一种水下云台自动清洁的方法与系统的制作方法
一种水下云台自动清洁的方法与系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明用于易受污染的深海观测环境，涉及一种水下云台自动清洁方法和系统。
【背景技术】
[0002] 海洋占地球表面积的71%，蕴藏着巨大的能量和资源，并且与人类生存、发展息息 相关，对于海洋的开发与利用具有深远意义。进入21世纪，海底观测网做为一种对海洋开 发的有效方式，备受青睐。
[0003] 然而海洋生物种类繁多，这些海洋生物会对观测网中的摄像云台进行附着、污染， 导致拍摄图像质量下降甚至无法观测。
[0004] 目前对于水下摄像云台的清洁主要采用手工清洁与清洁刷定时清洁的方式。手工 清洁需对摄像云台进行打捞，不仅繁琐而且增加成本。一些云台带有清洁刷，可通过程序， 以定时方式进行清洁，然而这种方式忽视图像质量，当到达清洁时刻，即使图像清晰也会进 行清洁，造成能源浪费。
[0005] 图像质量评价是图像处理领域的一个经典的研究课题，它是通过一系列高效算 法，对图像质量进行评价，得出较符合人眼视觉系统的质量评价结果，具有广泛的应用领 域。图像质量评价可分为：全参考评价方法，部分参考评价方法与无参考质量方法。其中全 参考质量方法最为常用，它是利用图像质量算法对参考图像与实时图像的一些指标进行对 t匕，然后将这些指标进行汇聚，整合，并将整合的数据作为实时图像的质量评价结果。
[0006] 经典的全参考评价方法是峰值信噪比（PSNR)与均方误差法（MSE)，定义为：
[0009] 上式中t (X，y)，f' ^ (X，y)分别表示为参考图像与实时图像第i行，第j列像素 值，Μ为图片每行的像素个数，N为图片每列的像素个数。由上式可知，这种方法对参考图象 与实时图像的像素值进行作差，并对差值进行累加求和，差值越大，图像质量越低，物理意 义明确，计算简单。然而其仅仅是对像素点之间绝对误差的纯数学统计，把图像中所有像素 点做同等对待，没有考虑到像素点间的相关性，不符合人眼视觉系统的感知特性。
[0010] 结构相似度理论（SS頂)，是由WangZhou等人于2004年提出的。该理论认为该理 论认为人眼在观察一幅图像的时候，首先提取的是图像的结构信息。人眼对一幅图像质量 好坏的判断，更多的是对结构信息失真的判断。从高层次上模拟人眼视觉系统的功能，把结 构信息分为亮度1 (X，y)，对比度C (X，y)，结构相似度S (X，y)三部分。1 (X，y)用均值进行估 计，c (X，y)用标准差进行估计，s (X，y)用协方差进行估计。
[0015] SS頂算法考虑了像素之间的关联性，更符合人眼视觉特性。然而，SS頂不能很好 的反映边缘纹理信息，对模糊类型的图像失真，辨别能力较差。
[0016] 针对SS頂的缺陷，杨春玲等人对SS頂进行改进，提出了梯度结构相似度的理论， 该理论认为梯度是一个衡量像素值变化率的算子，能很好反映图像边缘结构信息，将梯度 做为算法的主要成分，能很好的评价模糊失真的图像。
[0020] 上式中Gx(i，j)代表（i，j)处的梯度，
分别反映该点像素值的水平 变化率与坚直变化率，通过以该点为中心的九个点与Sobel算子相乘实现，g(i，j)为图片 像素第i行，第j列处的像素。
[0021] PELC0_D是较为流行的云台控制协议，该协议采用一个数据包的格式传输，所有数 据均采用十六进制，一个命令数据包由7个字节组成，完成对指定地址云台的控制。其缺少 反馈功能，以及复位云台控制器等指令。
[0022] 获取像素通常有三种方法：提取像素法，内存法，提取像素法是利用GetPixel方 法对像素逐一读取，运算速度慢，内存法是获得图像像素的首地址，将整幅图像复制到内存 数组中，快捷高效。
【发明内容】
[0023] 针对水下摄像云台易受污染，且不能高效清洁的问题，本发明提供一种水下云台 自动清洁方法和系统，实现对海底云台的有效清洁。
[0024] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种水下云台自动清洁的方法，包 括以下步骤：
[0025] 1. 1陆地工控机发出云台定位指令，使云台运动到与参考图像拍摄地点一致的拍 摄位置，云台到达后向陆地工控机发送到达反馈信息；
[0026] 1. 2陆地工控机接收到云台到达拍摄位置的反馈信息后，打开照明灯，利用水下摄 像机对图像进行拍摄，做为实时图像；
[0027] 1. 3陆地工控机将实时图像与参考图像进行图像质量评价；
[0028] 1. 4如果图像质量低于设定值，则陆地工控机向云台控制器发送清洁命令；
[0029] 1. 5云台控制器接收控制指令后，驱动清洁刷电机，对镜头进行清洁，清洁完成后 向陆地工控机发送清洁完成信息。
[0030] 所述步骤1. 1包括以下步骤：
[0031] 1. 1. 1云台接收到定位指令后，先进行水平定位：云台控制器通过检测水平角度 电位器的数值，与水平角度预置值进行比较，当误差在预定范围之内，则停止水平定位，否 则继续驱动电机向指定水平位置运动；
[0032] 1. 1.2水平定位实现后，进行坚直定位；云台控制器通过检测坚直角度电位器的 数值，与坚直角度预置值进行比较，当误差在预定范围之内，则停止坚直定位，否则继续驱 动电机向指定坚直位置运动。
[0033] 所述打开照明灯以使实时图像与参考图像背景亮度相一致。
[0034] 所述陆地工控机通过232总线向云台控制器发送遵循PELC0_D及其自定义扩展指 令 。
[0035] 所述图像质量评价应用基于梯度的结构相似度算法实现实时图像与参考图像的 评价。
[0036] 一种水下云台自动清洁的系统，包括：
[0037] 陆地工控机，通过232总线，经由以太网/232信号转换装置，光电转换装置，再经 过485总线，与云台控制器相连，用于接收云台控制器发送的控制命令和云台状态实时值 的反馈；
[0038] 云台控制器，通过232总线与水下摄像机连接，用于调节水下摄像机的焦距、倍 数；
[0039] 水下摄像机，通过数字/以太网信号转换器，经由光电转换装置，再通过视频数据 线与陆地工控机相连，用于实现拍摄图像的上传。
[0040] 所述云台控制器采用陶瓷晶振替代金属壳的石英晶振，选用钽电容代替贴片铝电 解电容。
[0041] 所述云台控制器包括：
[0042] 低功耗单片机，连接角度采集电路、485通讯电路、232通讯电路、电机驱动电路、 过流保护电路、照明驱动电路、电源电路和复位电路连接；
[0043] 角度采集电路，输入端与反映角度的同轴电位器相连，将角度信号转换成电信号， 输出端与低功耗单片机的A/D转换引脚相连，用于采集云台的角度；
[0044] 485通讯电路，数据收发端与低功耗单片机相连，A/B差分端与485总线相连，实现 与陆地工控机的通讯；
[0045] 232通讯电路，一端与低功耗单片机相连，一端与水下摄像机相连，实现摄像机焦 距与倍数的调节；
[0046] 电机驱动电路，输入端与低功耗单片机相连，输出端分别连接坚直、水平运动电机 和清洁刷电机；
[0047] 过流保护电路，输入端与电机驱动芯片电流检测引脚相连，输出端与低功耗单片 机的A/D转换相连，通过A/D转换获取各组电机电流的实时值；
[0048] 照明驱动电路，输入端与低功耗单片机的PWM信号发生引脚相连，输出端与24V水 下照明灯相连，通过PWM调制，实现对光的亮度调节；
[0049] 电源电路，包括，24V转5V电路，5V转3. 3V电路，A/D转换电压基准源电路，隔离 电源电路；
[0050] 复位电路，输入端与3. 3V电源相连，输出端与低功耗单片机相连，用于在电源电 路异常时低功耗单片机的复位。
[0051] 所述的24V转5V输入端与外接24电源引线相连，输出端与所述的5V转3. 3V电 路，为云台控制器，隔离电源提供电能；
[0052] 所述的5V转3. 3V电路输入端与5V电源相连，输出端与所述的低功耗单片机相 连，为低功耗单片机供电；
[0053] 所述A/D转换电压基准源电路，输入端与3. 3V电源相连，输出端与所述的低功耗 单片机，电位器相连，为低功耗单片机提供片外A/D转换基准电压，为电位器提供电能；
[0054] 所述隔离电源输入端与5V电源相连，输入端与485通讯芯片的电源VDD2相连。
[0055] 本发明具有以下优点及有益效果：
[0056] 1、本发明利用工控机对图像质量进行评价，通过图像质量，自动判断镜头是否需 要清洁，并进行相应操作 ，解决了定时清洁的能耗问题。
[0057] 2、本发明选用单片机MSP430作为云台控制器，利用其自身特点，空闲时，关闭 CPU，接收命令后激活CPU，执行指令，执行完毕，继续关闭CPU，极大的降低了能耗。
[0058] 3、本发明采用PWM斩波的方式控制清洁刷电机的速度，当镜头的污染程度较低， 可降低电机两端电压，使电机低速清洁，在保证清洁效果的同时，有效的降低了能耗。
[0059] 4、便于推广。本系统的云台控制器可安装在其它云台中，与普通PC机进行485总 线连接，即可实现对云台的自动清洁。
【附图说明】
[0060] 图1为图像质量评价方法流程图；
[0061] 图2为海底污染实例图；其中（a)淤泥附着图像、(b)生物长满防护罩图像、（c)浮 游生物污染图像、（d)清晰参考图像；
[0062] 图3为摄像头清洁机构示意图；
[0063] 图4为云台控制其主程序与串口流程图；
[0064] 图5为角度，电流转换流程图；
[0065] 图6为系统组成及功能模块图；
[0066] 图7为云台控制电路原理图1 ;
[0067] 图8为云台控制电路原理图2。
【具体实施方式】
[0068] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0069] 如图1所示，水下云台自动清洁方法，方法步骤如下：
[0070] 1. 1陆地工控机发出云台定位指令，使云台运动到指定拍摄位置以保证实时与参 考图像拍摄地点一致。
[0071] 1. 2陆地工控机接收到云台到达指定位置的反馈信息后，打开照明灯，对图像进行 拍摄，做为实时图像。
[0072] 1. 3陆地工控机将实时图像与清晰参考图像，进行图像质量评价运算。
[0073] 1. 4如果图像质量低于系统的设定值，陆地工控机通过485总线向云台控制器发 送清洁命令。
[0074] 1. 5云台控制器接收控制指令后，驱动清洁刷电机，对镜头进行清洁，清洁完成向 陆地工控机发送清洁完成信息。
[0075] 图像质量评价运算应用基于梯度的结构相似度算法（GSS頂）实现实时图像与参 考图像的评价。借鉴华南理工大学一个老师的论文中的算法，这种算法以前局限于理论分 析，本发明是这种算法第一次在实际环境中的应用。.
[0076] 于每天同一时刻对图像进行拍摄，并在拍摄时打开照明灯，保证背景亮度一致，提 高质量评价的准确性。
[0077] 实施例1选用Visual studio C#编写云台控制界面与图像质量评价算法。其主 要优点是，C#是面向对象的编程语言，扩展性强，具有serial port等控件便于串口通讯， 图像处理能力强大，便于图像质量评价。
[0078] 实施例1选用视频服务器提供的控件VPORT SDK的snapshot ()方法对实时图像 进行截取，利用内存法对参考图像与实时图像像素读取并保存在两个像素数组中，将Sobel 水平、垂直算子的9个元素值分别赋给两个数组。公式3,4,8中的Cl，C2, C3分别取6. 5025， 58. 5225,29. 26。将利用公式7,求取某点梯度值，以该点为中心，加上其周围的8个元素， 与存有Sobel水平、垂直算子的数组元素分别对应相乘，再将两个算子的运算结果相加。将 整个图像分为若干个不重叠、大小相同的子块，在每个子快上求像素与梯度的方差、均值、 协方差，利用式3,4,8,9求取GSS頂值，再将各子块的GSS頂值求和取平均得到系统GSS頂 值。当所得的GSS頂值低于系统的设定值时，判定图像质量过低，镜头遭到污染需要清洁， 陆地工控机通过485总线向下发出清洁命令。
[0079] 实施例1中，系统设定值是选取一些污染实例中，污染程度较小的图像，做为系统 的设定。如图2所示，水下云台常见的污染有浮游生物污染，淤泥附着，生物长满镜头等，求 取这些实例的GSS頂值，其中污染较轻的是浮游生物污染，GSS頂值为0. 75,作为系统设定 值。
[0080] 所述的云台定位包括以下步骤：
[0081] 云台接收到定位指令后，先进行水平定位，所述的云台控制通过检测水平角度电 位器的数值，与水平角度预置值进行比较，当误差在1度之内，则停止水平定位，否则继续 驱动电机向指定水平位置运动。
[0082] 水平定位实现后，进行坚直定位，方法与水平定位类似。
[0083] 实施例2选用PELC0_D协议作为云台控制指令，PELC0_D协议本身不带反聩功能， 本实施例，增加反馈的指令，用于云台信息，角度，电流值的反馈。反馈指令由12字节组成， 第一字节为〇xff，校验字节，第二字节为功能字节，0x01表示状态反馈，0x02表示电流，角 度值反馈，状态反馈中，后四字节均为〇xff表示云台到达指定位置，均为0x55表示清洁完 成。电流，角度反馈中，第3,4,5,6,7,8字节表示电流值，第9，10，11，12字节表示角度值。 例如水平，坚直，清洁刷电机电流分别为1. 1A，0. 4A，0. 7A，电机，水平，坚直角度为300度， 则反馈数据为 〇xff，0x02,0x11，0x00,0x04,0x00,0x07,0x00,0x30,0x00,0x30,0x00。
[0084] 如图3所示的清洁结构，包括1.云台主体2.减速机构3.清洁刷4.摄像头，云台 主体1固定不动，通过旋转轴与摄像头连接，利用旋转轴的运动带动摄像头水平与俯仰转 动，云台主体1内部的清洁刷电机，通过减速机构2与清洁刷进行连接，利用电机转动带动 清洁刷运动。初始时刻如图3(a)所示，摄像机进行正常拍摄，清洁时刻，如图3(b)所示，驱 动坚直运动电机，使摄像头运动到坚直极限位置90度，使镜头与清洁刷接触，驱动清洁刷， 对镜头进行清洁，清洁完毕，摄像头回到正常观测位置。
[0085] 如图4所示，所述的云台控制器选用中断机制运行，云台控制器主程序完成系统 时钟配置，串口，A/D转换，I/O引脚，定时器初始化后，进入工作模式1，CPU关闭，。云台控 制器接收到陆地工控机的指令后，进入串口中断，在中断中判断接收数据是否为正确的指 令，指令正确则激活CPU，进入主程序，根据指令内容，完成电机驱动，调速，照明设备驱动， 照相机控制，云台控制器复位，云台定位等操作，完成后，再次关闭CPU，等待下次激活。
[0086] 如图5所示，所述的云台控制器的中断机制方法还包括定时器中断与A/D转换中 断，控制器会每0.2秒进入一次定时器中断，只有当云台运动时，才开启云台角度值转换与 电机电流值转换以降低能耗。A/D转换完成，进入A/D转换中断，在中断中将角度与电流 值反馈给陆地工控机，并判断电流值与角度值是否在安全范围，超出安全范围，立即停机保 护。本实施例中，电流阈值选为略大于电机启动值（1. 2A)的1. 5A，水平角度值选为0-300 度，数值角度值选为-90-90度。
[0087] 角度保护方法包括，运动命令限定，实时检测保护，工控机方面保护。运动命令限 定是只有在云台位于制定角度范围内才执行运动指令，实例检测保护如前所述，工控机方 面保护是工控机根据接收到的超出某一方向角度值时，会将相应方向的控件禁止，用户无 法点击，回到指定范围内后，恢复正常。
[0088] 如图6所示，一种水下云台自动清洁的系统，包括，陆地工控机，云台控制器，水下 摄像机，所述陆地工控机通过232总线，经由以太网/232信号转换装置，光电转换装置，再 经过485总线，与云台控制器相连，实现云台控制命令的发送与云台状态实时值的反馈，所 述的云台控制器通过232总线与水下摄像机，实现摄像机焦距，倍数的调节，所述水下摄像 机通过数字/以太网信号转换器，经由光电转换装置，再通过视频数据线与陆地工控机相 连，实现拍摄图像的上传。
[0089] 如图7与图8所示，所述的云台控制器包括低功耗单片机，角度采集电路，485通讯 电路，232通讯电路，电机驱动电路，过流保护电路，照明驱动电路，电源电路，复位电路。
[0090] 所述的云台控制器位于云台控制仓内，云台控制仓充满氟化液，使仓内压力与海 水平衡，避免云台外壳承受过大压差而损毁，对控制电路器件的耐压强度提出要求，选用高 强度的陶瓷晶振替代金属壳的石英晶振，选用钽电容代替贴片铝电解电容，并进行打压试 验，确保器件可以在高压下正常工作。
[0091] 如图8所示，所述的低功耗单片机701为TI公司的MSP430f247,这款单片机具有 运算快，能耗低的优点，芯片电源电压为1. 8V-3. 3V，在1MHz的时钟运行下，耗电电流在0至 400uA之间，同时具有5种工作模式，可根据需要选择相应模式，关闭相应时钟。
[0092] 如图7所示，所述的角度采集电路607 输入端与反映角度的同轴电位器相连，将角 度信号转换成电信号，输出端与单片机的A/D转换引脚相连，换算后得到角度的实时值。实 施例3选用有源滤波方式，角度跟随器选用SGM8522,该芯片采用轨对轨宽电压输入，最低 电压最低可达2. IV，有效降低功耗。
[0093] 如图8所示，所述的485电路702的数据收发端与单片机相连，A/B差分端与485 总线相连，实现与陆地工控机的通讯，电源监测端PV通过10K上拉电阻与电源相连，防止电 源不稳定对通讯的影响。实施例4选用ADM2483磁耦隔离485通讯芯片，集成度高，又保证 了系统安全。
[0094] 如图7所示，所述的232电路605 -端与单片机相连，一端与水下摄像机相连，实 现摄像机焦距与倍数的调节。通讯协议遵循摄像机所支持的格式，通讯数据均采用ASCII 形式发送，波特率为9600,数据位8位，无校验，指令分别为，焦距变远" ％ FF"，焦距变近 " ％ FN"，停止变焦" ％ FS"，倍数变小" ％ ZT"，倍数变大" ％ ZW"，停止变倍" ％ ZS"。
[0095] 如图8所示，所述的电机驱动电路703输入端与单片机相连，输出端与24V直流电 机相连，一共分为三组，分别控制坚直，水平运动电机，清洁刷电机，实施例5中选用东芝公 司的TB6559桥式驱动芯片，平均电流为1A，可以驱动本实施例中的Μ0Χ0Ν公司的AMAX26的 24V直流电机，其方向控制引脚INI，IN2与单片机相连，实现方向控制，其调速引脚PWM与 单片机PWM信号发生引脚相连，实现电机的调速。电流检测引脚通过5个1欧姆的电阻与 地相连，实现采样电阻与电机的串联，并将电机电流转换成电压形式输出。
[0096] 如图8所示，所述的过流保护电路704,输入端与电机驱动芯片电流检测引脚相 连，输出端与单片机A/D转换相连，通过A/D转换获取各组电机电流的实时值。其中电压放 大芯片选用SGM8522,放大倍数选为7。
[0097] 如图7所示，所述的照明驱动电路606,输入端与单片机的PWM信号发生引脚相连， 输出端与24V水下照明灯相连，通过PWM调制，实现对光的亮度调节。实施例6选用场效应 管 NTD6416AN。
[0098] 如图7所示，所述的电源电路包括，24V转5V电路608, 5V转3. 3V电路602, A/D转 换电压基准源电路603,隔离电源电路601。所述的24V转5V输入端与外接24电源引线相 连，输出端与所述的5V转3. 3V电路，为云台控制器，隔离电源提供电能，所述的5V转3. 3V 电路输入端与5V电源相连，输出端与所述的低功耗单片机相连，为单片机供电，A/D转换电 压基准源电路，输入端与3. 3V电源相连，输出端与所述的低功耗单片机，电位器相连，为单 片机提供片外A/D转换基准电压，为电位器提供电能，隔离电源输入端与5V电源相连，输入 端与485通讯芯片的电源2相连。
[0099] 实施例7选用LM2576做为24V转5V转换芯片，LM1117做为5V转3. 3V转换芯 片，REF191做为电压基准芯片，该芯片精度高，功耗低，温度系数为5ppm/°C，可以提高角度 转换的精度，隔离电源选用金升阳B05-05系列。
[0100] 所述的复位电路604,输入端与3. 3V电源相连，输出端与单片机相连，实现电源异 常时单片机的复位。本实施例选用MAX809。
【主权项】
1. 一种水下云台自动清洁的方法，其特征在于，包括以下步骤： 1. 1陆地工控机发出云台定位指令，使云台运动到与参考图像拍摄地点一致的拍摄位 置，云台到达后向陆地工控机发送到达反馈信息； 1. 2陆地工控机接收到云台到达拍摄位置的反馈信息后，打开照明灯，利用水下摄像机 对图像进行拍摄，做为实时图像； 1. 3陆地工控机将实时图像与参考图像进行图像质量评价； 1. 4如果图像质量低于设定值，则陆地工控机向云台控制器发送清洁命令； 1. 5云台控制器接收控制指令后，驱动清洁刷电机，对镜头进行清洁，清洁完成后向陆 地工控机发送清洁完成信息。2. 根据权利要求1所述的一种水下云台自动清洁的方法，其特征在于，所述步骤1. 1包 括以下步骤： 1. 1. 1云台接收到定位指令后，先进行水平定位：云台控制器通过检测水平角度电位 器的数值，与水平角度预置值进行比较，当误差在预定范围之内，则停止水平定位，否则继 续驱动电机向指定水平位置运动； 1. 1. 2水平定位实现后，进行坚直定位；云台控制器通过检测坚直角度电位器的数值， 与坚直角度预置值进行比较，当误差在预定范围之内，则停止坚直定位，否则继续驱动电机 向指定坚直位置运动。3. 根据权利要求1所述的一种水下云台自动清洁的方法，其特征在于，所述打开照明 灯以使实时图像与参考图像背景亮度相一致。4. 根据权利要求1所述的一种水下云台自动清洁的方法，其特征在于，所述陆地工控 机通过232总线向云台控制器发送遵循PELCO_D及其自定义扩展指令。5. 根据权利要求1所述的一种水下云台自动清洁的方法，其特征在于，所述图像质量 评价应用基于梯度的结构相似度算法实现实时图像与参考图像的评价。6. -种水下云台自动清洁的系统，其特征在于，包括： 陆地工控机，通过232总线，经由以太网/232信号转换装置，光电转换装置，再经过 485总线，与云台控制器相连，用于接收云台控制器发送的控制命令和云台状态实时值的反 馈； 云台控制器，通过232总线与水下摄像机连接，用于调节水下摄像机的焦距、倍数； 水下摄像机，通过数字/以太网信号转换器，经由光电转换装置，再通过视频数据线与 陆地工控机相连，用于实现拍摄图像的上传。7. 根据权利要求6所述的一种水下云台自动清洁的系统，其特征在于，所述云台控制 器采用陶瓷晶振替代金属壳的石英晶振，选用钽电容代替贴片铝电解电容。8. 根据权利要求6或7所述的一种水下云台自动清洁的系统，其特征在于，所述云台控 制器包括： 低功耗单片机，连接角度采集电路、485通讯电路、232通讯电路、电机驱动电路、过流 保护电路、照明驱动电路、电源电路和复位电路连接； 角度米集电路，输入端与反映角度的同轴电位器相连，将角度信号转换成电信号，输出 端与低功耗单片机的A/D转换引脚相连，用于采集云台的角度； 485通讯电路，数据收发端与低功耗单片机相连，A/B差分端与485总线相连，实现与陆 地工控机的通讯； 232通讯电路，一端与低功耗单片机相连，一端与水下摄像机相连，实现摄像机焦距与 倍数的调节； 电机驱动电路，输入端与低功耗单片机相连，输出端分别连接坚直、水平运动电机和清 洁刷电机； 过流保护电路，输入端与电机驱动芯片电流检测引脚相连，输出端与低功耗单片机的A/D转换相连，通过A/D转换获取各组电机电流的实时值； 照明驱动电路，输入端与低功耗单片机的PWM信号发生引脚相连，输出端与24V水下照 明灯相连，通过PWM调制，实现对光的亮度调节； 电源电路，包括，24V转5V电路，5V转3. 3V电路，A/D转换电压基准源电路，隔离电源 电路； 复位电路，输入端与3. 3V电源相连，输出端与低功耗单片机相连，用于在电源电路异 常时低功耗单片机的复位。9.根据权利要求8所述的一种水下云台自动清洁的系统，其特征在于， 所述的24V转5V输入端与外接24电源引线相连，输出端与所述的5V转3. 3V电路，为 云台控制器，隔离电源提供电能； 所述的5V转3. 3V电路输入端与5V电源相连，输出端与所述的低功耗单片机相连，为 低功耗单片机供电； 所述A/D转换电压基准源电路，输入端与3. 3V电源相连，输出端与所述的低功耗单片 机，电位器相连，为低功耗单片机提供片外A/D转换基准电压，为电位器提供电能； 所述隔离电源输入端与5V电源相连，输入端与485通讯芯片的电源VDD2相连。
【专利摘要】本发明提供了一种水下云台自动清洁的方法和系统，系统包括，陆地工控机，云台控制器，水下摄像机。陆地工控机将水下摄像机传送的实时图像截取为静态图像，将实时静态图像与清晰的参考图像进行图像质量评价，得到质量评价指标，将其作为镜头是否污染的依据，当图像质量过低时，则判定镜头受到污染，无法拍摄高质量的图像，需要清洁。陆地工控机会通过232总线向云台控制器发送清洁命令，云台控制器驱动清洁刷电机，对镜头进行清洁。选用这种自动识别镜头污染程度并清洁的方法，有效的解决了水下云台易受污染且手工清洁困难的问题。同时与定时驱动清洁刷方式相比，本方法只有当污染时才进行清洁，有效降低能耗。
【IPC分类】G05B19/042
【公开号】CN105487430
【申请号】CN201410483238
【发明人】李智刚, 武越, 冯迎宾
【申请人】中国科学院沈阳自动化研究所
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年9月19日
【技术领域】
[0001] 本发明用于易受污染的深海观测环境，涉及一种水下云台自动清洁方法和系统。
【背景技术】
[0002] 海洋占地球表面积的71%，蕴藏着巨大的能量和资源，并且与人类生存、发展息息 相关，对于海洋的开发与利用具有深远意义。进入21世纪，海底观测网做为一种对海洋开 发的有效方式，备受青睐。
[0003] 然而海洋生物种类繁多，这些海洋生物会对观测网中的摄像云台进行附着、污染， 导致拍摄图像质量下降甚至无法观测。
[0004] 目前对于水下摄像云台的清洁主要采用手工清洁与清洁刷定时清洁的方式。手工 清洁需对摄像云台进行打捞，不仅繁琐而且增加成本。一些云台带有清洁刷，可通过程序， 以定时方式进行清洁，然而这种方式忽视图像质量，当到达清洁时刻，即使图像清晰也会进 行清洁，造成能源浪费。
[0005] 图像质量评价是图像处理领域的一个经典的研究课题，它是通过一系列高效算 法，对图像质量进行评价，得出较符合人眼视觉系统的质量评价结果，具有广泛的应用领 域。图像质量评价可分为：全参考评价方法，部分参考评价方法与无参考质量方法。其中全 参考质量方法最为常用，它是利用图像质量算法对参考图像与实时图像的一些指标进行对 t匕，然后将这些指标进行汇聚，整合，并将整合的数据作为实时图像的质量评价结果。
[0006] 经典的全参考评价方法是峰值信噪比（PSNR)与均方误差法（MSE)，定义为：
[0009] 上式中t (X，y)，f' ^ (X，y)分别表示为参考图像与实时图像第i行，第j列像素 值，Μ为图片每行的像素个数，N为图片每列的像素个数。由上式可知，这种方法对参考图象 与实时图像的像素值进行作差，并对差值进行累加求和，差值越大，图像质量越低，物理意 义明确，计算简单。然而其仅仅是对像素点之间绝对误差的纯数学统计，把图像中所有像素 点做同等对待，没有考虑到像素点间的相关性，不符合人眼视觉系统的感知特性。
[0010] 结构相似度理论（SS頂)，是由WangZhou等人于2004年提出的。该理论认为该理 论认为人眼在观察一幅图像的时候，首先提取的是图像的结构信息。人眼对一幅图像质量 好坏的判断，更多的是对结构信息失真的判断。从高层次上模拟人眼视觉系统的功能，把结 构信息分为亮度1 (X，y)，对比度C (X，y)，结构相似度S (X，y)三部分。1 (X，y)用均值进行估 计，c (X，y)用标准差进行估计，s (X，y)用协方差进行估计。
[0015] SS頂算法考虑了像素之间的关联性，更符合人眼视觉特性。然而，SS頂不能很好 的反映边缘纹理信息，对模糊类型的图像失真，辨别能力较差。
[0016] 针对SS頂的缺陷，杨春玲等人对SS頂进行改进，提出了梯度结构相似度的理论， 该理论认为梯度是一个衡量像素值变化率的算子，能很好反映图像边缘结构信息，将梯度 做为算法的主要成分，能很好的评价模糊失真的图像。
[0020] 上式中Gx(i，j)代表（i，j)处的梯度，
分别反映该点像素值的水平 变化率与坚直变化率，通过以该点为中心的九个点与Sobel算子相乘实现，g(i，j)为图片 像素第i行，第j列处的像素。
[0021] PELC0_D是较为流行的云台控制协议，该协议采用一个数据包的格式传输，所有数 据均采用十六进制，一个命令数据包由7个字节组成，完成对指定地址云台的控制。其缺少 反馈功能，以及复位云台控制器等指令。
[0022] 获取像素通常有三种方法：提取像素法，内存法，提取像素法是利用GetPixel方 法对像素逐一读取，运算速度慢，内存法是获得图像像素的首地址，将整幅图像复制到内存 数组中，快捷高效。
【发明内容】
[0023] 针对水下摄像云台易受污染，且不能高效清洁的问题，本发明提供一种水下云台 自动清洁方法和系统，实现对海底云台的有效清洁。
[0024] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种水下云台自动清洁的方法，包 括以下步骤：
[0025] 1. 1陆地工控机发出云台定位指令，使云台运动到与参考图像拍摄地点一致的拍 摄位置，云台到达后向陆地工控机发送到达反馈信息；
[0026] 1. 2陆地工控机接收到云台到达拍摄位置的反馈信息后，打开照明灯，利用水下摄 像机对图像进行拍摄，做为实时图像；
[0027] 1. 3陆地工控机将实时图像与参考图像进行图像质量评价；
[0028] 1. 4如果图像质量低于设定值，则陆地工控机向云台控制器发送清洁命令；
[0029] 1. 5云台控制器接收控制指令后，驱动清洁刷电机，对镜头进行清洁，清洁完成后 向陆地工控机发送清洁完成信息。
[0030] 所述步骤1. 1包括以下步骤：
[0031] 1. 1. 1云台接收到定位指令后，先进行水平定位：云台控制器通过检测水平角度 电位器的数值，与水平角度预置值进行比较，当误差在预定范围之内，则停止水平定位，否 则继续驱动电机向指定水平位置运动；
[0032] 1. 1.2水平定位实现后，进行坚直定位；云台控制器通过检测坚直角度电位器的 数值，与坚直角度预置值进行比较，当误差在预定范围之内，则停止坚直定位，否则继续驱 动电机向指定坚直位置运动。
[0033] 所述打开照明灯以使实时图像与参考图像背景亮度相一致。
[0034] 所述陆地工控机通过232总线向云台控制器发送遵循PELC0_D及其自定义扩展指 令 。
[0035] 所述图像质量评价应用基于梯度的结构相似度算法实现实时图像与参考图像的 评价。
[0036] 一种水下云台自动清洁的系统，包括：
[0037] 陆地工控机，通过232总线，经由以太网/232信号转换装置，光电转换装置，再经 过485总线，与云台控制器相连，用于接收云台控制器发送的控制命令和云台状态实时值 的反馈；
[0038] 云台控制器，通过232总线与水下摄像机连接，用于调节水下摄像机的焦距、倍 数；
[0039] 水下摄像机，通过数字/以太网信号转换器，经由光电转换装置，再通过视频数据 线与陆地工控机相连，用于实现拍摄图像的上传。
[0040] 所述云台控制器采用陶瓷晶振替代金属壳的石英晶振，选用钽电容代替贴片铝电 解电容。
[0041] 所述云台控制器包括：
[0042] 低功耗单片机，连接角度采集电路、485通讯电路、232通讯电路、电机驱动电路、 过流保护电路、照明驱动电路、电源电路和复位电路连接；
[0043] 角度采集电路，输入端与反映角度的同轴电位器相连，将角度信号转换成电信号， 输出端与低功耗单片机的A/D转换引脚相连，用于采集云台的角度；
[0044] 485通讯电路，数据收发端与低功耗单片机相连，A/B差分端与485总线相连，实现 与陆地工控机的通讯；
[0045] 232通讯电路，一端与低功耗单片机相连，一端与水下摄像机相连，实现摄像机焦 距与倍数的调节；
[0046] 电机驱动电路，输入端与低功耗单片机相连，输出端分别连接坚直、水平运动电机 和清洁刷电机；
[0047] 过流保护电路，输入端与电机驱动芯片电流检测引脚相连，输出端与低功耗单片 机的A/D转换相连，通过A/D转换获取各组电机电流的实时值；
[0048] 照明驱动电路，输入端与低功耗单片机的PWM信号发生引脚相连，输出端与24V水 下照明灯相连，通过PWM调制，实现对光的亮度调节；
[0049] 电源电路，包括，24V转5V电路，5V转3. 3V电路，A/D转换电压基准源电路，隔离 电源电路；
[0050] 复位电路，输入端与3. 3V电源相连，输出端与低功耗单片机相连，用于在电源电 路异常时低功耗单片机的复位。
[0051] 所述的24V转5V输入端与外接24电源引线相连，输出端与所述的5V转3. 3V电 路，为云台控制器，隔离电源提供电能；
[0052] 所述的5V转3. 3V电路输入端与5V电源相连，输出端与所述的低功耗单片机相 连，为低功耗单片机供电；
[0053] 所述A/D转换电压基准源电路，输入端与3. 3V电源相连，输出端与所述的低功耗 单片机，电位器相连，为低功耗单片机提供片外A/D转换基准电压，为电位器提供电能；
[0054] 所述隔离电源输入端与5V电源相连，输入端与485通讯芯片的电源VDD2相连。
[0055] 本发明具有以下优点及有益效果：
[0056] 1、本发明利用工控机对图像质量进行评价，通过图像质量，自动判断镜头是否需 要清洁，并进行相应操作 ，解决了定时清洁的能耗问题。
[0057] 2、本发明选用单片机MSP430作为云台控制器，利用其自身特点，空闲时，关闭 CPU，接收命令后激活CPU，执行指令，执行完毕，继续关闭CPU，极大的降低了能耗。
[0058] 3、本发明采用PWM斩波的方式控制清洁刷电机的速度，当镜头的污染程度较低， 可降低电机两端电压，使电机低速清洁，在保证清洁效果的同时，有效的降低了能耗。
[0059] 4、便于推广。本系统的云台控制器可安装在其它云台中，与普通PC机进行485总 线连接，即可实现对云台的自动清洁。
【附图说明】
[0060] 图1为图像质量评价方法流程图；
[0061] 图2为海底污染实例图；其中（a)淤泥附着图像、(b)生物长满防护罩图像、（c)浮 游生物污染图像、（d)清晰参考图像；
[0062] 图3为摄像头清洁机构示意图；
[0063] 图4为云台控制其主程序与串口流程图；
[0064] 图5为角度，电流转换流程图；
[0065] 图6为系统组成及功能模块图；
[0066] 图7为云台控制电路原理图1 ;
[0067] 图8为云台控制电路原理图2。
【具体实施方式】
[0068] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0069] 如图1所示，水下云台自动清洁方法，方法步骤如下：
[0070] 1. 1陆地工控机发出云台定位指令，使云台运动到指定拍摄位置以保证实时与参 考图像拍摄地点一致。
[0071] 1. 2陆地工控机接收到云台到达指定位置的反馈信息后，打开照明灯，对图像进行 拍摄，做为实时图像。
[0072] 1. 3陆地工控机将实时图像与清晰参考图像，进行图像质量评价运算。
[0073] 1. 4如果图像质量低于系统的设定值，陆地工控机通过485总线向云台控制器发 送清洁命令。
[0074] 1. 5云台控制器接收控制指令后，驱动清洁刷电机，对镜头进行清洁，清洁完成向 陆地工控机发送清洁完成信息。
[0075] 图像质量评价运算应用基于梯度的结构相似度算法（GSS頂）实现实时图像与参 考图像的评价。借鉴华南理工大学一个老师的论文中的算法，这种算法以前局限于理论分 析，本发明是这种算法第一次在实际环境中的应用。.
[0076] 于每天同一时刻对图像进行拍摄，并在拍摄时打开照明灯，保证背景亮度一致，提 高质量评价的准确性。
[0077] 实施例1选用Visual studio C#编写云台控制界面与图像质量评价算法。其主 要优点是，C#是面向对象的编程语言，扩展性强，具有serial port等控件便于串口通讯， 图像处理能力强大，便于图像质量评价。
[0078] 实施例1选用视频服务器提供的控件VPORT SDK的snapshot ()方法对实时图像 进行截取，利用内存法对参考图像与实时图像像素读取并保存在两个像素数组中，将Sobel 水平、垂直算子的9个元素值分别赋给两个数组。公式3,4,8中的Cl，C2, C3分别取6. 5025， 58. 5225,29. 26。将利用公式7,求取某点梯度值，以该点为中心，加上其周围的8个元素， 与存有Sobel水平、垂直算子的数组元素分别对应相乘，再将两个算子的运算结果相加。将 整个图像分为若干个不重叠、大小相同的子块，在每个子快上求像素与梯度的方差、均值、 协方差，利用式3,4,8,9求取GSS頂值，再将各子块的GSS頂值求和取平均得到系统GSS頂 值。当所得的GSS頂值低于系统的设定值时，判定图像质量过低，镜头遭到污染需要清洁， 陆地工控机通过485总线向下发出清洁命令。
[0079] 实施例1中，系统设定值是选取一些污染实例中，污染程度较小的图像，做为系统 的设定。如图2所示，水下云台常见的污染有浮游生物污染，淤泥附着，生物长满镜头等，求 取这些实例的GSS頂值，其中污染较轻的是浮游生物污染，GSS頂值为0. 75,作为系统设定 值。
[0080] 所述的云台定位包括以下步骤：
[0081] 云台接收到定位指令后，先进行水平定位，所述的云台控制通过检测水平角度电 位器的数值，与水平角度预置值进行比较，当误差在1度之内，则停止水平定位，否则继续 驱动电机向指定水平位置运动。
[0082] 水平定位实现后，进行坚直定位，方法与水平定位类似。
[0083] 实施例2选用PELC0_D协议作为云台控制指令，PELC0_D协议本身不带反聩功能， 本实施例，增加反馈的指令，用于云台信息，角度，电流值的反馈。反馈指令由12字节组成， 第一字节为〇xff，校验字节，第二字节为功能字节，0x01表示状态反馈，0x02表示电流，角 度值反馈，状态反馈中，后四字节均为〇xff表示云台到达指定位置，均为0x55表示清洁完 成。电流，角度反馈中，第3,4,5,6,7,8字节表示电流值，第9，10，11，12字节表示角度值。 例如水平，坚直，清洁刷电机电流分别为1. 1A，0. 4A，0. 7A，电机，水平，坚直角度为300度， 则反馈数据为 〇xff，0x02,0x11，0x00,0x04,0x00,0x07,0x00,0x30,0x00,0x30,0x00。
[0084] 如图3所示的清洁结构，包括1.云台主体2.减速机构3.清洁刷4.摄像头，云台 主体1固定不动，通过旋转轴与摄像头连接，利用旋转轴的运动带动摄像头水平与俯仰转 动，云台主体1内部的清洁刷电机，通过减速机构2与清洁刷进行连接，利用电机转动带动 清洁刷运动。初始时刻如图3(a)所示，摄像机进行正常拍摄，清洁时刻，如图3(b)所示，驱 动坚直运动电机，使摄像头运动到坚直极限位置90度，使镜头与清洁刷接触，驱动清洁刷， 对镜头进行清洁，清洁完毕，摄像头回到正常观测位置。
[0085] 如图4所示，所述的云台控制器选用中断机制运行，云台控制器主程序完成系统 时钟配置，串口，A/D转换，I/O引脚，定时器初始化后，进入工作模式1，CPU关闭，。云台控 制器接收到陆地工控机的指令后，进入串口中断，在中断中判断接收数据是否为正确的指 令，指令正确则激活CPU，进入主程序，根据指令内容，完成电机驱动，调速，照明设备驱动， 照相机控制，云台控制器复位，云台定位等操作，完成后，再次关闭CPU，等待下次激活。
[0086] 如图5所示，所述的云台控制器的中断机制方法还包括定时器中断与A/D转换中 断，控制器会每0.2秒进入一次定时器中断，只有当云台运动时，才开启云台角度值转换与 电机电流值转换以降低能耗。A/D转换完成，进入A/D转换中断，在中断中将角度与电流 值反馈给陆地工控机，并判断电流值与角度值是否在安全范围，超出安全范围，立即停机保 护。本实施例中，电流阈值选为略大于电机启动值（1. 2A)的1. 5A，水平角度值选为0-300 度，数值角度值选为-90-90度。
[0087] 角度保护方法包括，运动命令限定，实时检测保护，工控机方面保护。运动命令限 定是只有在云台位于制定角度范围内才执行运动指令，实例检测保护如前所述，工控机方 面保护是工控机根据接收到的超出某一方向角度值时，会将相应方向的控件禁止，用户无 法点击，回到指定范围内后，恢复正常。
[0088] 如图6所示，一种水下云台自动清洁的系统，包括，陆地工控机，云台控制器，水下 摄像机，所述陆地工控机通过232总线，经由以太网/232信号转换装置，光电转换装置，再 经过485总线，与云台控制器相连，实现云台控制命令的发送与云台状态实时值的反馈，所 述的云台控制器通过232总线与水下摄像机，实现摄像机焦距，倍数的调节，所述水下摄像 机通过数字/以太网信号转换器，经由光电转换装置，再通过视频数据线与陆地工控机相 连，实现拍摄图像的上传。
[0089] 如图7与图8所示，所述的云台控制器包括低功耗单片机，角度采集电路，485通讯 电路，232通讯电路，电机驱动电路，过流保护电路，照明驱动电路，电源电路，复位电路。
[0090] 所述的云台控制器位于云台控制仓内，云台控制仓充满氟化液，使仓内压力与海 水平衡，避免云台外壳承受过大压差而损毁，对控制电路器件的耐压强度提出要求，选用高 强度的陶瓷晶振替代金属壳的石英晶振，选用钽电容代替贴片铝电解电容，并进行打压试 验，确保器件可以在高压下正常工作。
[0091] 如图8所示，所述的低功耗单片机701为TI公司的MSP430f247,这款单片机具有 运算快，能耗低的优点，芯片电源电压为1. 8V-3. 3V，在1MHz的时钟运行下，耗电电流在0至 400uA之间，同时具有5种工作模式，可根据需要选择相应模式，关闭相应时钟。
[0092] 如图7所示，所述的角度采集电路607 输入端与反映角度的同轴电位器相连，将角 度信号转换成电信号，输出端与单片机的A/D转换引脚相连，换算后得到角度的实时值。实 施例3选用有源滤波方式，角度跟随器选用SGM8522,该芯片采用轨对轨宽电压输入，最低 电压最低可达2. IV，有效降低功耗。
[0093] 如图8所示，所述的485电路702的数据收发端与单片机相连，A/B差分端与485 总线相连，实现与陆地工控机的通讯，电源监测端PV通过10K上拉电阻与电源相连，防止电 源不稳定对通讯的影响。实施例4选用ADM2483磁耦隔离485通讯芯片，集成度高，又保证 了系统安全。
[0094] 如图7所示，所述的232电路605 -端与单片机相连，一端与水下摄像机相连，实 现摄像机焦距与倍数的调节。通讯协议遵循摄像机所支持的格式，通讯数据均采用ASCII 形式发送，波特率为9600,数据位8位，无校验，指令分别为，焦距变远" ％ FF"，焦距变近 " ％ FN"，停止变焦" ％ FS"，倍数变小" ％ ZT"，倍数变大" ％ ZW"，停止变倍" ％ ZS"。
[0095] 如图8所示，所述的电机驱动电路703输入端与单片机相连，输出端与24V直流电 机相连，一共分为三组，分别控制坚直，水平运动电机，清洁刷电机，实施例5中选用东芝公 司的TB6559桥式驱动芯片，平均电流为1A，可以驱动本实施例中的Μ0Χ0Ν公司的AMAX26的 24V直流电机，其方向控制引脚INI，IN2与单片机相连，实现方向控制，其调速引脚PWM与 单片机PWM信号发生引脚相连，实现电机的调速。电流检测引脚通过5个1欧姆的电阻与 地相连，实现采样电阻与电机的串联，并将电机电流转换成电压形式输出。
[0096] 如图8所示，所述的过流保护电路704,输入端与电机驱动芯片电流检测引脚相 连，输出端与单片机A/D转换相连，通过A/D转换获取各组电机电流的实时值。其中电压放 大芯片选用SGM8522,放大倍数选为7。
[0097] 如图7所示，所述的照明驱动电路606,输入端与单片机的PWM信号发生引脚相连， 输出端与24V水下照明灯相连，通过PWM调制，实现对光的亮度调节。实施例6选用场效应 管 NTD6416AN。
[0098] 如图7所示，所述的电源电路包括，24V转5V电路608, 5V转3. 3V电路602, A/D转 换电压基准源电路603,隔离电源电路601。所述的24V转5V输入端与外接24电源引线相 连，输出端与所述的5V转3. 3V电路，为云台控制器，隔离电源提供电能，所述的5V转3. 3V 电路输入端与5V电源相连，输出端与所述的低功耗单片机相连，为单片机供电，A/D转换电 压基准源电路，输入端与3. 3V电源相连，输出端与所述的低功耗单片机，电位器相连，为单 片机提供片外A/D转换基准电压，为电位器提供电能，隔离电源输入端与5V电源相连，输入 端与485通讯芯片的电源2相连。
[0099] 实施例7选用LM2576做为24V转5V转换芯片，LM1117做为5V转3. 3V转换芯 片，REF191做为电压基准芯片，该芯片精度高，功耗低，温度系数为5ppm/°C，可以提高角度 转换的精度，隔离电源选用金升阳B05-05系列。
[0100] 所述的复位电路604,输入端与3. 3V电源相连，输出端与单片机相连，实现电源异 常时单片机的复位。本实施例选用MAX809。
【主权项】
1. 一种水下云台自动清洁的方法，其特征在于，包括以下步骤： 1. 1陆地工控机发出云台定位指令，使云台运动到与参考图像拍摄地点一致的拍摄位 置，云台到达后向陆地工控机发送到达反馈信息； 1. 2陆地工控机接收到云台到达拍摄位置的反馈信息后，打开照明灯，利用水下摄像机 对图像进行拍摄，做为实时图像； 1. 3陆地工控机将实时图像与参考图像进行图像质量评价； 1. 4如果图像质量低于设定值，则陆地工控机向云台控制器发送清洁命令； 1. 5云台控制器接收控制指令后，驱动清洁刷电机，对镜头进行清洁，清洁完成后向陆 地工控机发送清洁完成信息。2. 根据权利要求1所述的一种水下云台自动清洁的方法，其特征在于，所述步骤1. 1包 括以下步骤： 1. 1. 1云台接收到定位指令后，先进行水平定位：云台控制器通过检测水平角度电位 器的数值，与水平角度预置值进行比较，当误差在预定范围之内，则停止水平定位，否则继 续驱动电机向指定水平位置运动； 1. 1. 2水平定位实现后，进行坚直定位；云台控制器通过检测坚直角度电位器的数值， 与坚直角度预置值进行比较，当误差在预定范围之内，则停止坚直定位，否则继续驱动电机 向指定坚直位置运动。3. 根据权利要求1所述的一种水下云台自动清洁的方法，其特征在于，所述打开照明 灯以使实时图像与参考图像背景亮度相一致。4. 根据权利要求1所述的一种水下云台自动清洁的方法，其特征在于，所述陆地工控 机通过232总线向云台控制器发送遵循PELCO_D及其自定义扩展指令。5. 根据权利要求1所述的一种水下云台自动清洁的方法，其特征在于，所述图像质量 评价应用基于梯度的结构相似度算法实现实时图像与参考图像的评价。6. -种水下云台自动清洁的系统，其特征在于，包括： 陆地工控机，通过232总线，经由以太网/232信号转换装置，光电转换装置，再经过 485总线，与云台控制器相连，用于接收云台控制器发送的控制命令和云台状态实时值的反 馈； 云台控制器，通过232总线与水下摄像机连接，用于调节水下摄像机的焦距、倍数； 水下摄像机，通过数字/以太网信号转换器，经由光电转换装置，再通过视频数据线与 陆地工控机相连，用于实现拍摄图像的上传。7. 根据权利要求6所述的一种水下云台自动清洁的系统，其特征在于，所述云台控制 器采用陶瓷晶振替代金属壳的石英晶振，选用钽电容代替贴片铝电解电容。8. 根据权利要求6或7所述的一种水下云台自动清洁的系统，其特征在于，所述云台控 制器包括： 低功耗单片机，连接角度采集电路、485通讯电路、232通讯电路、电机驱动电路、过流 保护电路、照明驱动电路、电源电路和复位电路连接； 角度米集电路，输入端与反映角度的同轴电位器相连，将角度信号转换成电信号，输出 端与低功耗单片机的A/D转换引脚相连，用于采集云台的角度； 485通讯电路，数据收发端与低功耗单片机相连，A/B差分端与485总线相连，实现与陆 地工控机的通讯； 232通讯电路，一端与低功耗单片机相连，一端与水下摄像机相连，实现摄像机焦距与 倍数的调节； 电机驱动电路，输入端与低功耗单片机相连，输出端分别连接坚直、水平运动电机和清 洁刷电机； 过流保护电路，输入端与电机驱动芯片电流检测引脚相连，输出端与低功耗单片机的A/D转换相连，通过A/D转换获取各组电机电流的实时值； 照明驱动电路，输入端与低功耗单片机的PWM信号发生引脚相连，输出端与24V水下照 明灯相连，通过PWM调制，实现对光的亮度调节； 电源电路，包括，24V转5V电路，5V转3. 3V电路，A/D转换电压基准源电路，隔离电源 电路； 复位电路，输入端与3. 3V电源相连，输出端与低功耗单片机相连，用于在电源电路异 常时低功耗单片机的复位。9.根据权利要求8所述的一种水下云台自动清洁的系统，其特征在于， 所述的24V转5V输入端与外接24电源引线相连，输出端与所述的5V转3. 3V电路，为 云台控制器，隔离电源提供电能； 所述的5V转3. 3V电路输入端与5V电源相连，输出端与所述的低功耗单片机相连，为 低功耗单片机供电； 所述A/D转换电压基准源电路，输入端与3. 3V电源相连，输出端与所述的低功耗单片 机，电位器相连，为低功耗单片机提供片外A/D转换基准电压，为电位器提供电能； 所述隔离电源输入端与5V电源相连，输入端与485通讯芯片的电源VDD2相连。
【专利摘要】本发明提供了一种水下云台自动清洁的方法和系统，系统包括，陆地工控机，云台控制器，水下摄像机。陆地工控机将水下摄像机传送的实时图像截取为静态图像，将实时静态图像与清晰的参考图像进行图像质量评价，得到质量评价指标，将其作为镜头是否污染的依据，当图像质量过低时，则判定镜头受到污染，无法拍摄高质量的图像，需要清洁。陆地工控机会通过232总线向云台控制器发送清洁命令，云台控制器驱动清洁刷电机，对镜头进行清洁。选用这种自动识别镜头污染程度并清洁的方法，有效的解决了水下云台易受污染且手工清洁困难的问题。同时与定时驱动清洁刷方式相比，本方法只有当污染时才进行清洁，有效降低能耗。
【IPC分类】G05B19/042
【公开号】CN105487430
【申请号】CN201410483238
【发明人】李智刚, 武越, 冯迎宾
【申请人】中国科学院沈阳自动化研究所
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年9月19日
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