本发明专利技术提供了一种水下增强现实穿戴机器人元宇宙系统及方法,其中弹性束身带用来将系统穿戴在潜水员身上,惯性传感器用来解算游动轨迹,光学相机用来采集水下图像数据,高性能嵌入式处理利器用来处理数据,增强现实头戴式显示器用来实现虚拟物渲染,电池组用来提供能源动力,硬件支撑结构用来固定和连接各电子元件。该系统主要应用于潜水员的水下作业,帮助潜水员实现水下定位导航,同时本系统还能将水下物体进行特征提取和三维建模,并通过增强现实技术反馈潜水员视线的正确位置。本发明专利技术能帮助潜水员实现水下定位导航和辅助视觉增强,提高潜水员对自身位置和周围环境的感知能力,提高水下工作的可靠性和安全性。高水下工作的可靠性和安全性。高水下工作的可靠性和安全性。
【技术实现步骤摘要】
水下增强现实穿戴机器人元宇宙系统及方法
[0001]本专利技术涉及可穿戴机器人领域和增强现实
,具体地,涉及一种水下增强现实穿戴机器人元宇宙系统及方法。
技术介绍
[0002]海洋面积占到地球总面积的七成,同时海洋中蕴含着丰富的资源,所以海洋具有巨大的开发潜力。人类因为长期在陆地上生存,难以适应水下环境,因而在开发水下资源,从事潜水作业时存在效率不高、危险性大等问题,需要专利技术高性能的辅助潜水设备提高人类在水下的适应能力。
[0003]可穿戴机器人是一类通过精密机械系统协助人体完成动作的装置,它结合了外骨骼仿生技术和信息控制技术,涉及生物运动学、机器人学、信息科学、人工智能等跨学科知识。外骨骼机器人的研究方向包括人体动作协同、运动意图判断、传感信息融合、能源供应、结构工艺、控制策略等,外骨骼机器人已经在医疗康复、协助搬运、作战增强等多领域得到广泛的应用。
[0004]元宇宙是一种能提供给人沉浸式体验的虚拟三维世界,该领域涉及到的
技术实现思路
通常有可穿戴设备、虚拟现实、增强现实等。元宇宙起初源于社交娱乐领域,但是将可穿戴机器人和元宇宙相关技术联系起来可以大幅度提高人机交互的水平,更容易实现人机智能协同控制,因而智能机器人元宇宙系统也在被学者们广泛研究。
[0005]专利文献为CN106005316A的专利技术专利公开了一种水下穿戴机器人,包括脚部外壳、关节、大腿外壳、小腿外壳、上身外壳等,所述的脚部外壳为船型结构,大小与人的足部相吻合,在每条腿上有3个关节,三个关节分别连接脚部外壳与小腿外壳、小腿外壳与大腿外壳、大腿外壳与上身外壳,关节由橡胶材质的波纹管构成,所述的小腿外壳和大腿外壳均为中空筒状结构,材质由复合材料构成;本专利技术可以由使用者直接穿戴,机器人自带氧气呼吸设备和二氧化碳吸收装置,允许使用者长时间在水下工作,利用喷水推进器可以为使用者在水下提供推进力。但是上述方案无法适用在深海或者暗度较低、环境较差的水域。
技术实现思路
[0006]针对现有技术中的缺陷,本专利技术的目的是提供一种水下增强现实穿戴机器人元宇宙系统及方法。
[0007]根据本专利技术提供的一种水下增强现实穿戴机器人元宇宙系统,包括穿戴系统、弹性束身带、惯性测量元件、光学相机、嵌入式处理器、增强现实头盔、电池组电源以及硬件支撑结构,其中:
[0008]弹性束身带用于穿戴系统松紧的调节;
[0009]光学相机和惯性测量元件安装在穿戴系统上,两者的安装坐标系保持相对固定,光学相机在运行过程中不断地拍摄采集水下图像数据;
[0010]惯性测量元件包括测量运动角速度的陀螺仪和测量运动加速度的加速度计,实时
解算水下位置和姿态信息;
[0011]嵌入式处理器处理惯性测量元件的速度数据和光学相机的图像数据;
[0012]所述增强现实头盔与嵌入式处理器通信连接,用来虚拟物渲染和投射导航数据,将增强的实物呈现在头盔目镜的固定位置;
[0013]电池组电源用于提供能源动力;
[0014]所述硬件支撑结构包括固定电子元件的固定结构和用来连通各电子元件的防水数据线。
[0015]优选地,弹性束身带的外层覆有防水材料。
[0016]优选地,所述增强现实头盔采用光学透视式头戴式显示器。
[0017]优选地,所述光学相机配备有旋转轴,通过旋转扫描将镜头朝向穿戴系统的各个方位,进行系统周围环境全方位的图像拍摄。
[0018]优选地,嵌入式处理器与增强现实头盔、惯性测量元件、光学相机之间的数据传输通过基本通信协议实现。
[0019]优选地,电池组电源安置在密封舱内,仅导出防水的电源线用于连接各个电器元件,密封舱设置有漏水警报装置。
[0020]根据本专利技术提供的一种基于上项所述水下增强现实穿戴机器人元宇宙系统的方法,包括如下步骤:
[0021]步骤S1:检查设备线路连接和密封情况,佩戴穿戴系统、增强现实头盔,打开电池组电源检查电源和惯性测量元件的连接运行状况;
[0022]步骤S2:记录入水初始位置,惯性测量元件测量游动的角速度和加速度,利用导航解算方程解算游动轨迹的位置和姿态,其中导航解算方程为:
[0023][0024][0025][0026]式中,r
a
表示在解算坐标系a下的载体位置,v
a
表示在解算坐标系a下的载体速度,ρ
a
表示穿戴系统位移角速度,表示测量参考系m到导航解算坐标系a的方向余弦矩阵,f
m
表示速度计在测量参考坐标系m中实测的输出比力,表示导航解算参考系a相对于地心固定地球坐标系e的旋转速度矢量,g
a
表示导航解算参考系a下的重力加速度常量,表示导航解算参考系a相对于惯性坐标系的旋转速度矢量的反对称矩阵,表示导航解算参考系m相对于惯性坐标系的旋转速度矢量的反对称矩阵。
[0027]步骤S3:光学相机在入水后开始工作,按照一定的旋转速度和拍摄频率采集周围的水下实景图像,并通过暗通道先验(Dark Channel Prior,DCP)去雾算法进行图像增强;
[0028]步骤S4:将预处理过后的图像进行特征点提取、描述与匹配,经过投影矩阵解算得到相机坐标系下的三维特征点云,对三维点云进行重构和优化,实现表面重建和纹理映射,得到最终的三维场景;
[0029]步骤S5:使用同步定位和地图构建的方法从任意点开始对摄像机的6自由度相机进行连续跟踪,确定增强现实头盔相对于待渲染物体的位置和方向;
[0030]步骤S6:完成增强现实头盔的注册,让虚拟特征物和真实物体在空间上对准,将三维场景图和导航数据投射在目镜上,完成水下模糊景物的增强现实。
[0031]优选地,所述步骤S3中用去雾算法对图像预处理的步骤为:
[0032]步骤S31:将水中图片视为有雾图片,有雾图片通过下式定义:
[0033]I(x)=J(x)t(x)+A(1
‑
t(x))
[0034]式中,I(x)表示输入的有雾图,J(x)表示输出的正常图,t(x)为透射率,A为全局大气光值;
[0035]步骤S32:在暗通道先验理论的假设下,通过下式求水下的透射率:
[0036][0037]式中,表示设定的透射率常量,ω表示引入因子,通常取0.95,Ω(x)表示在像素点x处的窗口,I
c
(y)、A
c
表示任意一个颜色通道c下的输入图和全局大气光值。
[0038]步骤S33:通过暗通道图从有雾图像中获得全球大气光值,先求出有雾图像的暗通道图,从暗通道图中按照亮度大小取前0.1%最亮的像素,对应这些位置,在原始有雾图像中寻找对应的具有最高亮度的点的值,作为A值。
[0039]优选地,三维场景重建的步骤为:
[0040]步骤S41:采用SIFT/SURF算法提取已处理好图像的特征点,并做局部特征描述,包括尺寸空间建立、特征点提取、利用特征点周围邻域信息本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种水下增强现实穿戴机器人元宇宙系统,其特征在于,包括穿戴系统、弹性束身带、惯性测量元件、光学相机、嵌入式处理器、增强现实头盔、电池组电源以及硬件支撑结构,其中:弹性束身带用于穿戴系统松紧的调节;光学相机和惯性测量元件安装在穿戴系统上,两者的安装坐标系保持相对固定,光学相机在运行过程中不断地拍摄采集水下图像数据;惯性测量元件包括测量运动角速度的陀螺仪和测量运动加速度的加速度计,实时解算水下位置和姿态信息;嵌入式处理器处理惯性测量元件的速度数据和光学相机的图像数据;所述增强现实头盔与嵌入式处理器通信连接,用来虚拟物渲染和投射导航数据,将增强的实物呈现在头盔目镜的固定位置;电池组电源用于提供能源动力;所述硬件支撑结构包括固定电子元件的固定结构和用来连通各电子元件的防水数据线。2.根据权利要求1所述水下增强现实穿戴机器人元宇宙系统,其特征在于,弹性束身带的外层覆有防水材料。3.根据权利要求1所述水下增强现实穿戴机器人元宇宙系统,其特征在于,所述增强现实头盔采用光学透视式头戴式显示器。4.根据权利要求1所述水下增强现实穿戴机器人元宇宙系统,其特征在于,所述光学相机配备有旋转轴,通过旋转扫描将镜头朝向穿戴系统的各个方位,进行系统周围环境全方位的图像拍摄。5.根据权利要求1所述水下增强现实穿戴机器人元宇宙系统,其特征在于,嵌入式处理器与增强现实头盔、惯性测量元件、光学相机之间的数据传输通过基本通信协议实现。6.根据权利要求1所述水下增强现实穿戴机器人元宇宙系统,其特征在于,电池组电源安置在密封舱内,仅导出防水的电源线用于连接各个电器元件,密封舱设置有漏水警报装置。7.一种基于权利要求1
‑
6任一项所述水下增强现实穿戴机器人元宇宙系统的方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤S1:检查设备线路连接和密封情况,佩戴穿戴系统、增强现实头盔,打开电池组电源检查电源和惯性测量元件的连接运行状况;步骤S2:记录入水初始位置,惯性测量元件测量游动的角速度和加速度,利用导航解算方程解算游动轨迹的位置和姿态,其中导航解算方程为:算游动轨迹的位置和姿态,其中导航解算方程为:算游动轨迹的位置和姿态,其中导航解算方程为:式中,r
a
表示在解算坐标系a下的载体位置,v
a
表示在解算坐标系a下的载体速度,ρ
a
表示穿戴系统位移角速度,表示测量参考系m到导航解算坐标系a的方向余弦矩阵,f
m
表示
速度计在测量参考坐标系m中实测的输出比力,表示导航解算参考系a相对于地心固定地球坐标系e的旋转速度矢量,g
a
表示导航解算参考系a下的重力加速度常量,表示导航解算参考系a相对于惯性坐标系的旋转速度矢量的反对称矩阵,表示导航解算参考系m相对于惯性坐标系的旋转速度矢量的反对称矩阵。步骤S3:光学相机在入水后开始工作,按照一定的旋转速度和拍摄频率采集周围的水下实景图像,并通过DCP去雾算法进行图像增强;步骤S4:将预处理过后的图像进行特征点提取、描述与匹配,经过投影矩阵解算得到...
【专利技术属性】
技术研发人员:夏海生,李智军,廖飞,
申请(专利权)人:中国科学技术大学,
类型:发明
国别省市:
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