技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及圖像濾波領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多重濾波處理的水下機器人。

背景技術(shù)：

當前，對于水下焊接存在以下問題要解決：1、人工焊接方式精度和效率都不高；2、機械焊接的方式存在需要適應(yīng)水下環(huán)境的具體結(jié)構(gòu)，尤其需要克服水下各類干擾的圖像處理設(shè)備；3、缺乏自動焊接設(shè)備。因而，現(xiàn)有技術(shù)中，無法采用機械焊接的方式進行水下設(shè)備的焊接，導(dǎo)致當前焊接方式速度慢且不夠準確。

為此，需要一種能夠處理水下各種干擾的機械化自動焊接方案，首先能夠提高水下激光圖像的成像效果，然而能夠適應(yīng)水下環(huán)境，能夠識別焊縫類型，最后需要一套能夠自動焊接的焊接設(shè)備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于多重濾波處理的水下機器人，以改造現(xiàn)有水下機器人的具體結(jié)構(gòu)，使得其能夠作為焊接平臺，再利用聲納和聲納圖像處理設(shè)備提高激光成像效果，利用包括中值濾波子設(shè)備、低通濾波子設(shè)備和同態(tài)濾波子設(shè)備的圖像預(yù)處理設(shè)備實現(xiàn)對水下各類干擾的去除，利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別的圖像識別技術(shù)提高焊縫識別的準確性，最后改造焊接設(shè)備使其能夠完成水下自動焊接。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種基于多重濾波處理的水下機器人，用于水下自動焊接，所述水下機器人包括水下機器人主體、激光成像設(shè)備和焊縫識別設(shè)備，所述激光成像設(shè)備和所述焊縫識別設(shè)備都位于所述水下機器人主體上，所述激光成像設(shè)備用于拍攝水下激光圖像，所述焊縫識別設(shè)備與所述激光成像設(shè)備連接，用于從所述水下激光圖像中提取水下焊縫特征并確定焊縫類型。

更具體地，在所述基于多重濾波處理的水下機器人中，還包括：電焊鉗，用于固定焊條，所述焊條為濕法涂料焊條，材料為低碳鋼；安全開關(guān)，其負極導(dǎo)線連接到所述電焊鉗；接地夾，被固定在待焊接工件上；電焊機，負極連接至所述電焊鉗，正極接地；電焊鉗驅(qū)動設(shè)備，與所述電焊鉗連接，用于根據(jù)電焊鉗驅(qū)動信號驅(qū)動所述電焊鉗前往待焊接工件的焊縫位置；電焊鉗驅(qū)動電機，為一直流電機，為所述電焊鉗驅(qū)動設(shè)備對所述電焊鉗的驅(qū)動提供動力；所述水下機器人主體包括支架、左壓力克透明筒、右壓力克透明筒、連接箍、儲物臺、機械臂、機械手、隔水密封筒、橫向螺旋槳、豎向螺旋槳、縱向螺旋槳和三個直流電機，所述支架用于將所述水下機器人主體固定在水下，所述連接箍與所述支架固定連接，所述儲物臺和所述機械臂與所述連接箍分別連接，所述機械手與所述機械臂連接，所述機械臂包括大臂和與大臂連接的小臂，所述三個直流電機分別帶動所述橫向螺旋槳、所述豎向螺旋槳和所述縱向螺旋槳，以通過螺旋槳的正反轉(zhuǎn)，為水下機器人主體提供6個自由度的推進動力；移動硬盤，位于所述水下機器人主體上，用于預(yù)先存儲了亮度閾值上限和亮度閾值下限；聲納設(shè)備，位于所述水下機器人主體上，用于對所述水下機器人主體前方的水下目標執(zhí)行聲納圖像采集，以獲得聲納圖像；聲納圖像處理設(shè)備，與所述聲納設(shè)備和所述移動硬盤分別連接，包括第一檢測子設(shè)備、第二檢測子設(shè)備和目標距離檢測子設(shè)備，所述第一檢測子設(shè)備與所述聲納設(shè)備和所述移動硬盤分別連接，用于采用亮度閾值上限遍歷聲納圖像以分割出核心目標區(qū)域；所述第二檢測子設(shè)備與所述第一檢測子設(shè)備和所述移動硬盤分別連接，用于以所述核心目標區(qū)域的邊緣點作為種子點，利用亮度閾值下限對核心目標區(qū)域附近的像素點進行亮度判斷，以獲得并分割出最終目標區(qū)域；所述目標距離檢測子設(shè)備與所述第二檢測子設(shè)備連接，計算最終目標區(qū)域的中心點到聲納圖像檢測原點的距離并作為目標距離輸出；所述激光成像設(shè)備，包括激光器、探測器和微控制器，所述激光器對所述水下機器人主體前方的水下目標發(fā)出激光束，以在所述激光束被水下目標反射到所述探測器時，便于所述探測器的拍攝，所述微控制器與所述聲納圖像處理設(shè)備、所述激光器和所述探測器分別連接，基于目標距離和激光在水下傳播速度確定所述探測器快門的選通時間，并在選通時間到達時，選通所述探測器的快門，觸發(fā)所述探測器對水下目標進行拍攝，以獲得水下激光圖像；所述焊縫識別設(shè)備包括預(yù)處理子設(shè)備、特征提取子設(shè)備和焊縫類型識別子設(shè)備；所述預(yù)處理子設(shè)備與所述激光成像設(shè)備連接，包括中值濾波子設(shè)備、低通濾波子設(shè)備和同態(tài)濾波子設(shè)備；所述中值濾波子設(shè)備與所述探測器連接，用于對所述水下激光圖像執(zhí)行中值濾波，以濾除所述水下激光圖像中的點噪聲，獲得第一濾波圖像；所述低通濾波子設(shè)備與所述中值濾波子設(shè)備連接，用于去除所述第一濾波圖像中的隨機噪聲，獲得第二濾波圖像；所述同態(tài)濾波子設(shè)備與所述低通濾波子設(shè)備連接，用于對所述第二濾波圖像執(zhí)行圖像增強，以獲得增強水下圖像；所述特征提取子設(shè)備與所述預(yù)處理子設(shè)備連接，包括圖像分割單元和特征向量識別單元，所述圖像分割單元基于焊縫圖像灰度閾值范圍將所述增強水下圖像中的焊縫目標識別出來以獲得水下焊縫圖像；所述特征向量識別單元與所述圖像分割單元連接，基于所述水下焊縫圖像確定水下焊縫目標的8個幾何特征：歐拉孔數(shù)、圓度、角點數(shù)、凸凹度、光滑度、長徑比、緊密度和主軸角度，并將所述8個幾何特征組成特征向量；所述焊縫類型識別子設(shè)備與所述特征提取子設(shè)備連接，采用8輸入2輸出的單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以水下焊縫目標的8個幾何特征作為輸入層神經(jīng)元，輸出層為水下焊縫類型，所述水下焊縫類型包括常規(guī)類型和無法焊接類型；主控設(shè)備，設(shè)置在所述水下機器人主體上，與所述焊縫類型識別子設(shè)備連接，當接收到所述水下焊縫類型為無法焊接類型時，發(fā)出報警信號，當接收到所述水下焊縫類型為常規(guī)類型時，根據(jù)水下焊縫圖像在水下激光圖像的相對位置確定電焊鉗驅(qū)動信號。

更具體地，在所述基于多重濾波處理的水下機器人中：水下電纜，用于將所述主控設(shè)備與水上焊接平臺連接，將所述報警信號發(fā)送到所述水上焊接平臺。

更具體地，在所述基于多重濾波處理的水下機器人中：所述中值濾波子設(shè)備、所述低通濾波子設(shè)備和所述同態(tài)濾波子設(shè)備分別采用不同的FPGA芯片來實現(xiàn)。

更具體地，在所述基于多重濾波處理的水下機器人中：所述中值濾波子設(shè)備、所述低通濾波子設(shè)備和所述同態(tài)濾波子設(shè)備被集成在一塊集成電路板上。

更具體地，在所述基于多重濾波處理的水下機器人中：所述主控設(shè)備為數(shù)字信號處理器，型號為TI公司的DSP芯片。

附圖說明

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方案進行描述，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明實施方案示出的基于多重濾波處理的水下機器人的結(jié)構(gòu)方框圖。

附圖標記：1水下機器人主體；2激光成像設(shè)備；3焊縫識別設(shè)備

具體實施方式

下面將參照附圖對本發(fā)明的基于多重濾波處理的水下機器人的實施方案進行詳細說明。

水下焊接首先要準確識別焊縫位置，現(xiàn)有技術(shù)中一般采用圖像識別方式進行，然而，當前水下激光成像的快門控制困難，導(dǎo)致水下激光圖像效果不佳，同時缺少合適的水下定位設(shè)備和圖像濾波設(shè)備，使得水下焊接的精度不高。

為了克服上述不足，本發(fā)明搭建了一種基于多重濾波處理的水下機器人，采用多重濾波方式對圖像進行預(yù)處理，優(yōu)化水下激光成像技術(shù)和水下設(shè)備定位技術(shù)，同時，改造水下機器人和焊接設(shè)備，使得水下自動焊接成為可能。

圖1為根據(jù)本發(fā)明實施方案示出的基于多重濾波處理的水下機器人的結(jié)構(gòu)方框圖，所述水下機器人包括水下機器人主體、激光成像設(shè)備和焊縫識別設(shè)備，所述激光成像設(shè)備和所述焊縫識別設(shè)備都位于所述水下機器人主體上，所述激光成像設(shè)備用于拍攝水下激光圖像，所述焊縫識別設(shè)備與所述激光成像設(shè)備連接，用于從所述水下激光圖像中提取水下焊縫特征并確定焊縫類型。

接著，繼續(xù)對本發(fā)明的基于多重濾波處理的水下機器人的具體結(jié)構(gòu)進行進一步的說明。

所述水下機器人還包括：電焊鉗，用于固定焊條，所述焊條為濕法涂料焊條，材料為低碳鋼；安全開關(guān)，其負極導(dǎo)線連接到所述電焊鉗；接地夾，被固定在待焊接工件上；電焊機，負極連接至所述電焊鉗，正極接地；電焊鉗驅(qū)動設(shè)備，與所述電焊鉗連接，用于根據(jù)電焊鉗驅(qū)動信號驅(qū)動所述電焊鉗前往待焊接工件的焊縫位置；電焊鉗驅(qū)動電機，為一直流電機，為所述電焊鉗驅(qū)動設(shè)備對所述電焊鉗的驅(qū)動提供動力。

所述水下機器人主體包括支架、左壓力克透明筒、右壓力克透明筒、連接箍、儲物臺、機械臂、機械手、隔水密封筒、橫向螺旋槳、豎向螺旋槳、縱向螺旋槳和三個直流電機，所述支架用于將所述水下機器人主體固定在水下，所述連接箍與所述支架固定連接，所述儲物臺和所述機械臂與所述連接箍分別連接，所述機械手與所述機械臂連接，所述機械臂包括大臂和與大臂連接的小臂，所述三個直流電機分別帶動所述橫向螺旋槳、所述豎向螺旋槳和所述縱向螺旋槳，以通過螺旋槳的正反轉(zhuǎn)，為水下機器人主體提供6個自由度的推進動力。

所述水下機器人還包括：移動硬盤，位于所述水下機器人主體上，用于預(yù)先存儲了亮度閾值上限和亮度閾值下限。

所述水下機器人還包括：聲納設(shè)備，位于所述水下機器人主體上，用于對所述水下機器人主體前方的水下目標執(zhí)行聲納圖像采集，以獲得聲納圖像。

所述水下機器人還包括：聲納圖像處理設(shè)備，與所述聲納設(shè)備和所述移動硬盤分別連接，包括第一檢測子設(shè)備、第二檢測子設(shè)備和目標距離檢測子設(shè)備，所述第一檢測子設(shè)備與所述聲納設(shè)備和所述移動硬盤分別連接，用于采用亮度閾值上限遍歷聲納圖像以分割出核心目標區(qū)域；所述第二檢測子設(shè)備與所述第一檢測子設(shè)備和所述移動硬盤分別連接，用于以所述核心目標區(qū)域的邊緣點作為種子點，利用亮度閾值下限對核心目標區(qū)域附近的像素點進行亮度判斷，以獲得并分割出最終目標區(qū)域；所述目標距離檢測子設(shè)備與所述第二檢測子設(shè)備連接，計算最終目標區(qū)域的中心點到聲納圖像檢測原點的距離并作為目標距離輸出。

所述激光成像設(shè)備，包括激光器、探測器和微控制器，所述激光器對所述水下機器人主體前方的水下目標發(fā)出激光束，以在所述激光束被水下目標反射到所述探測器時，便于所述探測器的拍攝，所述微控制器與所述聲納圖像處理設(shè)備、所述激光器和所述探測器分別連接，基于目標距離和激光在水下傳播速度確定所述探測器快門的選通時間，并在選通時間到達時，選通所述探測器的快門，觸發(fā)所述探測器對水下目標進行拍攝，以獲得水下激光圖像。

所述焊縫識別設(shè)備包括預(yù)處理子設(shè)備、特征提取子設(shè)備和焊縫類型識別子設(shè)備；所述預(yù)處理子設(shè)備與所述激光成像設(shè)備連接，包括中值濾波子設(shè)備、低通濾波子設(shè)備和同態(tài)濾波子設(shè)備；所述中值濾波子設(shè)備與所述探測器連接，用于對所述水下激光圖像執(zhí)行中值濾波，以濾除所述水下激光圖像中的點噪聲，獲得第一濾波圖像；所述低通濾波子設(shè)備與所述中值濾波子設(shè)備連接，用于去除所述第一濾波圖像中的隨機噪聲，獲得第二濾波圖像；所述同態(tài)濾波子設(shè)備與所述低通濾波子設(shè)備連接，用于對所述第二濾波圖像執(zhí)行圖像增強，以獲得增強水下圖像；所述特征提取子設(shè)備與所述預(yù)處理子設(shè)備連接，包括圖像分割單元和特征向量識別單元，所述圖像分割單元基于焊縫圖像灰度閾值范圍將所述增強水下圖像中的焊縫目標識別出來以獲得水下焊縫圖像；所述特征向量識別單元與所述圖像分割單元連接，基于所述水下焊縫圖像確定水下焊縫目標的8個幾何特征：歐拉孔數(shù)、圓度、角點數(shù)、凸凹度、光滑度、長徑比、緊密度和主軸角度，并將所述8個幾何特征組成特征向量；所述焊縫類型識別子設(shè)備與所述特征提取子設(shè)備連接，采用8輸入2輸出的單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以水下焊縫目標的8個幾何特征作為輸入層神經(jīng)元，輸出層為水下焊縫類型，所述水下焊縫類型包括常規(guī)類型和無法焊接類型。

所述水下機器人還包括：主控設(shè)備，設(shè)置在所述水下機器人主體上，與所述焊縫類型識別子設(shè)備連接，當接收到所述水下焊縫類型為無法焊接類型時，發(fā)出報警信號，當接收到所述水下焊縫類型為常規(guī)類型時，根據(jù)水下焊縫圖像在水下激光圖像的相對位置確定電焊鉗驅(qū)動信號。

可選地，在所述基于多重濾波處理的水下機器人中：水下電纜，用于將所述主控設(shè)備與水上焊接平臺連接，將所述報警信號發(fā)送到所述水上焊接平臺；所述中值濾波子設(shè)備、所述低通濾波子設(shè)備和所述同態(tài)濾波子設(shè)備分別采用不同的FPGA芯片來實現(xiàn)；所述中值濾波子設(shè)備、所述低通濾波子設(shè)備和所述同態(tài)濾波子設(shè)備被集成在一塊集成電路板上；所述主控設(shè)備為數(shù)字信號處理器，型號為TI公司的DSP芯片。

另外，F(xiàn)PGA(Field－Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場可編程門陣列，他是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。他是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

以硬件描述語言(Verilog或VHDL)所完成的電路設(shè)計，可以經(jīng)過簡單的綜合與布局，快速的燒錄至FPGA上進行測試，是現(xiàn)代IC設(shè)計驗證的技術(shù)主流。這些可編輯元件可以被用來實現(xiàn)一些基本的邏輯門電路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更復(fù)雜一些的組合功能比如解碼器或數(shù)學(xué)方程式。在大多數(shù)的FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器(Flip－flop)或者其他更加完整的記憶塊。系統(tǒng)設(shè)計師可以根據(jù)需要通過可編輯的連接把FPGA內(nèi)部的邏輯塊連接起來，就好像一個電路試驗板被放在了一個芯片里。一個出廠后的成品FPGA的邏輯塊和連接可以按照設(shè)計者而改變，所以FPGA可以完成所需要的邏輯功能。

FPGA一般來說比ASIC(專用集成電路)的速度要慢，實現(xiàn)同樣的功能比ASIC電路面積要大。但是他們也有很多的優(yōu)點比如可以快速成品，可以被修改來改正程序中的錯誤和更便宜的造價。廠商也可能會提供便宜的但是編輯能力差的FPGA。因為這些芯片有比較差的可編輯能力，所以這些設(shè)計的開發(fā)是在普通的FPGA上完成的，然后將設(shè)計轉(zhuǎn)移到一個類似于ASIC的芯片上。另外一種方法是用CPLD(Complex Programmable Logic Device，復(fù)雜可編程邏輯器件)。FPGA的開發(fā)相對于傳統(tǒng)PC、主控設(shè)備的開發(fā)有很大不同。FPGA以并行運算為主，以硬件描述語言來實現(xiàn)；相比于PC或主控設(shè)備(無論是馮諾依曼結(jié)構(gòu)還是哈佛結(jié)構(gòu))的順序操作有很大區(qū)別。

早在1980年代中期，F(xiàn)PGA已經(jīng)在PLD設(shè)備中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相對大數(shù)量的可編輯邏輯單元。CPLD邏輯門的密度在幾千到幾萬個邏輯單元之間，而FPGA通常是在幾萬到幾百萬。CPLD和FPGA的主要區(qū)別是他們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。CPLD是一個有點限制性的結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)由一個或者多個可編輯的結(jié)果之和的邏輯組列和一些相對少量的鎖定的寄存器組成。這樣的結(jié)果是缺乏編輯靈活性，但是卻有可以預(yù)計的延遲時間和邏輯單元對連接單元高比率的優(yōu)點。而FPGA卻是有很多的連接單元，這樣雖然讓他可以更加靈活的編輯，但是結(jié)構(gòu)卻復(fù)雜的多。

采用本發(fā)明的基于多重濾波處理的水下機器人，針對現(xiàn)有技術(shù)中由于水下環(huán)境特殊而造成的難以自動水下焊接的技術(shù)問題，改造了水下機器人和焊接設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)，引入了一系列適應(yīng)水下環(huán)境的有針對性的電子輔助設(shè)備，輔助水下機器人采用焊接設(shè)備自動完成水下焊接工作。

可以理解的是，雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然而上述實施例并非用以限定本發(fā)明。對于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。