò)大圖像灰度值的分布范圍, 改善圖像的對(duì)比度, 突出圖像的局部細(xì)節(jié)[16]。

3) 限制對(duì)比度自適應(yīng)直方圖均衡(CLAHE: Contrast Limited Adaptive Histgram Equalization)。CLAHE最初是為醫(yī)學(xué)成像開發(fā)的, 并已被證明在低對(duì)比度圖像增強(qiáng)方面取得了成功。CLAHE算法在進(jìn)行HE操作前會(huì)提前劃分區(qū)域, 并將直方圖均衡化應(yīng)用于每個(gè)局部的區(qū)域。CLAHE算法是基于HE算法的基礎(chǔ)上提出的一種改進(jìn)算法, 理論上可以遏制噪聲放大和局部對(duì)比度過強(qiáng)[17]。

圖8 經(jīng)過圖像預(yù)處理后, 幾種不同圖像增強(qiáng)算法處理效果圖

4.2 像質(zhì)評(píng)價(jià)

選取對(duì)比度、 信息熵和平均梯度為主要像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo), 進(jìn)行像質(zhì)評(píng)價(jià)。

1) 對(duì)比度。對(duì)比度反映圖像的均方差及整體的灰度分布和強(qiáng)弱差, 即

(15)

其中M×N為圖像的大??；I(i,j)為第i行、 第j列的像素值；μ為均值。

2) 信息熵。信息熵反映圖像中像素灰度信息和其鄰近區(qū)域內(nèi)的灰度分布特征, 即

(16)

其中Hr為r灰度級(jí)像素的點(diǎn)數(shù)；r為像素灰度級(jí)級(jí)數(shù)；L為總的灰度級(jí)。

3) 平均梯度。平均梯度反映圖像的對(duì)比度、 細(xì)節(jié)反差以及紋理變化情況, 即

(17)

取幾組典型的水下場(chǎng)景, 應(yīng)用動(dòng)態(tài)閾值自動(dòng)白平衡做預(yù)處理后進(jìn)行圖像增強(qiáng), 計(jì)算得到對(duì)比度、 信息熵和平均梯度如表1所示。

表1 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 經(jīng)過直方圖拉伸僅擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍并不能取得較完美的圖像； HE和CLAHE方法都可以在一定程度上改善圖像質(zhì)量； 對(duì)一些景深復(fù)雜、 模糊程度不均勻的圖像, HE處理后圖像有局部過度增強(qiáng)和細(xì)節(jié)丟失的現(xiàn)象； 與HE相比, 采用CLAHE方法處理后圖像細(xì)節(jié)相對(duì)更加明顯。

5 結(jié) 語

筆者系統(tǒng)描述了該機(jī)器人的總體設(shè)計(jì), 對(duì)其實(shí)際性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。結(jié)果表明, 該設(shè)計(jì)具有操作簡(jiǎn)便、 交互性強(qiáng)、 作業(yè)范圍廣的特點(diǎn), 總體上滿足了實(shí)際應(yīng)用需求。水下圖像增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)是對(duì)幾種主流圖像增強(qiáng)技術(shù)的對(duì)比, 可以較為高效地提高水下圖像采集的質(zhì)量。采用無參考像質(zhì)評(píng)價(jià)的方法進(jìn)行量化分析是計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在水下環(huán)境中的應(yīng)用。但由于設(shè)計(jì)水下機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的工程, 對(duì)水樣采集器的材質(zhì)未進(jìn)行充分考慮, 水樣采集功能僅在淡水條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 海水可能會(huì)對(duì)密封圈等位置產(chǎn)生腐蝕作用, 后續(xù)設(shè)計(jì)需要對(duì)其材質(zhì)和耐用性方面進(jìn)行充分考慮。