水下云台、水下成像系统及水下机器人的制作方法

本申请涉及水下成像领域，具体而言，涉及一种水下云台、水下成像系统及水下机器人。

背景技术：

水下成像系统是水下电视、水下摄影机等水下光测设备的眼睛。水下云台是安装、固定摄像装置的支撑设备。通常，水下成像系统的外壳都有一个简单而且可靠的玻璃或光学塑料制成的透明的平行平面壳窗或圆形壳窗。壳体预留出空气腔以安置摄像设备。

水下成像系统的光线传播路径为：光-水-壳窗-空气-摄像设备镜头。光经过水-壳窗-空气的交界面时传播服从折射定律。目前水下成像系统因折射率的存在导致成像存在明显的聚焦误差、视场误差及畸变等问题。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种水下云台，其能够改善现有水下成像系统因折射率的存在导致成像存在明显的聚焦误差、视场误差及畸变等技术问题。

第一方面，本申请实施例提供一种水下云台，包括：

壳体，形成有密封腔，所述壳体上设有透明壳窗；

安装机构，设置在所述密封腔内，用于安装成像设备；

所述密封腔内填充有透明液体，所述透明液体的折射率与所述水下云台所处环境中的水的折射率相同或近似。

在上述实现过程中，在密封腔内填充有与水下云台所处环境中的水的折射率相同或近似的透明液体，由于透明液体的折射率与水下云台所处环境中的水的折射率相同或近似，即透明壳窗两侧的折射率相同，则出射光的出射方向和入射光的入射方向平行，且光在水中的传播仅产生一次折射，因而减少摄像装置的成像误差，进而能够改善现有水下成像系统因折射率的存在导致成像存在明显的聚焦误差、视场误差及畸变等技术问题。

在一种可能的实现方案中，所述安装机构包括：

安装杆，与所述壳体固定连接；

z轴转向架，与所述安装杆转动连接；

y轴转向架，与所述z轴转向架转动连接；

x轴转向架，其一端与所述y轴转向架转动连接，另一端用于安装所述成像设备。

在上述实现过程中，x轴转向架、y轴转向架和z轴转向架可使水下云台在x、y、z三个维度中进行转动调节。

在一种可能的实现方案中，所述安装机构还包括防抖机构；

所述防抖机构包括至少一个检测补偿单元；

所述x轴转向架、y轴转向架和z轴转向架中的至少一个上设置所述检测补偿单元，用于对所述水下云台在x、y、z三个维度中的至少一个维度上进行增稳补偿。

在另一种可能的实施方案中，所述检测补偿单元包括：

角度传感器，用于检测其所在转向架偏离标定方向的角度；

驱动器，与所述角度传感器信号连接，用于在接收到角度传感器发送的角度信号后驱动所述转向架转回至所述标定方向。

在上述实现过程中，角度传感器检测其所在的转向架相较于标定方向是否发生角度变化，以及在发生角度变化后确定其角度偏转量，驱动器作用于该转向架并驱动转向架恢复至标定方向，从而实现水下云台在x、y、z三个维度中的至少一个维度实现增稳补偿。

在另一种可能的实施方案中，所述安装机构包括：

安装基座，固定设置在所述壳体内；转盘，配置在所述安装基座上且能够相对所述安装基座转动，用于安装所述成像设备；驱动电机，用于驱动所述转盘转动。

在上述实现过程中，转盘相对安装基座转动360度，可实现成像设备在z维度上自由旋转，转盘上可设置转轴机构，以实现成像设备在x、y两个维度上的旋转。

在一种可能的实施方案中，水下云台还包括推动器，推动器配置在所述壳体上，用于驱动所述壳体移动。

在上述实现过程中，水下平台壳体上设置的推动器，可实现水下平台的自由移动。使水下平台可以作为单独的摄像设备使用。

在一种可能的实施方案中，所述壳窗为平面壳窗或球面壳窗。

所述壳体为球形壳体，所述密封腔为球形空腔或方形空腔；或者

所述壳体为方形壳体，所述密封腔为方形空腔或球形空腔。

在一种可能的实施方案中，所述壳体为透明壳体。

在上述实现过程中，壳体为透明壳体，由于壳体透明，因此该壳体不需单独设置透明壳窗即可实现物品拍摄。同时由于壳体全部透明，因此每个角度均可作为成像设备的壳窗，拓宽了拍摄范围。

在一种可能的实施方案中，所述密封腔的压强大于大气压强。

在上述实现过程中，液体内部压强的特点是液体由内部向各个方向都有压强，且压强随深度的增加而增加。水下云台在水中不同深度作业时，其壳体及密封腔都会受到压强，使密封腔内压强大于大气压腔，可用来平衡下水后的外部水压。水下云台密封腔内压强的数值可根据水平云台作业的水深来调整。

在一种可能的实施方案中，所述透明液体为纯净物或混合物。

在上述实现过程中，透明液体可为纯净化合物，如甲醇或乙醇，也可为多种化合物组成的混合物。

第二方面，本申请实施例还提供了一种水下成像系统，包括如上所述的水下云台和成像设备，所述成像设备安装在所述安装机构上，所述成像设备用于透过所述透明壳窗摄像。

第三方面，本申请实施例还提供了一种水下机器人，包括如上所述的水下成像系统。

在上述实现过程中，本申请中的水下云台在密封腔内填充有与其所处环境中的水的折射率相同或近似的透明液体，使透明壳窗两侧的折射率相同，光在水中的传播仅产生一次折射，减少了摄像装置的成像误差，进而能够改善现有水下成像系统因折射率的存在导致成像存在明显的聚焦误差、视场误差及畸变等技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出的水下成像系统的光线传播路径图；

图2示出了水下成像视场发生变化的光路图；

图3为根据本申请实施例示出的水下云台的结构示意图；

图4示出了本申请实施例示出的安装结构的另一结构示意图。

图标：100-壳体；110-密封腔；200-安装机构；210-安装杆；220-x轴转向架；230-y轴转向架；240-z轴转向架；250-驱动器；260-安装基座；270-转盘；280-驱动电机；290-转轴机构；300-成像设备。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1示出的水下成像系统的光线传播路径图。参见图1，水下成像系统的光线传播路径为：光-水-壳窗-空气-摄像装置镜头。光经过水-玻璃壳窗-空气的交界面时其传播服从折射定律。光自水传播至壳窗，再在壳窗传播至空气，会产生两次折射，参见图2。两次折射对于水下成像系统的成像会产生诸多影响，列举如下：

1、视场误差

由图2可知，平行平面壳窗对物体成像产生放大作用。由于壳窗的放大特性，使得镜头的视场减小，通常水下壳窗折射的结果是使水下成像的视场约减小到原来的三分之一。例如，假设成像系统在陆地上具有130°的视场，结果在水下的视场只有97°，这对于水下需要大视场的应用场合是十分不利的。

2、聚焦误差

光在水下产生的两次折射使镜头的视场角减小，由于物、像空间的视场角不同，即折射的结果使成像物镜的视场角缩小，镜头聚焦的焦点就会前移，从而产生聚焦误差。

3、畸变

在陆地上，平面壳窗对光学成像系统不产生影响，而在水中，光的两次折射使透镜的放大率在整个视场范围内变得不均匀，从而造成枕形失真(正畸变)。枕形失真虽然仅影响像的形状而不影响像的锐度，但对于需要真实反映观测目标的形状的场景时，其存在的误差需要进行校正，进而增加相应的工作量。

本申请的发明人发现，现有水下成像系统成像中存在的各种问题的原因主要是由于光自水传播至壳窗，再在壳窗传播至空气时产生的两次折射。如果将光的折射减少一次，则摄像装置镜头的成像误差则会大大减小，因此发明人创造性地考虑到将云台中的空气腔填充与水下云台所处环境中的水的折射率相同的透明液体，使壳窗两侧的液体的折射率相同，则光在水中的传播仅产生一次折射，减少摄像装置的成像误差。

下面通过具体的实施例对本申请中的水下云台及使用水下云台的相关设备进行详细阐述。

图3为根据本申请实施例示出的水下云台的结构示意图。参见图3，水下云台包括壳体100和用于安装成像设备的安装机构200。壳体100形成有密封腔110，壳体100上设有透明壳窗(图中未示出)。透明壳窗可选用平面壳窗，也可选用球面壳窗。安装机构200设置在密封腔110内。密封腔110内填充有透明液体，透明液体的折射率与水下云台所处环境中的水的折射率相同或近似。

在上述实现过程中，在密封腔110内填充有与水下云台所处环境中的水的折射率相同或近似的透明液体，由于透明液体的折射率与水下云台所处环境中的水的折射率相同或近似，即透明壳窗两侧的折射率相同，则出射光的出射方向和入射光的入射方向平行，且光在水中的传播仅产生一次折射，因而减少摄像装置的成像误差，进而能够改善现有水下成像系统因折射率的存在导致成像存在明显的聚焦误差、视场误差及畸变等技术问题。

需要说明的是，本申请实施例中水下云台的密封腔110为独立密封结构，壳体100用于与外界水环境隔绝。在壳体100内注入的透明液体要求折射率无限接近于水下云台所处环境中的水的折射率(淡水折射率为约为1.3，海水约为1.4)，并具有不导电、抗腐蚀液体(防止结构内电子件短路)、常温下为液态并透明。透明液体可为纯净化合物，如甲醇或乙醇，也可为多种化合物组成的混合物。

在一种可能的实现方案中，参加图3，安装机构200包括安装杆210、x轴转向架220、y轴转向架230和z轴转向架240。其中，安装杆210与壳体100固定连接。z轴转向架240与安装杆210转动连接。y轴转向架230与z轴转向架240转动连接。x轴转向架220的一端与y轴转向架230转动连接，另一端用于安装成像设备。

在上述实现过程中，x轴转向架220、y轴转向架230和z轴转向架240可使水下云台在x、y、z三个维度中进行转动调节。

在一种可能的实现方案中，安装机构200还包括防抖机构。防抖机构包括至少一个检测补偿单元。具体地，x轴转向架220、y轴转向架230或z轴转向架240中的至少一个上设置检测补偿单元。在一种可能的实现方案中，检测补偿单元包括角度传感器(图中未示出)和驱动器250。角度传感器用于检测其所在转向架偏离标定方向的角度。驱动器250与角度传感器信号连接，用于在接收到角度传感器发送的角度信号后驱动转向架转回至标定方向。本申请实施例中的角度传感器包括但不限于陀螺仪、加速计等，凡是能够进行角度位移实现测量的仪器均落入本申请的保护范围。陀螺仪、加速计等进行角度测量的工作原理为本领域的公知技术，此处不再详细赘述。本申请实施例中，驱动器250可选用电机，更进一步地，可采用无刷电机。

在图3所示的水下云台结构中，x轴转向架220、y轴转向架230和z轴转向架240上均设置有检测补偿单元。其中，角度传感器用于检测其所在的转向架相较于标定方向是否发生角度变化，以及在发生角度变化后确定其角度偏转量，作为驱动器250的无刷电机作用于该转向架并驱动转向架恢复至标定方向，从而实现水下云台在x、y、z三个维度上均实现增稳补偿。

需要说明的是，x轴转向架220、y轴转向架230和z轴转向架240可根据实际增稳补偿需求确定是否安装检测补偿单元。同时，因水下平台的密封腔110内为液体填充，运动阻力大于空气阻力，所以作为驱动器250的无刷电机应采用比常规云台所用无刷电机扭力略大的电机选型。

图4示出了本申请实施例示出的安装结构的另一结构示意图。参见图4，安装机构200包括安装基座260、转盘270和驱动电机280。安装基座260固定设置在壳体100内。转盘270配置在安装基座260上且能够相对安装基座260转动，成像设备安装在转盘270上，转盘270上设有用于可使成像设备在x、y两个维度上旋转的转轴机构290。驱动电机280用于驱动转盘270转动。

在上述实现过程中，转盘270相对安装基座260转动360度，可实现成像设备在z维度上自由旋转，转盘270上设置转轴机构290，用于实现成像设备在x、y两个维度上的旋转。

需要说明的是，本申请实施例示出的安装机构200只是示例性的，凡是能够将成像设备安装在壳体100内，并能够使成像设备在x、y、z三个维度中的至少一个维度上实现旋转的安装结构均落入本申请的保护范围。

在一种可能的实施方案中，水下云台还包括推动器。推动器可配置在壳体100上，用于驱动壳体100移动。

通常水下云台多挂载在其他设备上，其他设备具备动力输出装置，水下云台跟随其挂载的设备移动。在上述实现过程中，水下平台的壳体100上设置推动器，则水下平台不需挂载在其他设备上即可实现自由移动，从而可以作为单独的摄像设备使用。

在一种可能的实施方案中，壳体100为球形壳体100，密封腔110为球形空腔或方形空腔。在另一种可能的实施方案中，壳体100为方形壳体100，密封腔110为方形空腔或球形空腔。需要说明的是，壳体100的形状和密封腔110的形状只是示例性的，本申请对两者的形状不做具体限定。

在一种可能的实施方案中，壳体100为透明壳体。

在上述实现过程中，壳体100为透明壳体，由于壳体100透明，因此该壳体100不需单独设置透明壳窗即可实现物品拍摄。同时由于壳体100全部透明，因此每个角度均可作为成像设备的壳窗，拓宽了拍摄范围。

在一种可能的实施方案中，密封腔110的压强大于大气压强。在上述实现过程中，液体内部压强的特点是：液体由内部向各个方向都有压强，且压强随深度的增加而增加。水下云台在水中不同深度作业时，其壳体100及密封腔110都会受到压强，使密封腔110内压强大于大气压腔，可用来平衡下水后的外部水压。水下云台密封腔110内压强的数值可根据水平云台作业的水深来调整。

根据本发明的另一方面，还提供了一种水下成像系统。参见图3，水下成像系统包括如上所述的水下云台和成像设备300，成像设备300安装在安装机构200上，成像设备用于透过透明壳窗摄像。

根据本发明的再一方面，还提供了一种水下机器人，其包括如上所述的水下成像系统。

由以上技术方案可知，本申请中的水下云台在密封腔110内填充有与其所处环境中的水的折射率相同或近似的透明液体，使透明壳窗两侧的折射率相同，光在水中的传播仅产生一次折射，减少了摄像装置的成像误差，进而能够改善现有水下成像系统因折射率的存在导致成像存在明显的聚焦误差、视场误差及畸变等技术问题。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。