一种基于图像识别的自动电缆排布装置及方法

技术领域

本发明涉及水下有缆机器人(ROV)电缆保护及自动收放技术领域，更具体的说，特别涉及一种基于图像识别的自动电缆排布装置及方法。

背景技术

水下遥控机器人(ROV)水下作业时，脐带电缆需要进行实时的收放，特别是在进行区域搜救作业时，由于工作范围较大，为避免电缆挂地缠绕，电缆收放更为频繁，这种频繁的收放会导致电缆表皮的磨损，当遇到复杂水下环境，这种磨损更为严重。

电缆磨损一方面源自与水下障碍物的缠绕、摩擦，另一方面源自收放电缆过程中，排缆不均匀导致电缆间或储缆盘间的相互挤压、刮擦。因此，从提高排缆质量的入手，对与减小电缆的摩擦，提升电缆使用寿命具有非常实际的意义。

ROV脐带电缆存储及收放一般采用电缆绞车，目前大部分电缆绞车的收放缆过程中未着重考虑排缆性能设计，一般采用主缆盘驱动排缆机构、定速比传动、双丝杆传动换向等方式。类似设计由于不能动态感知排缆状态，当电缆绞车收放速度及电缆上张力的突然变化时，会出现漏排、多排，排缆不均导致的出缆口电缆角度过大造成电缆拖拽摩擦等现象，极大的影响电缆的寿命。因此遇到此类状况往往需要人工干预，手动校正排缆状态，严重时还会导致系统停止工作。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种基于图像识别的自动电缆排布装置及方法，无需人工干预，并能够自动实现电缆的均匀排布，极大提升电缆的排布质量，避免因排布不均带来的电缆的损耗，有效提升电缆的使用寿命。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种基于图像识别的自动电缆排布装置，包括驱动机构、主安装框架、摄像机、排缆机构和控制模块；所述主安装框架上设置驱动机构和排缆机构，并位于用于缠绕脐带电缆的主储缆盘的一侧；

所述排缆机构用于对引入的脐带电缆进行换向导引，将其缠绕在主储缆盘上；所述摄像机用于采集排缆机构出缆口、及主储缆盘上的视频数据，并将其传输给控制模块；所述控制模块对接收的视频数据进行图像处理，得到控制信息并将其输出给所述驱动机构；所述驱动机构根据所述控制信息，驱动所述排缆机构沿主储缆盘轴向平行运动。

进一步的，所述驱动机构包括伺服电机和丝杆，所述丝杆设置在所述主安装框架上，所述伺服电机设置在主安装框架的一侧并连接丝杆；所述主安装框架上设置连接丝杆并能进行平移的导缆架。

进一步的，所述驱动机构还包括设置在主安装框架上并连接所述排缆机构的光杆滑轨，其光杆与所述丝杆平行设置。

进一步的，所述排缆机构包括导缆架、换向轮和出缆口导轮，所述导缆架连接所述丝杆和光杆滑轨，所述导缆架上设置有对脐带电缆进行换向的换向轮和进行导引排缆的出缆口导轮。

进一步的，所述摄像机设置在所述导缆架的一侧，并位于所述出缆口导轮的正对面，其镜头正对出缆口导轮的出缆口及主储缆盘，并随出缆口导轮平移运动。

进一步的，所述导缆架上设置有与所述光杆滑轨配合的螺母，并与所述丝杆之间设置直线轴承。

进一步的，所述控制模块包括图像处理及控制单元和电机驱动及控制器，所述图像处理及控制单元接收所述摄像机采集的视频数据，对其进行处理后，将控制信输出给电机驱动及控制器；所述电机驱动及控制器根据所述控制信息控制所述伺服电机工作，带动所述出缆口导轮及摄像机平移。

进一步的，所述主控制模块还包括急停开关，用于在紧急情况时，按下急停开关并通过所述电机驱动及控制器，控制伺服电机停止工作；还包括行程开关，用于检测导缆架往复运动的换向点。

本发明还提供一种基于图像识别的自动电缆排布方法，该方法具体步骤包括如下：

进行初始化，设定初始参数；

排缆装置以设定的参数运行，接收电缆绞车控制器发送的控制信息；

电机驱动及控制器根据所述控制信息，并驱动伺服电机工作，带动导缆架及其上的出缆口导轮和摄像机运动；

换向轮对外部进入电缆绞车的脐带电缆进行换向，出缆口导轮对换向后的脐带电缆进行导引，将其依次缠绕排布在主储缆盘上；

摄像机实时采集脐带电缆排布的视频数据，并将采集的视频数据反馈给图像处理及控制单元；

所述图像处理及控制单元接收所述视频数据，进行图像处理后得到新的控制信息，输出给电机驱动及控制器重新控制其工作。

进一步的，所述图像处理及控制单元进行图像处理的过程包括：

以设定时间间隔从所述视频数据中提取图像帧；

对图像进行预处理，并进行滤波算法处理；

对处理后的图像进行识别，得到脐带电缆信息；

根据所述脐带电缆信息进行判定，在其超出判定标准时，修正初始参数，重新生成控制信息输出给电机驱动及控制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供的自动电缆排布装置，通过摄像机采集脐带电缆的视频数据，通过控制模块对视频数据进行图像处理，并控制驱动机构和排缆机构工作，从而实现对脐带电缆进行自动收放排布，可减小脐带电缆的摩擦损耗，提升脐带电缆的使用寿命，无须人工干预，可大大提升ROV电缆收放装备的智能化程度即降低了其人工依赖程度，降低人力成本，具有较大的推广价值，其整体结构简单、功能可靠也易于实现。

本发明提供的自动电缆排布方法，利用图像识别及处理算法作为主要检测方法，通过对摄像机采集的视频数据进行图像处理，识别其中的电缆信息，并对电缆信息进行判定，修正电机驱动及控制器的控制信息，调整出缆口导轮的位置，以此调整脐带电缆的排布情况，方法简单也可靠，相对于利用其他传感器手段更加精确可靠性，具有较大的实用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为本发明基于图像识别的自动电缆排布装置的结构示意图。

图2为本发明基于图像识别的自动电缆排布装置的局部左视图。

图3为本发明基于图像识别的自动电缆排布方法的流程图。

图4为本发明中图像处理过程的流程图。

附图标记说明如下：1-伺服电机、2-丝杆、3-主安装框架、4-电机驱动及控制器、5-急停开关、6-图像处理及控制单元、7-换向轮、8-导缆架、9-摄像机、10-出缆口导轮、11-行程开关、12-光杆滑轨。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，例如，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中，当元件被称为“固定于”或“安装于”或“设置于”或“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接位于该另一个元件上。例如，当一个元件被称为“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接连接到该另一个元件上。

此外，在本文中提及“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发明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。

本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参阅图1和图2所示，本发明提供一种基于图像识别的自动电缆排布装置，包括驱动机构、主安装框架3、摄像机9、排缆机构和控制模块，外围设备包括电缆绞车、脐带电缆和主储缆盘。所述主安装框架3上设置驱动机构和排缆机构，并位于用于缠绕脐带电缆的主储缆盘的一侧。

所述排缆机构用于对引入的脐带电缆进行换向导出，将其缠绕在主储缆盘上；所述摄像机9用于采集排缆机构出缆口、及主储缆盘上的视频数据，并将其传输给控制模块；所述控制模块对接收的视频数据进行图像处理，得到控制信息并将其输出给所述驱动机构；所述驱动机构根据所述控制信息，驱动所述排缆机构沿主储缆盘轴向平行运动。

本发明实施例中，基于图像识别技术，实时检测收/放电缆过程中，出缆口电缆相对主储缆盘的角度及排布状态，由控制模块控制驱动机构，并通过调整排缆机构的进给速度，保证脐带电缆在主储缆盘上的整齐排布，实现对脐带电缆进行自动收放排布，避免挤压、磨损，也提高了脐带电缆的使用寿命。

具体的，所述主安装框架3位于所述主储缆盘的正上方，方便所述排缆机构对脐带电缆进行换向导出后，蜷曲缠绕储存在主储缆盘上。所述排缆机构由驱动机构进行驱动，仅沿主储缆盘轴向平行往复运动。

进一步的，所述驱动机构包括伺服电机1和丝杆2，所述丝杆2设置在所述主安装框架3上，所述伺服电机1设置在主安装框架3的一侧并连接丝杆2。所述主安装框架3上设置连接丝杆2并能进行平移的导缆架8。通过伺服电机1驱动丝杆2，其速度可以精确控制，以便对排缆机构的位置进行微调。

进一步的，所述驱动机构还包括光杆滑轨12，其设置在主安装框架3上并与所述丝杆2平行设置。所述光杆滑轨12连接所述排缆机构，起导向作用。具体的，所述丝杆2的两侧平行设置两根光杆滑轨12进行导向，能够承受一定的电缆拉力。

进一步的，所述排缆机构包括导缆架8、换向轮7、出缆口导轮10，所述导缆架8连接所述丝杆2和光杆滑轨12，所述导缆架8上设置有换向轮7和出缆口导轮10，所述换向轮7用于对外部引入的脐带电缆进行换向，所述出缆口导轮10用于对换向后的脐带电缆进行导向排缆，使导出后的脐带电缆沿所述主储缆盘的轴向并缠绕在其上。

进一步的，所述导缆架8上设置有与所述光杆滑轨12配合的螺母，并与所述丝杆2之间设置直线轴承，来保证其相互间配合的可靠性。通过所述丝杆2和光杆滑轨12的作用，保证了所述导缆架8能够进行可靠平移。

本发明实施例中，通过设置丝杆2、光杆滑轨12并连接导缆架8，将伺服电机1的转动转换为导缆架8沿光杆滑轨12的直线运动，运动的速度和方向由伺服电机1的转速和转向确定，而伺服电机1的转速及传动比由整个电缆收放系统工作要求来确定。通过设置换向轮7将脐带电缆进行换向，将由外部进入电缆绞车的脐带电缆转换为与主储缆盘基本垂直的方向，方便脐带电缆在主储缆盘上的排布。通过设置出缆口导轮10对进入主储缆盘的脐带电缆进行排布导引，它相对主储缆盘的位置直接决定了排缆的质量，本发明通过调整所述出缆口导轮10的位置，最终来达到脐带电缆均匀排布的目的。

进一步的，所述摄像机9通过支架设置在所述导缆架8的一侧，并位于所述出缆口导轮10的正对面，随出缆口导轮10运动，其镜头正对出缆口导轮10的出缆口及主储缆盘，用于采集出缆口导轮10的出缆口及主储缆盘的视频数据，其安装角度可微调，保证视场能够覆盖出缆口整段电缆，以便能准确、动态观察到脐带电缆在主储缆盘上排缆的情况，并对进入主储缆盘电缆的的角度、位置、排缆的整齐程度进行实时检测。

具体的，所述摄像机9采集的视频数据，通过USB/百兆网接口传输给控制模块，所述控制模块接收所述视频数据并进行处理，控制伺服电机1带动所述导缆架8及出缆口导轮10沿主储缆盘轴向平行往复运动。所述摄像机9也可以采用其他视频图像采集设备采集视频数据，利用图像检测脐带电缆的排布状态。

进一步的，所述控制模块包括图像处理及控制单元6和电机驱动及控制器4，所述图像处理及控制单元6接收所述摄像机9采集的视频数据，对其进行处理后，将控制信输出给电机驱动及控制器4。所述电机驱动及控制器4根据所述控制信息控制所述伺服电机1工作，带动所述出缆口导轮10及摄像机9平移。

进一步的，所述控制模块还包括急停开关5，用于在紧急情况时手动按下急停开关5，并通过所述电机驱动及控制器4，控制伺服电机1停止工作，即切断电源强制停机，避免运行过程中出现故障导致安全问题。

进一步的，所述控制模块还包括行程开关11，用于检测导缆架8往复运动的换向点，同时保证导缆架8不超出运行范围，保证装置工作的可靠性。具体的，所述行程开关11设置在所述主安装框架3上，并与所述导缆架8的位置相对应，方便对所述导缆架8位置进行检测。

具体的，所述图像处理及控制单元6、电机驱动及控制器4和急停开关5可整体集成到一个控制机箱内，并安装在电缆绞车侧面，也可单独安装在电缆绞车侧面。进一步的，所述电机驱动及控制器4可以集成到电缆绞车的控制机箱内，也可以和图像处理及控制单元6集成到一起。所述急停开关5设置于显眼、易操作位置，所述控制机箱应能够满足防水、防雨淋、电磁干扰屏蔽等功能要求。

本发明提供的自动电缆排布装置，其工作原理如下：

当装置开始工作时，电缆绞车控制器发送排线指令给电机驱动及控制器，所述电机驱动及控制器根据所述排线指令驱动排缆机构工作。所述导缆架8带动出缆口导轮10和摄像机9沿一定方向，并以一定的初速度运行，该速度由电缆绞车根据工作情况设定。摄像机9随出缆口导轮10同时运动，开始实时检查出缆口电缆的状态，摄像机9将采集的视频数据输出给图像处理及控制单元6进行处理得到控制信息，所述电机驱动及控制器4根据所述控制信息控制所述伺服电机1工作，带动所述出缆口导轮10及摄像机9平移。

脐带电缆排布过程中，出缆口电缆与主储缆盘的角度始终处于基本垂直状态，主储缆盘同层的每圈脐带电缆均匀有序排列，无缝隙和挤压堆叠。但由于脐带电缆在主储缆盘上动态排放的变化，电缆进/出主储缆盘的角度也会发生变化。当角度变化太大时，会导致主储缆盘上相邻圈脐带电缆的间距发生变化，间距过大会产生缝隙，下层脐带电缆会卡入缝隙并受到挤压；间距过小会导致同层电缆叠加缠绕，这均是非均匀排布的状态。

所述图像处理及控制单元6采用图像识别及处理算法，对摄像头9实时采集的视频数据进行识别，可及时的发现脐带电缆排布角度的变化情况及排布状态，并将识别的结果转化为控制指令，控制电机驱动及控制器4驱动排缆机构，及时调整导缆架8和出缆口导轮10的位置，以改变脐带电缆进/出主储缆盘的角度，以此实现相邻圈脐带电缆的间距控制，达到了均匀排布的目的。

参阅图3所示，本发明还提供一种基于图像识别的自动电缆排布方法，该方法具体步骤包括如下：

步骤S1：进行初始化，设定初始参数。

步骤S2：排缆装置以设定的初始参数运行，接收电缆绞车控制器发送的控制信息。其中，控制信息包含排线指令。

步骤S3：电机驱动及控制器4根据所述控制信息，并驱动伺服电机1工作，带动导缆架8及其上的出缆口导轮10和摄像机9运动。

步骤S4：换向轮7对外部进入电缆绞车的脐带电缆进行换向，出缆口导轮10对换向后的脐带电缆进行导向，将其依次缠绕排布在主储缆盘上。

步骤S5：摄像机9实时采集脐带电缆排布的视频数据，并将采集的视频数据反馈给图像处理及控制单元6。

步骤S6：所述图像处理及控制单元6接收所述视频数据，进行图像处理得到新的控制信息，输出给电机驱动及控制器4，返回步骤S2，重新控制其工作。

进一步的，参阅图4所示，所述图像处理及控制单元6进行图像处理的过程包括：

步骤S61：以设定时间间隔从所述视频数据中提取图像帧，具体的，所设定时间间隔为50ms～100ms。

步骤S62：对图像进行预处理并进行滤波算法处理，可以排除干扰，以提高图像识别的准确性。具体的，所述预处理包括分割裁剪、灰度处理等。

步骤S63：对处理后图像中的目标(即脐带电缆)进行识别，识别得到脐带电缆信息，包括出缆角度、排布状态、外观质量、相邻圈的间距等信息。

步骤S64：根据所述脐带电缆信息进行判定，在其超出判定标准时，修正初始参数，重新生成控制信息输出给电机驱动及控制器4，以此调整出缆口导轮10的位置，以此调整电缆的排布情况。

具体的，根据所得到的脐带电缆信息，并结合已设定的判据标准进行判定，若所述脐带电缆的出缆角度或排布状态不符合要求，即脐带电缆与主储缆盘不处于垂直状态，则修正设定的初始参数，返回步骤S2；若符合要求，则排布装置按初始参数继续工作。

本发明实施例中，由于脐带电缆位置的变化会反馈到摄像机9采集的视频数据中，经图像处理后构成控制信息的反馈，即修正电机驱动及控制器4的控制信息，如此循环执行，以达到出缆口导轮10位置的精确闭环控制，以此调整脐带电缆的排布情况。

本发明实施例的电缆排布装置可与电缆绞车整体集成设计，也可单独集成到一体后，整体安装到电缆绞车上，其具有结构紧凑、适装性好、模块化程度高的特点，适用于水下有缆机器人(ROV)等利用电缆供电或信息传输的水下作业载体。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。