[發明專利]水下機器人攝像機云臺實時控制系統及其方法

有效

• 申請號: 201711260020.2
• 申請日: 2017-12-04
• 公開（公告）號: CN107968915B
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發明（設計）人: 陳斌;王萬國;許瑋;慕世友;李超英;李建祥;趙金龍;劉俍;李榮;任志剛;白萬建;楊波;孫曉斌;李勇;李筍;張用
• 申請（專利權）人: 國網山東省電力公司電力科學研究院;國網智能科技股份有限公司;國家電網有限公司
• 主分類號: H04N5/232
• 分類號: H04N5/232;H04N7/18;H04N13/376;H04N13/373
• 代理公司: 37221 濟南圣達知識產權代理有限公司
• 代理人: 張勇

本發明公開了一種水下機器人攝像機云臺實時控制系統及其方法。其中，該控制系統包括跟蹤頭部運動的VR裝置、攝像機云臺和遠程控制平臺；所述攝像機云臺安裝于水下機器人機體上，且用于接收遠程控制平臺所發送的控制指令來實現攝像機云臺的左右轉動和俯仰轉動；攝像機云臺上還固定有圖像采集裝置，其用于在攝像機云臺轉動的同時采集水下作業現場視頻圖像并上傳至遠程控制平臺；所述遠程控制平臺，用于將接收到的水下作業現場視頻圖像發送至跟蹤頭部運動的VR裝置中，同時將跟蹤頭部運動的VR裝置的實時頭部位姿信息轉換為相應控制指令來實時調整攝像機云臺的角度和水下攝像機變焦鏡頭的焦距。

技術領域

本發明屬于水下機器人控制領域，尤其涉及一種水下機器人攝像機云臺實時控制系統及其方法。

背景技術

深海作業型纜控無人水下機器人(ROV)是目前應用最為廣泛的水下機器人，它通過與水面母船相連的臍帶電纜接受能源供給和操控指令，可實現遠程安全控制，具有良好的機動性和靜止懸浮能力。依據不同的作業需求，ROV可選配各種觀測設備(攝像機、照相機、照明燈等)和作業設備(機械臂、切割器、清洗器等)。

目前，很多體型較大的ROV都裝配了水下作業機械臂。在作業過程中，機械臂操作員需要通過觀看水下攝像機拍攝的作業現場視頻圖像來完成對機械臂的操作。但水下攝像機拍攝的角度范圍有限，且水下機器人在懸停作業時會受到海洋洋流的影響，不可避免地導致機體出現傾斜旋轉，而安裝在水下機器人機體上的攝像機云臺也會隨之產生視角偏離，影響機械臂操作員的作業觀察。因此，操作員除了需要操作機械臂執行作業動作外，還需要實時調整攝像機云臺的拍攝角度(水下機器人的航行控制另配備機器人操作員負責)，這一任務通常是由機械臂操作員在遠程控制平臺上使用鼠標或操作桿手動控制完成。

機械臂自由度的增加使操作越來越繁瑣，為降低操作難度，某些多自由度機械臂采用了主從控制方式。主從控制方式是設計一款與作業機械臂(從臂)具有相同構型并能提供關節力反饋的小型機械臂(主臂)，使主臂和從臂之間構成主從關系，即由機械臂操作員在機械臂控制平臺上通過觀看水下攝像機拍攝的作業現場視頻圖像遠程操作主臂，從臂根據主臂的關節位姿跟隨運動，并將從臂各關節承受的力矩反饋到主臂相應關節，使機械臂操作員具有臨場力覺，便于完成復雜的作業任務。但如果水下機器人裝配兩只機械臂(如美國的“Jason號”ROV、中國的“海馬號”ROV等型號)，機械臂操作員的雙手需要同時操作兩只主臂，此時無法對攝像機云臺進行控制調整，水下攝像機產生視角偏離，影響操作員的作業觀察，這會對水下機器人的海底作業產生較大影響。

發明內容

為了解決現有技術的不足，本發明的第一目的是提供一種水下機器人攝像機云臺實時控制系統，其利用跟蹤頭部運動的VR裝置，通過測量機械臂操作員的頭部位姿信息實現對水下機器人攝像機云臺的實時控制(兩軸轉動和水下攝像機變焦)，構成跟蹤頭部運動的VR裝置—攝像機云臺隨動系統，解放了操作員的雙手以完成對兩只機械臂主臂的操縱，實現了良好的人機交互。同時，跟蹤頭部運動的VR裝置提供近眼觀察方式，通過第一視角的視頻圖像給操作員身臨其境的感覺，產生浸入感，可大幅提高其操作水下機器人機械臂的作業效率。

本發明的一種水下機器人攝像機云臺實時控制系統，包括跟蹤頭部運動的VR裝置、攝像機云臺和遠程控制平臺；

所述攝像機云臺安裝于水下機器人機體上，且用于接收遠程控制平臺所發送的控制指令來實現攝像機云臺的左右轉動和俯仰轉動；攝像機云臺上還固定有圖像采集裝置，其用于在攝像機云臺轉動的同時采集水下作業現場視頻圖像并上傳至遠程控制平臺；

所述遠程控制平臺，用于將接收到的水下作業現場視頻圖像發送至跟蹤頭部運動的VR裝置中，同時將跟蹤頭部運動的VR裝置的實時頭部位姿信息轉換為相應控制指令來實時調整攝像機云臺的角度和水下攝像機變焦鏡頭的焦距。

其中，跟蹤頭部運動的VR裝置包括頭部位姿跟蹤器，頭部位姿跟蹤器包括陀螺儀、加速度計和磁力計這些慣性傳感器。這些慣性傳感器用來測定操作員頭部所指向的角度與運動方向。