一种水下激光扫描设备的制作方法

1.本发明属于水下探测技术领域，尤其涉及一种适用水下多平台的可进行静动态切换的水下激光扫描设备。


背景技术：

2.现有的水下激光扫描设备，使用的场景多是针对单一平台，例如auv、rov，或者移动的海底爬行车，无法同时适用于不同类型的移动平台，存在自身设备尺寸大小多已固定，不便安装的缺点；此外，现有的水下激光扫描仪器，仅具备单一的工作模式，即静态环境下的扫描模式(仪器设备固定在某一固定位置，以该位置为轴心进行0-360
°
的旋扫)，无法搭载于运动的水下平台进行动态环境的扫描以及静动态结合下的扫描。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供了一种水下激光扫描设备，以至少解决现有水下激光扫描设备机械兼容性差以及无法进行工作模式切换的问题。
4.本技术实施例提供了一种水下激光扫描设备，包括：接驳舱，接驳舱中安装有工控机；激光器舱，连接于接驳舱，激光器舱中安装有第一测距激光器和线激光器；摄像舱，连接于接驳舱，摄像舱中安装有第二测距激光器和摄像机；工控机根据第一测距激光器和第二测距激光器基于一辅助板的激光测距数据，并根据第一测距激光器和第二测距激光器在辅助板上的激光点之间的距离，计算得到激光器舱的舱体偏转角度、激光器舱和摄像舱的舱间距离，并根据舱体偏转角度和舱间距离完成水下激光扫描设备的机械参数自校准。
5.在其中一些实施例中，辅助板为标定板，标定板完整放置于摄像机的视野中，并与摄像舱的中轴线以垂直方向放置。
6.在其中一些实施例中，放置标定板时，使第一测距激光器和第二测距激光器的激光点位于标定板的角点处。
7.在其中一些实施例中，通过摄像机获取标定板的图像，并对标定板的图像进行图像角点识别，在图像上对角点进行第一颜色的标记，进一步计算获取激光点在图像中的位置。
8.在其中一些实施例中，第一颜色为rgb色彩模式下红色、绿色、蓝色中其中一种；将图像进行颜色通道的过滤，将对应第一颜色的图像通道中低于一阈值的数据全部置零，留存下非零像素数据，再将剩余数据进行逐行扫描，计算出图像通道数值最大的两个像素的位置，进一步计算获取激光点在图像中的位置。
9.在其中一些实施例中，将所有角点的坐标和两个激光点的像素坐标进行比对，根据现实中角点的尺寸和间隔，计算得到现实情况下两个激光点的距离；再根据第一测距激光器和第二测距激光器的激光测距数据，通过空间三角算法得到舱间距离以及激光器舱与水平面的夹角，完成机械参数自校准。
10.在其中一些实施例中，启动线激光器，进一步获取线激光器发射的线激光的像素
位置，并获取完成机械参数自校准后的水下激光扫描设备的姿态数据，工控机根据线激光的像素位置和水下激光扫描设备的姿态数据控制水下激光扫描设备进行扫描模式的切换。
11.在其中一些实施例中，通过摄像机获取包含线激光的扫描图像，对扫描图像进行灰度二值化处理，根据处理后的扫描图像获取线激光的像素位置。
12.在其中一些实施例中，扫描模式包括单独静态旋转扫描模式、单独动态扫描模式、同时进行动静态扫描模式中任意一种。
13.在其中一些实施例中，激光器舱和摄像舱上均安装有接插件，激光器舱和摄像舱通过接插件连接于接驳舱。
14.相比于相关技术，本技术实施例提供的一种适用水下多平台的可进行静动态切换的水下激光扫描设备，采用激光器和摄像系统之间特殊的分体式结构设计，具备灵活的安装和组装方式，并且在灵活组装后设备可进行机械参数的自校准，极大的方便了扫描设备与水下各类型运载平台的配合装配。本技术设计了扫描模式切换模块，采用多线程图像数据处理方法进行静动态数据的处理，其中一路线程持续不断进行水下动态姿态数据的更新发布，另一路线程进行结合水下姿态数据图像数据的处理。区别于现有的尽可以进行单一线程的静态/动态图像处理方法，可以保证图像数据处理的灵活性，即可进行动态与静态数据处理的切换，当外部没有水下姿态数据输入的情况下，进行静态数据的处理，当有外部水下姿态数据的输入时继续动态数据的处理。
附图说明
15.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
16.图1为本发明的整体结构示意图；
17.图2为本发明的激光器舱舱体示意图；
18.图3为本发明的摄像舱舱体示意图；
19.图4为本发明的接插件示意图；
20.图5为本发明的标定板示意图；
21.图6为本发明的标定板应用示意图；
22.以上各图中：
23.1、接驳舱；11、工控机；111、机械校准模块；112、扫描模式切换模块；2、激光器舱；21、第一测距激光器；22、线激光器；23、接插件；3、摄像舱；31、第二测距激光器；32、摄像机；4、水下电机；5、标定板。
具体实施方式
24.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。基于本技术提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
25.显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本技术应用
于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本技术公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本技术揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本技术公开的内容不充分。
26.在本技术中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本技术所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
27.除非另作定义，本技术所涉及的技术术语或者科学术语应当为本技术所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本技术所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
28.以下，结合附图详细介绍本发明的实施例：
29.如图1到图4所示，本技术实施例提供的一种水下激光扫描设备，包括：接驳舱1、激光器舱2、摄像舱3和水下电机4。
30.其中，水下接驳舱1是水下各舱体之间连接的中枢，激光器系统、摄像系统以及水下电机4的数据均传递至该舱体，并在其中进行相应的自身设备机械机构结构计算、图像预处理、配置信息上传等工作。接驳舱1中安装有工控机11，具体的，工控机11中具有机械校准模块111和扫描模式切换模块112。在具体实施中，机械校准模块111可进行设备自身安装后的机械参数校准：即使用人员在将设备与水下运载平台进行装配时无需按照特定的机械尺寸(即激光器舱2舱体和摄像舱3舱体之间无需符合特定的间距和角度)进行安装，仅需将激光器舱2和摄像舱3安装于同一水线上，并测得其中一个舱体偏转的角度即可。安装部署完成后启动相应的操作软件，工控机11内置的校准算法将自动进行整体设备的机械结构校准，为水下激光扫描系统提供科学稳定的配置参数。在具体实施中，扫描模式切换模块112可使得设备同时具备两种工作模式，即静态和动态工作模式，动态工作模式即可以在设备处于移动状态时进行扫描工作，并且两种工作模式可通过该模块控制进行切换或者同步进行，极大的扩展了水下激光扫描仪器的使用场景。水下电机4为水下激光扫描系统提供静态环境下的机械转动，使得设备可以在固定的位置进行360
°
的旋转扫描。
31.激光器舱2电性连接于接驳舱1的工控机11，并与工控机11中的机械校准模块111和扫描模式切换模块112进行数据交换；激光器舱2中安装有第一测距激光器21和线激光器22；摄像舱3电性连接于接驳舱1的工控机11，并与工控机11中的机械校准模块111和扫描模式切换模块112进行数据交换；摄像舱3中安装有第二测距激光器31和摄像机32。具体的，激光器舱2和摄像舱3安装于同一水平线上。
32.在具体实施中，第一测距激光器21和第二测距激光器31获取的激光测距数据传输至机械校准模块111中进行水下激光扫描设备的机械结构校准。并根据第一测距激光器21
和第二测距激光器31获取的激光测距数据、线激光器22获取的线激光数据和摄像机32获取的图像数据传输至扫描模式切换模块112中，进行水下激光扫描设备的静动态扫描模式切换。
33.激光器舱2和摄像舱3上安装有接插件23，通过接插件23安装在水下激光扫描设备上。
34.在具体实施中，将获得的激光测距数据以及人工测得的舱体偏转角度传递至接驳舱1内的工控机11中，在工控机11的机械校准模块111中，进行空间的三角函数计算，得出激光器舱2和摄像舱3之间的舱间距离，接着将以上参数通过接驳舱1传递至水上计算机，将参数设置为水下扫描图像的处理前置参数，完成整个系统的水下机械机构的自校准。
35.在具体实施中，将如图5所示的特定大小的标定板5置于摄像机32视野中，并且为垂直于摄像舱3中轴线的前方放置，如图6所示。该标定板5整体需完整体现在摄像机32画面中，整体无遮盖。可选的，标定板5由20*30个尺寸为7*7mm的黑白方框组成。
36.将标定板5垂直于水平面放置，将本技术的水下激光扫描设备水平安装好后，打开第一测距激光器21和第二测距激光器31，前方的标定板5上会出现两处激光亮点，分别对应摄像舱3和激光器舱2的测距激光，调整标定板5的位置，使得两个测距激光点正好位于标定板5上的角点处。
37.通过摄像机32获取标定板5的图像，并对标定板5的图像进行图像角点识别，在图像上对角点进行第一颜色的标记，进一步计算获取激光点在图像中的位置。第一颜色为rgb色彩模式下红色、绿色、蓝色中其中一种；将图像进行颜色通道的过滤，将对应第一颜色的图像通道中低于一阈值的数据全部置零，留存下非零像素数据，再将剩余数据进行逐行扫描，计算出图像通道数值最大的两个像素的位置，进一步计算获取激光点在图像中的位置。将所有角点的坐标和两个激光点的像素坐标进行比对，将对应角点的坐标和激光点相匹配，再根据两个激光点对应的角点的位置，根据现实中角点的尺寸和间隔，计算得到现实情况下两个激光点的距离。再根据摄像舱3和激光器舱2的测据数据，通过空间三角算法得到两个舱体间的实际距离以及激光器舱2与水平面的夹角，完成机械尺寸的自校准。
38.在具体实施中，机械校准模块111根据角点检测计算结果，将提取到的关键点以绿色标记，显示在原图上。接着进行图像激光点的识别：摄像机32获取图像为彩色，测距激光点为绿色，背景标定板5为黑白色，图像处理时，首先将图像进行颜色通道的过滤，将图像g通道(绿色)中低于200阈值的数据全部置零，留存下非零像素数据的即为少部分绿色的图像像素，再将剩余数据进行逐行扫描，计算出该通道数值最大的两个像素的位置，即为测距激光点在图像中的位置。
39.将所有角点的坐标和两个激光点的像素坐标进行比对，将对应角点的坐标和激光点相匹配，再根据两个激光点对应的角点的位置，根据实际中角点的尺寸和间隔，进行计算得到实际情况下两个激光点的距离ds。再根据相机舱体和激光器舱2的测据数据d1和d2，通过空间三角算法得到两个舱体间的实际距离d以及激光器舱2和水平面的夹角β，自此完成机械尺寸的自校准。公式为：
40.[0041][0042]
完整机械尺寸的自校准后，本技术的扫描模式切换模块112在扫描作业时可以进行静态和动态工作模式的切换，其中，静态工作模式为仪器设备固定在某一固定位置，以该位置为轴心进行0-360
°
的旋扫，动态工作模式为即可以在设备处于移动状态时进行扫描工作。
[0043]
在具体实施中，本技术的扫描模式切换模块112采用双线程设计，本技术实施例中静态处理线程简称a线程，动态线程简称b线程。首先，整个算法的总数据输入是水下扫描图像和自校准机械参数，其中水下扫描图像数据首先进行线激光扫描图像的灰度二值化处理，将图像进行激光线与背景画面的区分，接着进行图像中激光像素位置信息的提取，为后期的进一步处理提供数据参数。另一方面姿态数据由设备自校准机械参数导入，与上述的线激光像素位置信息进行融合，传递到算法的下一步进行检测，如果检测到没有姿态数据的输入，即进行a线程静态数据处理，如果检测到姿态数据的输入，紧接着进行双线程是否同步判断，如需同步，即同时开始a线程和b线程，进行静动态数据的同步处理；如不需同步，则仅启用动态线程进行动态数据的处理，最终输出对应的水下目标物空间三维数据信息。
[0044]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0045]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。