海底云台自动清洁系统的设计

【摘要】：海洋约占地球表面积的71%,蕴藏着巨大的能量和资源,与人类生存、可持续发展等息息相关。随着科技的发展,人类通过各种技术手段,加强了对海洋的开发与利用。其中,海底观测网作为一种有效的手段,受到各国关注。然而,海底生物如藓类或牡蛎等会对长期运行的观测网的云台摄像系统进行侵扰,导致摄像系统镜头污染,拍摄图像模糊,无法进行正常的观测活动。为了实现对海底云台摄像系统的有效清洁,本文设计了一套具有自动清洁功能的海底摄像系统,该系统由上位机显示和下位机控制两部分构成。该系统能够对摄像机拍摄的图像质量自动进行评价,当图像质量下降时,驱动清洁刷,对摄像镜头进行清洁,保证图像拍摄的质量。该系统还具有云台运动控制、摄像机焦距调节、视角调整、照明控制、过流保护等功能。本文分析了几种图像质量评价方法,并对这几种方法进行海底摄像图像质量判别试验,采用GSSIM质量评价算法作为系统的实时图像质量评价方法。下位机控制器选用MSP430单片机,通过串行通信,控制清洁刷清洁镜头。为提高通信可靠性,通信模块采用磁耦隔离方式。采用角度检测、过流保护、限位等方式,提高系统安全性。上位机采用工业控制计算机,具有良好的人机交互界面,可以对图像质量进行自动评价。最后,对系统软硬件进行调试。经实验表明,该系统实现了设计功能,能够满足观测的基本要求。 【关键词】：海底云台摄像系统 自动清洁 MSP430单片机 图像质量评价
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P715;TP391.41
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 绪论12-19
• 1.1 背景简述12
• 1.2 国内外的研究现状12-15
• 1.2.1 国外研究现状12-14
• 1.2.2 国内研究现状14-15
• 1.3 海底观测网的组成15-17
• 1.4 课题的提出17
• 1.5 本文主要研究内容17-19
• 第2章 图像质量评价方法19-28
• 2.1 图像质量评价的应用19
• 2.2 图像质量评价方法19-20
• 2.3 常用的全参考评价方法20-27
• 2.3.1 MSE与PSNR20-21
• 2.3.2 SSIM21-24
• 2.3.3 GSSIM24-25
• 2.3.4 方差分布结构相似度25-26
• 2.3.5 兴趣区域法26-27
• 2.5 小结27-28
• 第3章 云台清洁系统功能与硬件设计28-47
• 3.1 系统功能叙述28-29
• 3.1.1 运动控制模块28-29
• 3.1.2 镜头控制模块29
• 3.1.3 辅助功能模块29
• 3.2 设计概述29-30
• 3.3 系统控制器的选择30-31
• 3.4 电机选型31-33
• 3.5 照明设备33-34
• 3.6 摄相机设备34-35
• 3.6.1 摄相机的选型34
• 3.6.2 协议与芯片简述34-35
• 3.6.3 接口电路35
• 3.7 RS-485通信模块35-37
• 3.7.1 RS-485电气特性与隔离芯片简述35-36
• 3.7.2 电路设计36-37
• 3.8 电源模块37-39
• 3.8.1 降压模块37-38
• 3.8.2 基准电压源38-39
• 3.8.3 隔离电源39
• 3.9 行程限位模块39-40
• 3.9.1 霍尔元件简述39
• 3.9.2 行程限位模块的设计39-40
• 3.10 过流保护40-41
• 3.11 复位电路41
• 3.12 电机驱动方案设计41-46
• 3.12.1 H桥电路42-43
• 3.12.2 电机驱动桥路的选择43
• 3.12.3 电机驱动芯片简述43-44
• 3.12.4 驱动电路的设计44-45
• 3.12.5 云台清洁结构设计45-46
• 3.13 小结46-47
• 第4章 系统软件设计47-61
• 4.1 云台协议叙述47
• 4.2 异步通信波特率设定47-49
• 4.3 下位机程序设计49-53
• 4.3.1 系统节能设计49
• 4.3.2 主程序设计49-50
• 4.3.3 串口程序设计50-51
• 4.3.4 定时器与A/D转换程序设计51
• 4.3.5 行程限位与过流保护程序设计51-53
• 4.3.6 调速程序设计53
• 4.4 上位机程序设计53-56
• 4.4.1 串口程序的设计53-54
• 4.4.2 程序设计54-55
• 4.4.3 云台运动与摄像机控制方式的设计55-56
• 4.4.4 电机实时电流显示56
• 4.4.5 自动清洁与手动清洁模式的切换56
• 4.5 算法程序设计56-60
• 4.5.1 图片的截取56
• 4.5.2 图片的转换56-57
• 4.5.3 彩色灰度图像转换57
• 4.5.4 自动清洁的流程57-58
• 4.5.5 质量评价图像算法程序58-60
• 4.6 小结60-61
• 第5章 实验61-75
• 5.1 实验方案61-62
• 5.2 实验平台62-63
• 5.2.1 WORKBENCH62
• 5.2.2 Visual Studio 200862-63
• 5.3 实验方法63-68
• 5.3.1 电源模块调试63
• 5.3.2 云台控制器与上位机通信程序调试63-64
• 5.3.3 电机调速、换向性能调试64
• 5.3.4 云台控制器与摄像机通信调试64-65
• 5.3.5 过流与角度保护调试65-66
• 5.3.6 图像评价方法评价效果测试66-67
• 5.3.7 打压实验67-68
• 5.4 实验结果分析68-74
• 5.4.0 实验结果描述68
• 5.4.1 电机调速数据记录68-69
• 5.4.2 摄像机焦距、倍数调试效果图69-71
• 5.4.3 打压效果图71
• 5.4.4 SSIM评价结果71-72
• 5.4.5 GSSIM评价结果72
• 5.4.6 兴趣区域法评价结果72
• 5.4.7 PSNR评价结果72-73
• 5.4.8 局部区域法评价结果73
• 5.4.9 质量评价方法的选取73-74
• 5.5 小结74-75
• 总结与展望75-77
• 实验结果75-76
• 不足76
• 展望76-77
• 参考文献77-80
• 攻读学位期间公开发表论文80-81
• 致谢81

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