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)器人觀測云臺設(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、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］。但對于傳統(tǒng)的傳感器檢測方式，由于水中濕度大，導(dǎo)致水下機(jī)器人密封艙相對比較潮濕，水浸傳感器檢測探頭可能會發(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到高電平，進(jìn)而發(fā)生誤報(bào)指令，導(dǎo)致檢測失敗。

針對以上問題，對于水下機(jī)器人電子艙密封性監(jiān)測，本文設(shè)計(jì)了一種基于視覺傳感器檢測的漏水檢測方案，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)測結(jié)果可靠，可用于水下機(jī)器人密封艙的漏水檢測。

1 漏水檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于視覺模型的漏水檢測系統(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)測密封艙是否漏水。若水下機(jī)器人運(yùn)行中檢測到試紙變紅，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別到水下載體漏水檢測控制的全過程［9］。首先采集視頻圖像，通過目標(biāo)識別與跟蹤得到目標(biāo)的圖像色彩，借助視覺傳感器顏色識別技術(shù)完成水下機(jī)器人密封艙漏水檢測。由圖3可知，漏水檢測傳感器與水下機(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），使檢測傳感器嵌入主控制器上，以實(shí)現(xiàn)漏水檢測傳感器向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)漏水檢測控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和快速性，設(shè)置檢測傳感器串口輸出“1”時(shí)，表示漏水檢測傳感器檢測到密封艙發(fā)生漏水，即密封艙內(nèi)部滲水導(dǎo)致檢測試紙變紅。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)密封艙檢測系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖3 漏水檢測系統(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，漏水檢測的結(jié)果才更佳。在水下機(jī)器人漏水檢測系統(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象進(jìn)行視覺傳感器目標(biāo)識別的閾值設(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）對應(yīng)三通道的灰度值均為0，反之白色調(diào)（255，255，255）對應(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)

對于本文所設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人密封艙漏水檢測系統(tǒng)，由于識別的目標(biāo)固定，故提前設(shè)定閾值即可檢測目標(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，故可檢測視覺傳感器識別效果；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。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)傳感器的漏水檢測算法程序。

圖6 漏水檢測傳感器目標(biāo)識別

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)器人無法對其進(jìn)行漏水時(shí)密封艙檢測實(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)器人對漏水檢測系統(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傳感器，以確保漏水檢測實(shí)驗(yàn)的安全性。通過實(shí)驗(yàn)測得水下機(jī)器人密封艙漏水檢測系統(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)器人密封艙檢測的目的。

為了證明檢測效果，防止漏水檢測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。通過對兩種狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，說明在密封艙完全密封狀態(tài)下，漏水檢測傳感器輸出結(jié)果正常，不會與漏水時(shí)檢測到的結(jié)果一致，保證了漏水檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，相比傳統(tǒng)傳感器檢測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實(shí)驗(yàn)。

圖7 水下機(jī)器人密封艙漏水檢測實(shí)驗(yàn)

水下機(jī)器人密封艙漏水檢測實(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，表示漏水檢測傳感器檢測到密封艙發(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)的漏水檢測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對水下機(jī)器人密封艙的漏水檢測。

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

通過硬件平臺搭載漏水檢測傳感器，對密封艙進(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)的漏水檢測系統(tǒng)的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。通過對設(shè)計(jì)的漏水檢測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明設(shè)計(jì)的漏水檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對密封艙密封性的檢測，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，這對于水下機(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。