水下機(jī)器人密封電子艙漏水檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱明明，辛紹杰，鄧寅喆

（上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院，上海201306）

水下機(jī)器人具有體積小、安全穩(wěn)定等性能，逐漸成為海洋水文勘探與水下資源探索的重要工具，成為當(dāng)今的熱門研究領(lǐng)域［1］。水下機(jī)器人在水下執(zhí)行工程項(xiàng)目時(shí)，最重要的是保證水下機(jī)器人密封艙的密封性良好，密封艙密封性良好是水下機(jī)器人在水下安全作業(yè)的前提保障。因?yàn)槊芊馀撌撬聶C(jī)器人觀測(cè)云臺(tái)設(shè)備和控制電路的載體，內(nèi)部包含載體控制板、電子羅盤、云臺(tái)、攝像機(jī)、深度傳感器等電子元器件［2-3］。目前用于水下機(jī)器人密封艙漏水檢測(cè)的傳感器多為水浸傳感器、溫濕度傳感器、電壓傳感器等［4-7］。但對(duì)于傳統(tǒng)的傳感器檢測(cè)方式，由于水中濕度大，導(dǎo)致水下機(jī)器人密封艙相對(duì)比較潮濕，水浸傳感器檢測(cè)探頭可能會(huì)發(fā)生誤操作，并且水下溫度基本恒定，變化范圍不明顯，溫濕度傳感器可能無法準(zhǔn)確地檢測(cè)出由于漏水產(chǎn)生的溫度以及濕度變化。而基于電壓傳感器設(shè)計(jì)的漏水檢測(cè)系統(tǒng)，其探頭未觸水時(shí)水下機(jī)器人控制器也有可能檢測(cè)到高電平，進(jìn)而發(fā)生誤報(bào)指令，導(dǎo)致檢測(cè)失敗。

針對(duì)以上問題，對(duì)于水下機(jī)器人電子艙密封性監(jiān)測(cè)，本文設(shè)計(jì)了一種基于視覺傳感器檢測(cè)的漏水檢測(cè)方案，所設(shè)計(jì)方案簡單易實(shí)現(xiàn)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、誤警率低，并且監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠，可用于水下機(jī)器人密封艙的漏水檢測(cè)。

1 漏水檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于視覺模型的漏水檢測(cè)系統(tǒng)，視覺模塊與水下機(jī)器人主控芯片通過UART串口進(jìn)行通信。實(shí)現(xiàn)過程為：首先在密封艙頭尾球罩與筒體的接口處粘住試紙，該試紙遇水變紅；然后在水下機(jī)器人密封艙筒體合適的位置固定放置視覺模塊，保證密封艙頭部、尾部與筒體之間的接口處在攝像機(jī)的視場(chǎng)內(nèi)，通過視覺模塊觀察目標(biāo)，利用視覺處理技術(shù)監(jiān)測(cè)密封艙是否漏水。若水下機(jī)器人運(yùn)行中檢測(cè)到試紙變紅，則密封艙漏水，此時(shí)視覺傳感器UART串口輸出為“1”，主控制器接收數(shù)據(jù)同時(shí)執(zhí)行上浮命令；若UART串口未輸出“1”，則密封艙密封正常，水下機(jī)器人正常執(zhí)行作業(yè)任務(wù)。圖1所示為密封艙體結(jié)構(gòu)圖。圖中，1為壓蓋，2為亞克力半球罩，3為硅膠密封墊圈，4為法蘭，5為O形橡膠密封圈，6為尼龍艙筒體［8］。圖2所示為密封艙筒體貼紙實(shí)物圖。

圖1 密封艙體結(jié)構(gòu)圖

圖2 密封艙筒體貼紙實(shí)物圖

根據(jù)視覺模塊進(jìn)行漏水檢測(cè)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件主要完成從物體圖像采集識(shí)別到水下載體漏水檢測(cè)控制的全過程［9］。首先采集視頻圖像，通過目標(biāo)識(shí)別與跟蹤得到目標(biāo)的圖像色彩，借助視覺傳感器顏色識(shí)別技術(shù)完成水下機(jī)器人密封艙漏水檢測(cè)。由圖3可知，漏水檢測(cè)傳感器與水下機(jī)器人主控制器通過UART串口進(jìn)行通信，通過設(shè)置串口以及波特率（設(shè)置為115200），使檢測(cè)傳感器嵌入主控制器上，以實(shí)現(xiàn)漏水檢測(cè)傳感器向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)漏水檢測(cè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和快速性，設(shè)置檢測(cè)傳感器串口輸出“1”時(shí)，表示漏水檢測(cè)傳感器檢測(cè)到密封艙發(fā)生漏水，即密封艙內(nèi)部滲水導(dǎo)致檢測(cè)試紙變紅。水下機(jī)器人的控制系統(tǒng)以此為控制量形成閉環(huán)，控制水下機(jī)器人繼續(xù)作業(yè)還是立即上浮，達(dá)到漏水檢測(cè)的目的。系統(tǒng)軟件分別運(yùn)行在視覺傳感器和主控制器上，整個(gè)密封艙檢測(cè)系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖3 漏水檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)物圖

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

2 漏水檢測(cè)傳感器顏色分割算法研究

顏色模型在視覺圖像處理的研究領(lǐng)域中，最為常見的是以紅、綠、藍(lán)3個(gè)顏色分量為主色的RGB模型，其顏色模型在三維坐標(biāo)系中用單位正方體表示［10］。而在實(shí)際情況中，會(huì)有多因素導(dǎo)致相近顏色區(qū)域的各分量值出現(xiàn)較大的差別。選取合適的顏色空間模型和分割方法，漏水檢測(cè)的結(jié)果才更佳。在水下機(jī)器人漏水檢測(cè)系統(tǒng)中從視覺角度考慮，LAB顏色空間模型相比RGB顏色空間模型更具有直觀性。因此，本文以LAB顏色空間作為研究對(duì)象進(jìn)行視覺傳感器目標(biāo)識(shí)別的閾值設(shè)定。

2.1 RGB顏色空間模型

顏色模型中紅、綠、藍(lán)3個(gè)原色通道可以組成RGB顏色模型，其中R為紅色、G為綠色、B為藍(lán)色，自然界中的其他顏色可以通過三原色的疊色實(shí)現(xiàn)，其包含了人類視覺所能感知的所有顏色［11］，并且每個(gè)顏色通道都有256個(gè)色階亮度，產(chǎn)生不同的灰度調(diào)。其中黑色調(diào)（0，0，0）對(duì)應(yīng)三通道的灰度值均為0，反之白色調(diào)（255，255，255）對(duì)應(yīng)三通道的灰度值均為255。圖5所示為三維坐標(biāo)系中的空間模型。

圖5 RGB顏色空間模型

2.2 LAB顏色空間

LAB顏色模型色彩空間的色域最寬，理論上包含了人眼所能看到的所有色彩的色彩模式，其每一組色值和一種色彩一一對(duì)應(yīng)［12］，可以將人的視覺感應(yīng)通過數(shù)字化的方式描述出來。相比RGB顏色空間的不同在于其每個(gè)通道既有明度又包含有顏色［13］。LAB是一種獨(dú)特的色彩空間，L、A、B3種參數(shù)可以表示任何一種顏色。其中L取值為［0，100］，用于描述像素的亮度，主要負(fù)責(zé)水下機(jī)器人視覺傳感器采集到的圖片明暗度，即采樣圖片的黑白版；A取值為［127，－128］，表示從紅色到綠色的范圍；B取值為［127，－128］，表示從黃色到藍(lán)色的范圍；A和B共同決定了水下機(jī)器人視覺傳感器采集到的圖片顏色的多少［14］。

2.3 LAB顏色空間轉(zhuǎn)換

為實(shí)現(xiàn)密封艙漏水時(shí)漏水檢測(cè)傳感器采集到的圖像能有效分割，選擇適合的顏色空間。本節(jié)將圖像的RGB非均勻顏色空間轉(zhuǎn)換到LAB均勻顏色空間，實(shí)現(xiàn)顏色空間分割的選擇［15］。由于RGB顏色空間不能直接轉(zhuǎn)換為LAB顏色空間，所以借助XYZ顏色空間，把RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到XYZ顏色空間，然后再把XYZ顏色空間轉(zhuǎn)換到LAB顏色空間。

首先將RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到XYZ顏色空間，如下式所示：

式中：X、Y、Z為RGB顏色空間轉(zhuǎn)XYZ顏色空間后計(jì)算出來的值，變換后的顏色空間使用X，Y，Z為三基色。這樣，每種顏色都可以表示成X，Y，Z的混合，其中：

由 式（1）可 知，其 中 的X=0.4124R+0.3576G+0.1805B，各系數(shù)相加為0.950 5，接近于1。因?yàn)镽GB的取值范圍為［0，255］，若系數(shù)和相加為1，則LAB的取值范圍也在［0，255］，因此等比修改各系數(shù)，即X，Y，Z分別除以0.950 47，1.0，1.088 83，使其系數(shù)和等于1，使XYZ顏色空間和RGB顏色空間在同等范圍內(nèi)映射，然后再將XYZ顏色空間轉(zhuǎn)換到LAB顏色空間，有

式中：L、A、B為最終LAB顏色空間的3個(gè)通道值。

2.4 顏色分割算法實(shí)現(xiàn)

對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人密封艙漏水檢測(cè)系統(tǒng)，由于識(shí)別的目標(biāo)固定，故提前設(shè)定閾值即可檢測(cè)目標(biāo)的變化，判斷密封性能是否良好。圖6所示為視覺傳感器采集到的源圖像以及經(jīng)過顏色分割算法識(shí)別出來的二進(jìn)制圖。圖6（a）為實(shí)驗(yàn)所用水下機(jī)器人的取樣圖，因?yàn)槠浔砻鏋榧t色，故可檢測(cè)視覺傳感器識(shí)別效果；圖6（b）為通過LAB設(shè)定閾值后的效果圖，可見所設(shè)計(jì)的算法能夠?qū)⒓t色與其他顏色分割出來，可將算法用于密封艙筒體所貼的試紙變紅檢測(cè)。表1給出了LAB各通道的最大值和最小值，將設(shè)定好的閾值寫入程序，即可實(shí)現(xiàn)傳感器的漏水檢測(cè)算法程序。

圖6 漏水檢測(cè)傳感器目標(biāo)識(shí)別

表1 LAB閾值取值

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于水下機(jī)器人密封電子艙內(nèi)部含有控制器、攝像機(jī)、云臺(tái)以及各類外設(shè)傳感器等，所以工程作業(yè)型水下機(jī)器人無法對(duì)其進(jìn)行漏水時(shí)密封艙檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。因此，本文在實(shí)驗(yàn)室采用水盆實(shí)驗(yàn)法，以實(shí)驗(yàn)開發(fā)型水下機(jī)器人對(duì)漏水檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，并且簡化密封艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其只含有漏水檢測(cè)傳感器，以確保漏水檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的安全性。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得水下機(jī)器人密封艙漏水檢測(cè)系統(tǒng)效果，表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可達(dá)到應(yīng)用于作業(yè)型水下機(jī)器人密封艙檢測(cè)的目的。

為了證明檢測(cè)效果，防止漏水檢測(cè)傳感器誤操作帶來的影響，分別進(jìn)行了完全密封實(shí)驗(yàn)和漏水實(shí)驗(yàn)。根據(jù)上文設(shè)計(jì)，在漏水實(shí)驗(yàn)中，視覺傳感器串口應(yīng)該輸出“1”，而密封狀態(tài)良好情況下，視覺傳感器無任何輸出結(jié)果。通過對(duì)兩種狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，說明在密封艙完全密封狀態(tài)下，漏水檢測(cè)傳感器輸出結(jié)果正常，不會(huì)與漏水時(shí)檢測(cè)到的結(jié)果一致，保證了漏水檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，相比傳統(tǒng)傳感器檢測(cè)效果而言降低了傳感器誤警率。圖7所示為水下機(jī)器人密封艙漏水檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

圖7 水下機(jī)器人密封艙漏水檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

水下機(jī)器人密封艙漏水檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，在密封艙漏水時(shí)傳感器輸出結(jié)果通過串口顯示輸出為“1”，并且顯示當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)間戳。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，表示漏水檢測(cè)傳感器檢測(cè)到密封艙發(fā)生漏水現(xiàn)象，此時(shí)將結(jié)果傳輸給主控制器，主控制器立即停止水下機(jī)器人當(dāng)下任務(wù)，執(zhí)行上浮指令。在密封艙密封良好時(shí)的實(shí)驗(yàn)輸出結(jié)果如圖9所示，可見密封良好時(shí)串口無任何輸出結(jié)果，此情況表明水下機(jī)器人密封艙無漏水情況發(fā)生。由圖8和圖9可知，本文所設(shè)計(jì)的漏水檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)水下機(jī)器人密封艙的漏水檢測(cè)。

圖8 漏水狀態(tài)的串口輸出結(jié)果

圖9 完全密封狀態(tài)的串口輸出結(jié)果

4 結(jié) 語

通過硬件平臺(tái)搭載漏水檢測(cè)傳感器，對(duì)密封艙進(jìn)行密封良好實(shí)驗(yàn)以及漏水實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的漏水檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。通過對(duì)設(shè)計(jì)的漏水檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明設(shè)計(jì)的漏水檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)密封艙密封性的檢測(cè)，可以用于企業(yè)工程項(xiàng)目型水下機(jī)器人密封電子艙的密封性監(jiān)測(cè)，這對(duì)于水下機(jī)器人在水下復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)的安全性問題又多了一層保障。