應(yīng)用于山溪性河流流速測(cè)量的柔索懸吊機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種針對(duì)傳統(tǒng)浮標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)提出的應(yīng)用于山溪性河流流速測(cè)量的柔索懸吊機(jī)器人，主要是利用柔索懸吊機(jī)器人的攝像機(jī)標(biāo)定方法來改善傳統(tǒng)浮標(biāo)法缺點(diǎn)，采用視頻監(jiān)控技術(shù)對(duì)河流中的天然漂浮物或人工浮標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視，并用立體幾何和攝影測(cè)量學(xué)原理，建立圖像與實(shí)際水面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換模型對(duì)漂浮物進(jìn)行精確跟蹤，確定浮標(biāo)的位置，進(jìn)而計(jì)算出流速。
【背景技術(shù)】
[0002]我國江河眾多，地形復(fù)雜，降雨時(shí)空分布不均，頻繁發(fā)生的洪澇災(zāi)害一直是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重要制約因素。但從近年來我國洪澇災(zāi)害的特點(diǎn)看，災(zāi)害損失的內(nèi)涵和影響發(fā)生了較大變化，山洪災(zāi)害占了較大的比重。隨著山丘區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，山洪災(zāi)害造成的危害愈來愈嚴(yán)重，損失也愈來愈大。山洪災(zāi)害已經(jīng)成為當(dāng)前全國防洪減災(zāi)工作中的突出問題。在山溪性河流中，由于洪水突發(fā)性強(qiáng)、含沙量高，匯流時(shí)間短，暴漲暴落，無法直接照搬已往針對(duì)一般河流的水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。目前，在山溪性河流中，水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)還處于手工測(cè)量、手工分析、人工報(bào)送的相對(duì)較落后狀況。本發(fā)明以實(shí)際工程需求為背景，利用柔索懸吊機(jī)器人的攝像機(jī)標(biāo)定方法，通過實(shí)時(shí)分析、研究河流表面漂浮物的運(yùn)動(dòng)，得出河流表面的運(yùn)動(dòng)速度。無論是對(duì)于自動(dòng)化測(cè)量技術(shù)的提高，還是對(duì)山溪性河流的防洪減災(zāi)，都很有現(xiàn)實(shí)意義，并且對(duì)各個(gè)學(xué)科的進(jìn)步有著較大的促進(jìn)作用，極大的促進(jìn)了各個(gè)學(xué)科的融合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)以上的這些問題，本發(fā)明主要致力于提供一種利用柔索懸吊機(jī)器人做一個(gè)基于圖像處理的山溪性河流流速測(cè)量系統(tǒng)
本機(jī)器人主要利用柔索懸吊機(jī)器人的攝像機(jī)標(biāo)定方法采用視頻監(jiān)控技術(shù)改善傳統(tǒng)浮標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)的固有缺點(diǎn)，做到山溪性河流流速測(cè)量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、人工干預(yù)少。針對(duì)現(xiàn)行山溪性河流測(cè)量中存在的問題，引出基于圖像處理的山溪性河流流速測(cè)量的必要性和預(yù)期到達(dá)的目標(biāo)。利用攝像機(jī)的標(biāo)定方法及針孔攝像機(jī)模型，進(jìn)行參數(shù)的標(biāo)定。針對(duì)山溪性河流的特點(diǎn)及實(shí)時(shí)性的要求，采用連續(xù)幀間差分法對(duì)水面上的運(yùn)動(dòng)漂浮物進(jìn)行分析。最后運(yùn)用卡爾曼預(yù)測(cè)跟蹤法原理，針對(duì)實(shí)驗(yàn)室搭建的山溪性河流的模擬平臺(tái)及基于位置和面積信息的目標(biāo)跟蹤方法，對(duì)多個(gè)水面漂浮物體的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，結(jié)合浮標(biāo)系數(shù)和空間分辨率，得出平均流速。
【附圖說明】
[0004]圖1為三平移自由度柔索懸吊機(jī)器人；
圖2為柔索并聯(lián)機(jī)器人的幾何模型；
圖3為山溪性河流流速測(cè)量柔索懸吊機(jī)器人的示意圖。
[0005]
【具體實(shí)施方式】
[0006]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明
圖1為該發(fā)明系統(tǒng)所用柔索懸吊機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型，在該機(jī)器人系統(tǒng)中，主要包括柔索控制盒、柔索、立柱及末端傳感器。其中傳感器根據(jù)用戶所要監(jiān)測(cè)的量進(jìn)行選擇，柔索由柔索控制盒發(fā)出，通過立柱上的滑輪導(dǎo)入工作空間，并與末端傳感器相連，通過柔索控制盒收放柔索來控制末端傳感器的位置。機(jī)器人有四根立柱，每根立柱上裝有兩個(gè)滑輪，通過滑輪將兩根柔索導(dǎo)入工作空間。并且這兩根柔索、及其與滑輪的兩個(gè)連接點(diǎn)之間的連線、與末端傳感器的兩個(gè)連接點(diǎn)之間的連線共同構(gòu)成了一個(gè)平行四邊形。
[0007]圖2為機(jī)器人系統(tǒng)的幾何模型。首先是設(shè)計(jì)其線路框架即一種能夠進(jìn)行3平移自由度運(yùn)動(dòng)的柔索懸吊機(jī)器人結(jié)構(gòu)；其次，建立系統(tǒng)的幾何模型(圖中pi，p2，p3，p4為四根立柱)，并在末端執(zhí)行器上以建立一個(gè)空間坐標(biāo)x-y-z，進(jìn)而基于平移及幾何分析得到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的解析解;接著將兩根相互平行的柔索的張力和作為一個(gè)變量對(duì)柔索內(nèi)張力分布進(jìn)行優(yōu)化;通過上下兩根平行柔索的內(nèi)張力之間的關(guān)系對(duì)柔索進(jìn)行控制。
[0008]圖3為山溪性河流流速測(cè)量柔索懸吊機(jī)器人的示意圖，機(jī)器人四個(gè)支架固定在山溪性河流的岸邊，機(jī)器人的末端執(zhí)行器搭載著一個(gè)全景攝像頭。在水面上24小時(shí)不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)浮標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)，獲取其運(yùn)動(dòng)的圖像信息，把圖像信息實(shí)時(shí)傳回PC，在基于位置和面積信息的目標(biāo)跟蹤方法處理并經(jīng)過對(duì)圖像實(shí)時(shí)處理，計(jì)算出河流平均流速。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.應(yīng)用于山溪性河流流速測(cè)量的柔索懸吊機(jī)器人的構(gòu)成包括以下幾個(gè)部分:(1)柔索控制盒；(2)柔索；(3)立柱；(4)末端執(zhí)行器(搭載著攝像頭)其特征在于，通過對(duì)末端執(zhí)行器(搭載的攝像頭)在水面上24小時(shí)不間斷運(yùn)動(dòng)，不斷獲取河流中浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)物的圖像信息;然后把圖像信息實(shí)時(shí)傳回PC;經(jīng)過對(duì)圖像實(shí)時(shí)處理，最后通過計(jì)算得出河流流速。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，四根立柱需固定在山溪性河流的河岸兩邊;末端執(zhí)行器必須24小時(shí)實(shí)時(shí)的在水域上方監(jiān)測(cè)獲取浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)物體的圖像信息。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述，同一立柱上的兩根柔索需是平行的；每一根立柱上的兩柔索之間的間距需相同。
【專利摘要】本發(fā)明是一種應(yīng)用于山溪性河流流速測(cè)量的柔索懸吊機(jī)器人，該機(jī)器人的四個(gè)支柱可根據(jù)實(shí)時(shí)情況需要進(jìn)行調(diào)整。機(jī)器人的末端搭載攝像機(jī)必須能實(shí)現(xiàn)全景拍攝，在河流的水面上方不間斷的巡邏，24小時(shí)不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水面上浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)物體，由此準(zhǔn)確地測(cè)量出水位、流速、流量等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)對(duì)山溪性河流的防洪減災(zāi)做出預(yù)警。由于以手工測(cè)量為主的方式往往并不能及時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量出水位、流速、流量等數(shù)據(jù)，因此裝置比起人工監(jiān)測(cè)，增強(qiáng)了應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的能力。
【IPC分類】H04N7/18, G01C13/00
【公開號(hào)】CN105450988
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510773809
【發(fā)明人】梁艷陽, 劉宏偉, 胡長(zhǎng)友
【申請(qǐng)人】西南科技大學(xué)
【公開日】2016年3月30日
【申請(qǐng)日】2015年11月13日