一种基于图像识别技术的深海沉积物取样系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及深海取样技术，旨在提供一种基于图像识别技术的深海沉积物取样系统和方法。该系统包括主控单元、图像采集及识别单元、图像存储单元、照明及摄像单元、传感器单元、驱动单元、执行机构和电源单元；主控单元分别与图像采集及识别单元、照明及摄像单元、传感器单元和驱动单元电连接，图像采集及识别单元分别与照明及摄像单元、图像存储单元电连接，驱动单元与执行机构相连，电源单元为各单元模块供电。本发明专利技术采用机器视觉进行取样器的控制，可以精确的进行取样操作；能够实现对沉积物样品的获取和原位压力的保持，并实现样品到保压转移装置推送的接口设计，实现温度、压力等传感器数据长序列的采集存储，集成沉积物获取后的主动保温功能。主动保温功能。主动保温功能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于图像识别技术的深海沉积物取样系统和方法


[0001]本专利技术涉及深海取样技术，具体涉及一种基于图像识别技术的深海沉积物取样系统和方法。

技术介绍

[0002]深海一般是指深度在1000米以上的海洋，占据了地球海洋总量的75％。深海是一个高压、低温、无光等极端的生态环境，在这样的极端环境中生活的微生物在生存特性方面与地面微生物有很大不同。6000m以下的区域称为深渊，科学家们在这样的海域也发现了生命迹象，在这种极端环境下的生命也受到越来越多的重视，深渊沉积物中含有大量的微生物，其极大的多样性成为了生物天然产物的巨大宝库。过去五十多年来，共发现了大约20000种海洋生物天然产物。其中有许多具有抗肿瘤、抗细胞衰老、抗菌、抗病毒的活性，并且已有几十个海洋抗癌药物进入临床或临床前研究阶段。目前，对于深渊中的生命现象和生命过程的认识非常有限，对深渊生物和基因资源的探索与了解非常不足。通过对可靠的深海沉积物样品的研究，能够深入了解地质历史上的沉积环境，沉积物的工程特性，更好地理解变化着的海洋环境，此外，保压样品可以提供现代医学研究需要的深渊微生物活体。
[0003]现有的基于着陆器的深海取样器，通常是在实时图像显示情况下，由人工操作加机械辅助操作实现深海取样。因此，这对操作人员的控制水平提出了很高的要求。而在进行一些精度较高和操控时间较长的采样工作时，就无法长期保持高水准操控了。特别是对于沉积物取样装置在大深度、无需母船支持、多信号采集、高保真高压、集成图像采集及处理控制等性能指标方面，存在集成度差和完成指标单一的情况。因此，有必要提出更高性能的深海取样系统。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是，针对现有技术中存在的不足，提供一种基于图像识别技术的深海沉积物取样系统和方法。
[0005]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术是通过如下技术方案实现：
[0006]提供一种基于图像识别技术的深海沉积物取样系统，包括主控单元、图像采集及识别单元、图像存储单元、照明及摄像单元、传感器单元、驱动单元、执行机构和电源单元；主控单元分别与图像采集及识别单元、照明及摄像单元、传感器单元和驱动单元电连接，图像采集及识别单元分别与照明及摄像单元、图像存储单元电连接，驱动单元与执行机构相连，电源单元为各单元模块供电；其中，
[0007]主控单元，用于接收传感器单元、图像采集及识别单元传递的数据，并通过驱动单元控制执行机构进行采样；
[0008]图像采集及识别单元，是以可编程的逻辑列阵FPGA方式实现，包括数字图像捕获模块、存储模块、第一帧缓存控制模块(处理前)、实时图像处理模块、第二帧缓存控制模块(处理后)、调试接口模块、通讯模块和SCCB通讯控制模块；其中，数字图像捕获模块、第一帧
缓存控制模块、实时图像处理模块和第二帧缓存控制模块依次电连接，照明及摄像单元中的摄像机分别与数字图像捕获模块、SCCB通讯控制模块电连接；数字图像捕获模块与存储模块之间、第一帧缓存控制模块与帧缓存SDRAM1(处理前)之间、第二帧缓存控制模块与帧缓存SDRAM2(处理后)之间、通讯模块与主控单元之间，各自分别实现电连接；
[0009]图像采集及识别单元从照明及摄像单元获取图像信息，并对执行机构的实时位置信息进行处理分析后反馈给主控单元，由其控制照明及摄像单元、驱动单元的动作，对执行机构的采样行为进行操控。
[0010]本专利技术进一步提供了基于图像识别技术的深海沉积物取样方法，包括：
[0011]照明及摄像单元采集执行机构中采样器的实时位置图像，将数据传送至图像采集及识别单元；图像采集及识别单元进行图像处理后，对图像进行识别以判断执行机构是否达到了预设位置；然后将处理获得的信息与主控单元进行实时交互，由其控制照明及摄像单元、驱动单元的动作，对执行机构的采样行为进行操控；
[0012]其中，图像采集及识别单元的工作流程包括：在上电后，利用SCCB通讯控制模块对照明及摄像单元中的摄像头进行功能配置；通过数字图像捕获模块获取实时的数字图像数据流，缓存到第一帧缓存控制模块，同时通过存储模块对数据进行保存；实时图像处理模块读取第一帧缓存控制模块中的图像数据流并进行处理，处理完后存储到第二帧缓存控制模块；调试接口模块实现对板载程序的下载及其功能的配置；通讯模块负责与主控单元的通讯，主控单元根据实时图像的处理结果向驱动单元发送相应的控制指令，以此操控执行机构的动作；
[0013]在对图像数据流进行处理时，使用水下图像恢复方法对数据进行预处理，得到水下清晰图像；然后将图像输入前期训练模型中，利用像素
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距离转换关系公式对图像中检测采样器顶端位置进行计算和定位，得到执行机构中采样器位置及其伸缩距离的数据。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0015]1、本专利技术采用机器视觉进行取样器的控制，可以精确的进行取样操作。
[0016]2、实现取样装置搭载于万米着陆器对沉积物样品的获取和原位压力的保持，并实现样品到保压转移装置推送的接口设计，实现温度、压力等传感器数据长序列的采集存储，同时集成沉积物获取后的主动保温功能，通过对保压沉积物样品的获取及研究阐述深渊多细胞生物的基因组结构特征及与其共生的微生物之间共同进化机制，建立深渊生物基因资源以及代谢产物的评价和开发体系，为后续的生物资源的开发、利用以及生命体系的建立等工作提供基础。
附图说明
[0017]图1是本专利技术的系统框图；
[0018]图2是本专利技术图像采集及识别单元框图；
[0019]图3是一种示例的执行机构的结构示意图；
[0020]图4是本专利技术的图像识别过程的流程图。
[0021]图中：1
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丝杠；2
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取样活塞；3
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取样连杆；4
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取样筒；5
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取样锥头。
具体实施方式
[0022]首先需要说明的是，本专利技术涉及数据库技术，是计算机技术在数据处理和控制领域的一种应用。在本专利技术的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本专利技术的实现原理和专利技术目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本专利技术。凡本专利技术申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。
[0023]本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本专利技术提供的系统的一部分及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本专利技术提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本专利技术提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于图像识别技术的深海沉积物取样系统，其特征在于，包括主控单元、图像采集及识别单元、图像存储单元、照明及摄像单元、传感器单元、驱动单元、执行机构和电源单元；主控单元分别与图像采集及识别单元、照明及摄像单元、传感器单元和驱动单元电连接，图像采集及识别单元分别与照明及摄像单元、图像存储单元电连接，驱动单元与执行机构相连，电源单元为各单元模块供电；其中，主控单元，用于接收传感器单元、图像采集及识别单元传递的数据，并通过驱动单元控制执行机构进行采样；图像采集及识别单元，是以可编程的逻辑列阵FPGA方式实现，包括数字图像捕获模块、存储模块、第一帧缓存控制模块、实时图像处理模块、第二帧缓存控制模块、调试接口模块、通讯模块和SCCB通讯控制模块；其中，数字图像捕获模块、第一帧缓存控制模块、实时图像处理模块和第二帧缓存控制模块依次电连接，照明及摄像单元中的摄像机分别与数字图像捕获模块、SCCB通讯控制模块电连接；数字图像捕获模块与存储模块之间、第一帧缓存控制模块与帧缓存SDRAM1之间、第二帧缓存控制模块与帧缓存SDRAM2之间、通讯模块与主控单元之间，各自分别实现电连接；图像采集及识别单元从照明及摄像单元获取图像信息，并对执行机构的实时位置信息进行处理分析后反馈给主控单元，由其控制照明及摄像单元、驱动单元的动作，对执行机构的采样行为进行操控。2.根据权利要求1所述的深海沉积物取样系统，其特征在于，所述主控单元包括：主控芯片、模拟量电压/电流信号采集模块、PT100温度采集模块、漏水检测模块、外围继电器驱动模块、RS232通讯模块、RS485通讯模块构成及数据存储模块组成；其中，模拟量电压/电流信号采集模块，用于采集设备外接压力传感器的电压信号，经模数转换后以SPI通讯的方式与主控芯片进行交互；PT100温度采集模块，用于采集设备外接温度传感器，把相应的电压信号反馈给主控芯片；漏水检测模块，用于通过外接100K的电阻元器件，检测取样系统中的设备漏水情况；外围继电器驱动模块，用于控制驱动单元中电机的供电，当电机处于空闲状态时，通过继电器切断电机电源以达到降低整个系统功耗的作用；RS232通讯模块，用于与图像采集及识别单元建立联系，接收图像采集及识别单元反馈的控制指令以驱动电机执行相应动作；RS485通讯模块，用于与驱动单元中的电机实现通讯。3.根据权利要求1所述的深海沉积物取样系统，其特征在于，所述驱动单元包括由步进电机以及电机外壳组成的充油电机；在封闭的电机外壳中充满油液以避免步进电机与水体直接接触，步进电机的输出轴通过丝杠与执行机构中的取样活塞相连。4.根据权利要求1所述的深海沉积物取样系统，其特征在于，所述执行机构是一个筒状的采样器，在其空腔中内置了取样活塞；取样活塞的一端与驱动单元相连，另一端设与采样器同轴布置的取样连杆；在取样连杆的端部设取样锥头，取样锥头上设有环向密封件，能够在取样活塞收回时封闭采样器的开口端，实现样品的采集和保压。5.一种基于图像识别技术的深海沉积物取样方法，其特征在于，该方法是基于权利要求1所述深海沉积物取样系统而实现的；该取样方法包括：
照明及摄像单元采集执行机构中采样器的实时位置图像，将数据传送至图像采集及识别单元；图像采集及识别单元进行图像处理后，对图像进行识别以判断执行机构是否达到了预设位置；然后将处理获得的信息与主控单元进行实时交互，由其控制照明及摄像单元、驱动单元的动作，对执行机构的采样行为进行操控；其中，图像采集及识别单元的工作流程包括：在上电后，利用SCCB通讯控制模块对照明及摄像单元中的摄像头进行功能配置；通过数字图像捕获模块获取实时的数字图像数据流，缓存到第一帧缓存控制模块，同时通过存储模块对数据进行保存；实时图像处理模块读取第一帧缓存控制模块中的图像数据流并进行处理，处理完后存储到第二帧缓存控制模块；调试接口模块实现对板载程序的下载及其功能的配置；通讯模块负责与主控单元的通讯，主控单元根据实时图像的处理结果向驱动单元发送相应的控制指令，以此操控执行机构的动作；在对图像数据流进行处理时，使用水下图像恢复方法对数据进行预处理，得到水下清晰图像；然后将图像输入前期训练模型中，利用像素
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【专利技术属性】
技术研发人员：阮东瑞，陈家旺，葛勇强，蒋吉庆，周朋，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：