嵌入式视觉引导下仿生机器鱼三维追踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种嵌入式视觉引导下仿生机器鱼三维追踪控制方法，首先，步骤1，设置人工地标，通过嵌入式视觉系统自主识别人工地标，结合人工地标的尺寸信息，获取目标所在的三维位置信息；步骤2，获取所述目标所在三维位置信息的深度，利用基于模糊滑模的控制方法，引导仿生机器鱼游动到目标深度并保持在目标深度游动；步骤3，所述仿生机器鱼在目标深度保持游动时，通过多阶段的定向控制，保证仿生机器鱼对目标的追踪。本发明专利技术在机器鱼运动机动灵活的基础上实现了准确的控制任务。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及视觉控制领域，尤其是一种嵌入式视觉引导下仿生机器鱼=维追踪控 制方法。
技术介绍
水下自主追踪，是水下机器人（Autonomousunderwatervehicles,AUVs)的重要 任务，具有广泛的应用前景，包括海洋资源勘探、海洋地图构建W及海洋救援等。虽然基于 视觉的追踪容易受到水中光线不均、成像质量低的影响，但是基于视觉的追踪具有成本低 廉、精度较高的优点，仍然引起广泛的关注。 基于视觉的水下追踪任务，包括构建地图的水下追踪与无地图的水下追踪。构 建地图的方法，适用于精度要求高、环境未知的场合，但是地图构建是计算复杂、资源消耗 大的方案。相关技术人员构建了一种实时的视觉SLAM(simultaneouslocalizationand mapping)地图，克服了水下成像视野受限、成像质量不高的缺点，并且利用视觉显著性方 法实现舰船的检测；技术人员利用SC-P皿(Singleclusterprob油ilityhypothesis density)滤波方法进行视觉SLAM地图的构建，为水下机器人的导航奠定了基础。无地图的 视觉追踪，适用于环境已知的场合，具有简单、高效的特点。Ro化'iguez-Telles等利用改 进的化IC(SimpleLinearIterativeClustering)方法进行图像分割，并采用最小邻域分 类器获取目标位置，然后设计鲁椿性的控制策略指引水下机器人的运动；并计了按一定规 律分布的水下光斑W指引水下机器人的入仓。 仿生机器鱼是自治水下机器人高机动性运动的典范。通过对真实鱼类游动的模 仿，仿生机器鱼具有高超的游动性能和高效的效率；在机器鱼上增加视觉追踪，推动了自治 水下机器人应对复杂环境、精准控制的任务要求。但是，目前仿生机器鱼上的视觉应用还处 于初级阶段。例如，在一条仿斑点箱鈍（Spottedboxfish)的机器鱼上实现基于视觉的平 面跟随；又如，在一条多控制面的仿生机器鱼上实现了平面内的视觉追踪控制；再如设计 了单关节的小型机器鱼，实现了基于视觉信息的位置预测。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计一种嵌入式视觉引导下仿生机器鱼=维追踪控制方法，在已 知环境中实现仿生机器鱼对目标的自主识别与追踪。 本专利技术采用的技术方案为；一种嵌入式视觉引导下仿生机器鱼=维追踪控制方 法，包括W下步骤： 步骤1，通过仿生机器鱼的嵌入式视觉系统识别目标，并计算目标中屯、位置的深度 f目息；[000引步骤2,依据深度信息，基于模糊滑模控制的方法控制仿生机器鱼游动到目标中屯、 所在深度，并保持仿生机器鱼在目标中屯、所在的深度游动； 步骤3,在仿生机器鱼保持在目标中屯、位置所在的深度游动时，通过仿生机器鱼的 嵌入式视觉系统计算偏航角，并采用多阶段的定向控制方法进行目标的追踪。 进一步地，所述的目标为具有按照一定规律排列的色块的圆形的人工地标；所述 人工地标的中屯、位置通过单一颜色的识别及不同颜色的严格拓扑关系进行确定。 进一步地，所述人工地标中色块为扇形区域，该扇形区域W人工地标的圆屯、为圆 屯、、W人工地标的半径为半径，色块的圆屯、角之和为360°，不同颜色的色块均与间隔分布。 进一步地，W仿生机器鱼起始时刻嵌入式视觉系统的摄像机的镜头光屯、的位置作 为坐标原点建立惯性坐标系OXYZ，其中OY轴垂直于水面向下，OZ轴为摄像机的镜头光轴沿 仿生机器鱼头部向前，OX轴由右手定则确定；当仿生机器鱼与人工地标的中屯、位置不在同 一深度时，仿生机器鱼通过嵌入式视觉系统采集到的人工地标为楠圆形图像，根据色块的 拓扑关系识别出所述楠圆形图像的长轴和短轴；计算长轴两个端点的水平位置坐标分别为 (X。yi)、（X2,y2)，并计算长轴的长度1 ; 根据小孔成像模型按照如下步骤进行人工地标的中屯、位置所在深度的计算： 步骤1. 1，计算视觉给定的偏航角Ad: 步骤1. 2,计算视觉给定的俯仰角Pd: 其中，Ad为视觉给定的偏航角，Pd为视觉给定的俯仰角，（U，V)为人工地标的中屯、 位置坐标，（u"，v。）为嵌入式视觉系统的摄像机镜头光屯、的图像坐标，为成像平面到 相机坐标系的放大系数； 步骤1. 3,计算人工地标的中屯、位置的深度Dd:[002U Dd=d*tan(Pd)[002引其中，d为目标离光屯、的距离，f为焦距，R为圆形人工地标的直径，Dd为目标中屯、 所在深度。 进一步地，所述基于模糊滑模控制的方法为：每个采样周期计算人工地标的中屯、 位置的深度Dd与当前的测量深度D。的差值作为深度误差e1，依据深度误差ei计算切换函 数值S、切换函数的变化量i，将切换函数值S、切换函数的变化量i输入模糊控制器得到胸 罐攻角的变化率，进而通过鱼体波模型调整仿真机器鱼的下潜动作。 进一步地，切换函数值S和切换函数的变化量i的计算步骤为： 步骤2. 1. 1，计算滑模面的输入：其中，Ts是采样周期，^为深度误差ei的一阶导数，g为深度误差ei的二阶导数； [002引步骤2. 1. 2,计算切换函数值S和切换函数的变化量占： 其中，Cl、C2与C3为常量调节因子。 进一步地，所述模糊控制器的设计及胸罐攻角的变化率的计算方法包括如下步 骤： 步骤2. 2. 1，模糊控制器隶属度函数设计：切换函数值S、切换函数的变化量、胸 罐攻角的变化率早分别使用五个、走个、走个模糊语言值，分别用模糊语言值NB、醒、NS、ZE、 PS、PM化及PB代表负大、负中、负小、零、正小、正中化及正大，隶属度函数选用正态分布的 函数； 步骤2. 2. 2,模糊控制器规则库设计；规则库的设计W满足柏<0的条件，且当S、 討莫糊语言值均为NB或PB时，til的模糊语言值与S、i的模糊语言值相同，W加快?yi变化效 率. 步骤2. 2. 3,利用重屯、解模糊方法解算模糊输出；[003引步骤2. 2. 4,计算胸罐的攻角Ui似： 进一步地，所述多阶段定向控制方法包括：[003引定向运动控制中模糊控制器的设计；分别包括隶属度设计、规则库的设计W及解 模糊方法，其中，隶属度函数采用标准=角函数；解模糊方法采用重屯、解模糊方法； 采用巧螺仪测量的偏航角度作为负反馈，用W保证控制系统的稳定性；偏航误差 62的变化为ec，其公式如下；〇 进一步地，所述步骤3中的多阶段定向控制过程，包括偏航阶段和直游阶段的控 制过程； 所述偏航阶段控制过程，包括如下步骤： 步骤3. 1. 1，设计鱼体波模型，进而从所述鱼体波模型上增强仿生机器鱼头部的稳 定性； 步骤3. 1. 2,基于牛顿-欧拉方法对仿生机器鱼的水动力学进行建模； 步骤3. 1. 3,基于水动力学模型，采用遗传算法进行参数优化W满足仿生机器鱼的 头部最小摆动； 所述直游阶段的控制过程为；W正常游动参数控制鱼体游动，保证直游的快速性。 进一步地，所述鱼体波模型为： 其中；ybody为鱼体的横向位移，X为鱼体沿头尾轴的位置，C1为线性鱼体波的振幅 包络线系数，C2为鱼体波的二次项系数，k为波数，《为鱼体波的频率，C3为比例因子； 离散化输入到各个关节的鱼体波信号为：[005引其中，0康示t时刻输入到第i个驼机的角位移，A康示第i个振荡器的振幅， 巧是第i个振荡器相对于基准谐本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种嵌入式视觉引导下仿生机器鱼三维追踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，通过仿生机器鱼的嵌入式视觉系统识别目标，并计算目标中心位置的深度信息；步骤2，依据深度信息，基于模糊滑模控制的方法控制仿生机器鱼游动到目标中心所在深度，并保持仿生机器鱼在目标中心所在的深度游动；步骤3，在仿生机器鱼保持在目标中心位置所在的深度游动时，通过仿生机器鱼的嵌入式视觉系统计算偏航角，并采用多阶段的定向控制方法进行目标的追踪。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：喻俊志，孙飞虎，徐德，赵鹏，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11