全海深作业型载人深潜器作为人类探测深海的重要手段,是海洋工程装备技术攻关核心。作为搭载摄像机、水下灯与激光测距仪等观测设备的搭载平台,水下云台安装于载人深潜器水下作业平台的艏部,是获取高质量水下影像关键所在。本文从全海深载人深潜器机载云台作业需求出发,应用机器人控制、机械设计、自动化、通信与图像处理等技术对全海深水下云台控制系统进行研究与设计,主要进行以下几方面的工作:(1)全海深水下云台控制系统背景研究:从全海深作业型载人深潜器机载云台研究目的出发,阐述移动式云台控制技术应用背景,调查研究国内外水下云台及控制系统的研究现状。(2)全海深水下云台控制系统总体设计与建模:根据全海深载人深潜器机载云台作业需求,明确控制系统整体功能与设计要求;设计全海深水下云台机械机构,并对云台转动机构进行简化以建立惯性坐标系与云台坐标系,采用正运动学建模方法对云台摄像头安装位置的运动空间进行描述;使用第二类拉格朗日法推导云台动力学模型用以描述结构参数、输出力矩与速度的对应关系。(3)全海深水下云台控制系统硬件设计:采用模块化思想将控制电路划分为主控模块、通信模块和伺服控制模块等模块以实现特定功能以满足水下云台功能需求,并对主控模块单片机最小系统进行硬件设计;制定控制端通过蓝牙技术间接访问舱外CAN总线节点的通信方案,以最大程度节约舱内通信接口和空间资源;选用ELMO Gold Twitter伺服驱动器、直流无刷电机与直流减速机等组成伺服控制系统以满足云台精准位置控制特性。(4)全海深水下云台控制系统软件开发:围绕控制系统各控制节点与上位机监控功能需求,制定基于BLE蓝牙应用层的云台控制协议;在伺服控制系统硬件平台上移植CANopen应用层协议实现下位节点的网络化管理;使用STM Cube MX、Keil与Elmo Studio开发云台伺服控制系统下位机软件,实现云台姿态精确控制与姿态手动微调两种功能;Android移动控制终端与显控平台软件分别使用Java与C#高级编程语言开发,以实现下位机与上位机控制端的良好人机交互。(5)全海深水下云台目标追踪技术研究与实现:针对水下云台手动追踪移动目标难以操作的问题,基于背景差图像识别与mean shift算法颜色特征匹配得出运动目标区域,其中目标区域最小外接矩形形心坐标使用格雷厄姆算子提取。根据形心与图像中心的距离来获取云台调整方位和转速控制量,从而实现移动目标实时追踪,提升全海深水下云台控制系统的智能化水平。