專利名稱：具有嵌入式視覺的多控制面機器魚的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于仿生學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于中樞模式發(fā)生器(Central Pattern Generator, CPG)控制的具有嵌入式視覺功能的多控制面仿生機器魚。
背景技術(shù)：
在自然界中，魚類進化出了卓越的游泳技巧。較普通的水下推進器而言，它具有推進效率高、機動性能好、豐富的感官、強大的隱蔽性和環(huán)境適應(yīng)能力等優(yōu)點。人們通過對魚類運動的仿生研究，能夠研制出充分適應(yīng)水底復(fù)雜環(huán)境的、高度智能化的先進機器人。仿生機器魚的研究具有重要的研究價值和應(yīng)用前景，特別是在復(fù)雜環(huán)境中的水下作業(yè)、軍事偵察、海底勘探、海洋生物研究等方面前景廣闊。仿生機器魚能夠代替人類參加在復(fù)雜水環(huán)境中的工作，在民用和軍事領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在民用方面，可用于近海水產(chǎn)養(yǎng)殖、水下科學(xué)考察、娛樂科教等方面；在軍用領(lǐng)域，利用仿生機器魚良好的生物模仿性和環(huán)境適應(yīng)性，能夠充分地隱蔽自身，用于偵察、 巡航、新型武器的設(shè)計、通信中繼等方面。具有嵌入式視覺功能的仿生機器魚，不僅具有仿生機器魚的特點，還因為加上了視覺系統(tǒng)，使得仿生機器人更加智能化。視覺模塊能夠讓仿生機器魚發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標，確定自身位置，在海底電纜檢測、武器制造、海洋漁業(yè)等諸多方面都有較高的應(yīng)用價值。不同的鰭具有不同的功能，自然界中魚類進化出多種鰭，保證魚類游動的穩(wěn)定性和推進能力。游泳運動的推進力是整個身體的肌肉所生產(chǎn)的。只有少數(shù)魚借助胸鰭和側(cè)鰭來產(chǎn)生推進力。它們的主要功能是控制魚的穩(wěn)定性和方向。設(shè)計的仿生機器魚包括幾個要素頭和前體，多關(guān)節(jié)柔性身體，尾鰭、胸鰭、背鰭和腹鰭?，F(xiàn)有的仿魚推進研究主要針對身體_尾鰭波動，或針對胸鰭或側(cè)鰭波動運動方式，而將兩者結(jié)合融入一個仿魚運動平臺的研究尚不多見。基于身體-尾鰭波動的仿生機器魚由于擁有鰭有限，很難實現(xiàn)諸如側(cè)向游動、微調(diào)、倒游等游動方式，在實際的游動中也不夠細致、靈巧的。現(xiàn)有的仿魚推進研究由于主要針對身體-尾鰭波動的運動方式，這樣的方式會使仿生機器魚頭部產(chǎn)生較大幅度的左右擺動，很難保證仿生機器魚游動時頭部的穩(wěn)定性，這對仿生機器魚視覺系統(tǒng)的穩(wěn)定成像有很大的干擾。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是采用中樞模式發(fā)生器(CPG)的運動算法，輔以嵌入式視覺控制，提供一種基于多控制面的、能夠在多種游動模態(tài)中自由切換、能夠追蹤和定位目標色塊的智能仿生機器魚。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種具有嵌入式視覺的多控制面機器魚采用以下技術(shù)方案包括魚頭、具有多個關(guān)節(jié)的柔性身體、新月形尾鰭、配重銅塊、充氣孔、發(fā)射接收天線、開關(guān)，還包括控制板、攝像頭模塊、左胸鰭片、右胸鰭片、電源模塊、紅外傳感器、深度傳感器、無線通信模塊、腹鰭片、背鰭片和運動控制模塊；所述運動控制模塊包括；左胸鰭舵機、右胸鰭舵機、四個尾部舵機、腹鰭舵機和背鰭舵機；其中魚頭分為上下兩半腭，內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，魚頭內(nèi)設(shè)置有左胸鰭舵機、右胸鰭舵機、腹鰭舵機和背鰭舵機；在魚頭內(nèi)部的前端設(shè)置有攝像頭模塊、控制板以及電源模塊；左胸鰭片、右胸鰭片安裝在魚頭外部的兩側(cè)，實現(xiàn)仿生機器魚的上浮下潛，腹鰭片安裝在魚頭外部的下方，背鰭片安裝在魚頭外部的上方， 實現(xiàn)仿生機器魚的側(cè)向平游和平衡控制；左胸鰭片、右胸鰭片、背鰭片和腹鰭片通過連接它們的左胸鰭舵機、右胸鰭舵機、背鰭舵機及腹鰭舵機產(chǎn)生驅(qū)動力進行擺動或者轉(zhuǎn)向；紅外傳感器安裝在魚頭的外側(cè)面，用于檢測周邊障礙物；深度傳感器安裝在魚頭內(nèi)的底部，用于探測仿生機器魚所在水層面的深度；紅外傳感器、深度傳感器、攝像頭模塊和無線通信模塊將各自的TTL電平信號、模擬信號、圖像及控制信 號和串口通信信號通過控制板進行處理，產(chǎn)生監(jiān)控信號并通過無線通信模塊由串口通信的方式發(fā)送到上位機監(jiān)控平臺上，同時控制板產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制波控制信號，發(fā)送到運動控制模塊中，驅(qū)動仿生機器魚；在仿生機器魚游動的過程中，左胸鰭片、右胸鰭片、背鰭片和腹鰭片通過聯(lián)動保持魚頭部的平衡和穩(wěn)定，保證攝像頭模塊采集的圖像的質(zhì)量；仿生機器魚通過攝像頭模塊采集的圖像信息經(jīng)控制板處理后，產(chǎn)生控制信號，通過左胸鰭舵機、右胸鰭舵機、尾鰭舵機、腹鰭舵機、背鰭舵機的多控制面協(xié)調(diào)運動產(chǎn)生側(cè)游、微調(diào)、倒游、上浮下潛的游動方式，實現(xiàn)色標塊追蹤定位和避障。本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1.本發(fā)明采取CPG運動控制方法較以前的曲線擬合法更加協(xié)調(diào)自然，有更好的環(huán)境適應(yīng)性。2.本發(fā)明的仿生機器魚通過尾部四個關(guān)節(jié)來產(chǎn)生主推進力，一對胸鰭、一個背鰭和一個腹鰭用來實現(xiàn)次要推進和平衡作用。通過多個控制面的有效配合，實現(xiàn)了仿生機器魚在水中的倒游、側(cè)游、復(fù)合轉(zhuǎn)彎、上浮下潛等功能。3.仿生機器魚游動的時候能夠依靠多個鰭的聯(lián)動，特別是腹鰭、背鰭和胸鰭的平衡作用保持頭部的穩(wěn)定，提高攝像頭采集圖像的質(zhì)量。4.在視覺模塊當中，編寫了圖像分割、目標定位和目標追蹤的算法?；诜律鷻C器魚的單目視覺，設(shè)計了仿生機器魚目標追蹤的控制算法。在實驗中，驗證了具有嵌入式視覺功能的仿生機器魚的基本性能，提高了仿生機器魚單體的智能化水平。5.仿生機器魚通過尾鰭、胸鰭片、腹鰭片、背鰭片的多控制面協(xié)調(diào)運動，能夠?qū)崿F(xiàn)較僅具有尾鰭和胸鰭的仿生機器魚更加精確和靈巧的色標塊追蹤定位和避障。6.建立了一種以高級精簡指令微處理器(ARM9)為核心處理器的控制系統(tǒng)。通過搭載30萬像素的CMOS)攝像頭和相關(guān)的外圍模塊組成仿生機器魚的嵌入式視覺硬件系統(tǒng)。 采用超頻技術(shù)提升核心處理器的運算速度，保證了仿生機器魚對圖像處理速度穩(wěn)定在10 幀/秒以上。


圖1是本發(fā)明仿生機器魚的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中本發(fā)明控制板及其外圍器件的硬件框圖；圖3是本發(fā)明控制板結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的圖3中控制策略模塊的流程圖；圖5是本發(fā)明的圖4中自主巡游策略示意圖6是本發(fā)明的圖4中游向目標的策略示意圖；圖7是本發(fā)明目標追蹤視頻截圖；圖8是本發(fā)明的圖7中實驗運動軌跡圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合所附圖和表對本發(fā)明具有嵌入式視覺功能的多控制面仿生機器魚作詳細說明。一、仿生機器魚的機械結(jié)構(gòu)如附圖1中示出的仿生機器魚的結(jié)構(gòu)，及圖2是圖1中本發(fā)明控制板及其外圍接口的硬件框圖；仿生機器魚包括剛性魚頭11、具有多個關(guān)機的柔性身體12、控制板13、攝像頭模塊14、左胸鰭片15、右胸鰭片16、電源模塊19、紅外傳感器20、深度傳感器21、無線通信模塊22、新月形尾鰭24、配重銅塊27、充氣孔28、發(fā)射接收天線29、開關(guān)30、腹鰭片31、背鰭片32和運動控制模塊33 ；圖2中示出所述運動控制模塊33包括左胸鰭舵機17、右胸鰭舵機18、四個尾部舵機23、腹鰭舵機25和背鰭舵機26 ；所述仿生機器魚中魚頭11與具有多個關(guān)機的柔性身體12相連；魚頭11內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，魚頭11內(nèi)設(shè)置含有左胸鰭舵機17、右胸鰭舵機18、腹鰭舵機25和背鰭舵機26 的運動控制模塊33 ；配重銅塊27安裝在左胸鰭舵機17、右胸鰭舵機18和腹鰭舵機25的中央；在魚頭11最前端設(shè)置有攝像頭模塊14、控制板13以及電源模塊19，電源模塊19為控制板13供電；充電頭27從魚頭11上部引出；魚頭11上部設(shè)有充氣孔28，用于檢測魚體的氣密性；魚頭11上還設(shè)計了發(fā)射接收天線29和開關(guān)30 ；紅外傳感器20安裝在魚頭11的外側(cè)面，用于檢測周邊障礙物。深度傳感器21安裝在魚頭11的底部，用于探測仿生機器魚所在水層面的深度；左胸鰭片15、右胸鰭片16安裝在魚頭11外部的兩側(cè)，能實現(xiàn)仿生機器魚的上浮下潛，腹鰭片31安裝在魚頭外部的下方，背鰭片32安裝在魚頭外部的上方，實現(xiàn)仿生機器魚的側(cè)向平游和平衡控制；對于魚體在水平面的推進，由多個尾部舵機23構(gòu)成的多關(guān)節(jié)擺動器，在尾部舵機23的尾端連接新月形尾鰭24，進而實現(xiàn)仿魚的左右劃水運動； 左胸鰭片15、右胸鰭片16、背鰭片32和腹鰭片31通過連接它們的左胸鰭舵機17、右胸鰭舵機18、背鰭舵機26及腹鰭舵機25產(chǎn)生驅(qū)動力進行擺動或者轉(zhuǎn)向；在仿生機器魚游動的過程中，左胸鰭片15、右胸鰭片16、背鰭片32和腹鰭片31通過聯(lián)動保持頭部的平衡和穩(wěn)定， 能夠提高攝像頭模塊14采集的圖像的質(zhì)量；仿生機器魚通過攝像頭模塊14采集的圖像信息經(jīng)視覺模塊1314處理后，由控制策略模塊1311產(chǎn)生控制信號，通過尾鰭舵機23、胸鰭舵機17、18、腹鰭舵機25、背鰭舵機26的多控制面協(xié)調(diào)運動產(chǎn)生側(cè)游、微調(diào)、倒游、上浮下潛等游動方式，能夠?qū)崿F(xiàn)較僅具有尾鰭和胸鰭的仿生機器魚更加精確和靈巧的色標塊追蹤定位和避障。所述尾鰭片、胸鰭片、腹鰭片、背鰭片的多控制面協(xié)調(diào)運動是利用視覺模塊的視覺信息提取目標色塊的中心點位置(X，y)和目標色塊的面積大小Z，結(jié)合控制策略模塊生成的360°巡游、直線巡游和游向目標色塊的控制策略，實現(xiàn)色標塊追蹤定位和避障。所述魚頭11采用玻璃鋼制成，分為上下兩半腭，上下兩半腭之間用防水膠加鐵圈密封。所述魚頭11按照生物魚的流線型外形制成，魚頭11橫截面為橢圓形。所述攝像頭模塊14是30萬像素的CMOS攝像頭模塊或130萬像素的CMOS攝像頭模塊。所述電源模塊19采用一組鋰電池構(gòu)成或充電電池組。所述無線通信模塊22是具有雙工通信功能的無線通信模塊。柔性身體12包括多個尾部舵機23、金屬骨架和魚皮，多個尾部舵機23和金屬骨架設(shè)于防水魚皮內(nèi)，多個尾部舵機23固接于金屬骨架上。魚皮為防水魚皮。二、仿生機器魚的嵌入式視覺系統(tǒng)的硬件系統(tǒng) 針對仿生機器魚的反饋控制需求，如附圖2所示的仿生機器魚控制板13的硬件框圖。它的特點在于采用高級精簡指令微處理器(ARM9)內(nèi)核的控制器，并把ARM9核心板131 和仿生機器魚擴展板分開，這樣便于后續(xù)的升級換代。 仿生機器魚控制板13包括采用基于ARM9內(nèi)核(SUNGSUM2440)的控制器的ARM9 核心板131和外圍接口模塊132。所述外圍接口模塊132包括無線接口模塊、輸入輸出模塊、JTAG(Joint Test Action Group)程序燒寫模塊。如附圖2中，ARM9核心板131通過外圍接口模塊132與各個功能模塊相連。電源模塊19通過外圍接口模塊132為硬件系統(tǒng)提供電量。紅外傳感器20、深度傳感器21、攝像頭模塊14和無線通信模塊22將各自的TTL電平信號、模擬信號、圖像及控制信號和串口通信信號通過外圍接口模塊132上傳至ARM9核心板131上進行處理。經(jīng)ARM9核心板131 處理的信息，一部分產(chǎn)生監(jiān)控信號，通過無線通信模塊22由串口通信的方式發(fā)送到上位機監(jiān)控平臺上，另一部分產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制(PWM)波控制信號，發(fā)送到運動控制模塊33中，驅(qū)動魚頭部的左胸鰭舵機、右胸鰭舵機、腹鰭舵機和背鰭舵機與多個尾部舵機23進行協(xié)調(diào)運動。所述尾部舵機23四關(guān)節(jié)尾部舵機或三關(guān)節(jié)尾部舵機或五關(guān)節(jié)尾部舵機。三、具有嵌入式視覺功能的多控制面仿生機器魚的ARM9核心板圖3給出了本發(fā)明仿生機器魚ARM9核心板131的結(jié)構(gòu)示意圖，所述ARM9核心板 131包括控制策略模塊1311、運動模板匹配與特征調(diào)整模塊1312、CPG模塊1313、視覺模塊 1314。仿生機器魚的輸出端發(fā)送探測到的外界的水域環(huán)境的視覺信息、紅外傳感狀態(tài)反饋信息和深度傳感狀態(tài)反饋信息；控制策略模塊1311的輸入輸出端和視覺模塊1314的輸入輸出端連接仿生機器魚的輸出端；控制策略模塊1311發(fā)送設(shè)置視覺模塊1314的功能的參數(shù)，視覺模塊1314的輸入輸出端接收探測到的外界的水域環(huán)境的視覺信息，并利用視覺算法對視覺信息進行處理，生成并輸出目標色塊的位置參數(shù)；控制策略模塊1311接收并對目標色塊的位置參數(shù)、 紅外傳感狀態(tài)反饋信息和深度傳感狀態(tài)反饋信息進行處理、決策，生成并輸出控制命令；運動模板匹配與特征調(diào)整模塊1312的輸入端連接控制策略模塊1311的輸出端、 CPG模塊1313的輸入端和仿生機器魚的輸出端，運動模板匹配與特征調(diào)整模塊1312接收控制策略模塊1311的控制命令，再綜合仿生機器魚的紅外傳感信息和深度傳感信息，發(fā)送控制指令；CPG模塊1313的輸入端與運動模板匹配與特征調(diào)整模塊1312輸出端連接，CPG模塊1313接收運動模板匹配與特征調(diào)整模塊1312的控制指令后，調(diào)整CPG模塊1313的構(gòu)型和胸鰭舵機17、18、腹鰭舵機25、背鰭舵機26和尾鰭舵機23神經(jīng)元的特征參數(shù)，生成并發(fā)送胸鰭片15、16、腹鰭片31、背鰭片32和尾鰭24所組成的多控制面結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)配合運動控制信號；仿生機器魚的胸鰭舵機17、18、腹鰭舵機25、背鰭舵機26和尾部舵機23的驅(qū)動控制器的輸入端與CPG模塊1313輸出端連接，仿生機器魚胸鰭舵機17、18、腹鰭舵機25、背鰭舵機26和尾部舵機23的驅(qū)動控制器接收CPG模塊1313發(fā)送的協(xié)調(diào)配合運動控制信號，驅(qū)動仿生機器胸鰭舵機17、18、腹鰭舵機25、背鰭舵機26和尾部舵機23的驅(qū)動控制器產(chǎn)生運動；實現(xiàn)該仿生機器魚的視覺模塊與多控制面結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)控制。四、基于CPG模塊1313的仿生機器魚的運動控制基于CPG模塊1313的控制的關(guān)鍵點在于CPG模塊1313的在線計算。由于本發(fā)明采用一類能產(chǎn)生穩(wěn)定極限環(huán)的簡單非線性微分方程組來表示其振蕩神經(jīng)元，且以單個振蕩神經(jīng)元構(gòu)成CPG模塊1313，這大大簡化了 CPG模塊1313的參數(shù)量及計算量。此外，CPG模塊1313的輸出可以分別由單參數(shù)來改變其性能，比如輸出波形的振幅和頻率，這也給程序編寫和計算帶來方便。基于不同反饋接收部位的仿生機器魚運動的反饋控制方法的步驟如下，提出了以一類振蕩頻率和幅值可分別單參數(shù)控制的非線性振蕩器作為振蕩神經(jīng)元，見公式(1-1)所示。
權(quán)利要求
1.一種具有嵌入式視覺的多控制面仿生機器魚，它包括魚頭、具有多個關(guān)節(jié)的柔性身體、新月形尾鰭、配重銅塊、充氣孔、發(fā)射接收天線、開關(guān)，其特征在于，還包括控制板、攝像頭模塊、左胸鰭片、右胸鰭片、電源模塊、紅外傳感器、深度傳感器、無線通信模塊、腹鰭片、 背鰭片和運動控制模塊；所述運動控制模塊包括；左胸鰭舵機、右胸鰭舵機、四個尾部舵機、腹鰭舵機和背鰭舵機；其中魚頭分為上下兩半腭，內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，魚頭內(nèi)設(shè)置有左胸鰭舵機、右胸鰭舵機、腹鰭舵機和背鰭舵機；在魚頭內(nèi)部的前端設(shè)置有攝像頭模塊、控制板以及電源模塊；左胸鰭片、右胸鰭片安裝在魚頭外部的兩側(cè)，實現(xiàn)仿生機器魚的上浮下潛， 腹鰭片安裝在魚頭外部的下方，背鰭片安裝在魚頭外部的上方，實現(xiàn)仿生機器魚的側(cè)向平游和平衡控制；左胸鰭片、右胸鰭片、背鰭片和腹鰭片通過連接它們的左胸鰭舵機、右胸鰭舵機、背鰭舵機及腹鰭舵機產(chǎn)生驅(qū)動力進行擺動或者轉(zhuǎn)向；紅外傳感器安裝在魚頭的外側(cè)面，用于檢測周邊障礙物；深度傳感器安裝在魚頭內(nèi)的底部，用于探測仿生機器魚所在水層面的深度；紅外傳感器、深度傳感器、攝像頭模塊和無線通信模塊將各自的TTL電平信號、 模擬信號、圖像及控制信號和串口通信信號通過控制板進行處理，產(chǎn)生監(jiān)控信號并通過無線通信模塊由串口通信的方式發(fā)送到上位機監(jiān)控平臺上，同時控制板產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制波控制信號，發(fā)送到運動控制模塊中，驅(qū)動仿生機器魚；在仿生機器魚游動的過程中，左胸鰭片、右胸鰭片、背鰭片和腹鰭片通過聯(lián)動保持魚頭部的平衡和穩(wěn)定，保證攝像頭模塊采集的圖像的質(zhì)量；仿生機器魚通過攝像頭模塊采集的圖像信息經(jīng)控制板處理后，產(chǎn)生控制信號， 通過左胸鰭舵機、右胸鰭舵機、尾鰭舵機、腹鰭舵機、背鰭舵機的多控制面協(xié)調(diào)運動產(chǎn)生側(cè)游、微調(diào)、倒游、上浮下潛的游動方式，實現(xiàn)色標塊追蹤定位和避障。
2.如權(quán)利要求1所述的具有嵌入式視覺的多控制面仿生機器魚，其特征在于，柔性身體包括多個尾部舵機、金屬骨架和魚皮，多個尾部舵機和金屬骨架設(shè)于防水魚皮內(nèi)，多個尾部舵機固接于金屬骨架上。
3.如權(quán)利要求1所述的具有嵌入式視覺的多控制面仿生機器魚，其特征在于，控制板包括采用基于高級精簡指令微處理器內(nèi)核的高級精簡指令微處理器核心板和外圍接口模塊，所述外圍接口模塊包括無線接口模塊、輸入輸出模塊、JTAG程序燒寫模塊。
4.如權(quán)利要求1所述的具有嵌入式視覺的多控制面仿生機器魚，其特征在于，所述高級精簡指令微處理器核心板包括控制策略模塊、運動模板匹配與特征調(diào)整模塊、CPG模塊和視覺模塊，其中仿生機器魚的輸出端發(fā)送探測到的外界的水域環(huán)境的視覺信息、紅外傳感狀態(tài)反饋信息和深度傳感狀態(tài)反饋信息；控制策略模塊的輸入輸出端和視覺模塊的輸入輸出端連接仿生機器魚的輸出端；控制策略模塊發(fā)送設(shè)置視覺模塊的功能的參數(shù)，視覺模塊的輸入輸出端接收探測到的外界的水域環(huán)境的視覺信息，并利用視覺算法對視覺信息進行處理，生成并輸出目標色塊的位置參數(shù)；控制策略模塊接收并對目標色塊的位置參數(shù)、紅外傳感狀態(tài)反饋信息和深度傳感狀態(tài)反饋信息進行處理、決策，生成并輸出控制命令；運動模板匹配與特征調(diào)整模塊的輸入端連接控制策略模塊的輸出端、CPG模塊的輸入端和仿生機器魚的輸出端，運動模板匹配與特征調(diào)整模塊接收控制策略模塊的控制命令， 再綜合仿生機器魚的紅外傳感信息和深度傳感信息，發(fā)送控制指令；CPG模塊的輸入端與運動模板匹配與特征調(diào)整模塊輸出端連接，CPG模塊接收運動模板匹配與特征調(diào)整模塊的控制指令后，調(diào)整CPG模塊的構(gòu)型和胸鰭舵機、腹鰭舵機、背鰭舵機和尾鰭舵機神經(jīng)元的特征參數(shù)，生成并發(fā)送胸鰭片、腹鰭片、背鰭片和尾鰭所組成的多控制面結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)配合運動控制信號；仿生機器魚的胸鰭舵機、腹鰭舵機、背鰭舵機和尾部舵機的驅(qū)動控制器的輸入端與CPG 模塊輸出端連接，仿生機器魚胸鰭舵機、腹鰭舵機、背鰭舵機和尾部舵機的驅(qū)動控制器接收 CPG模塊發(fā)送的協(xié)調(diào)配合運動控制信號，驅(qū)動仿生機器魚胸鰭舵機、腹鰭舵機、背鰭舵機和尾部舵機的驅(qū)動控制器產(chǎn)生運動；實現(xiàn)該仿生機器魚的視覺模塊與多控制面結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)控制。
5.如權(quán)利要求1所述的具有嵌入式視覺的多控制面仿生機器魚，其特征在于，CPG模塊采用能產(chǎn)生穩(wěn)定極限環(huán)的簡單非線性微分方程組來表示其振蕩神經(jīng)元，且以單個振蕩神經(jīng)元構(gòu)成CPG模塊，CPG模塊的輸出分別由單參數(shù)來改變其輸出波形的振幅和頻率。
6.如權(quán)利要求5所述的具有嵌入式視覺的多控制面仿生機器魚，其特征在于，以振蕩頻率和幅值分別單參數(shù)控制的非線性振蕩器作為振蕩神經(jīng)元如下表示城=H
7.如權(quán)利要求1所述的具有嵌入式視覺的多控制面仿生機器魚，其特征在于，控制策略模塊的控制策略步驟如下步驟Sl 對控制策略模塊進行初始化，檢測仿生機器魚各個模塊的啟動情況；步驟S2 進入自主巡游狀態(tài)，此時仿生機器魚執(zhí)行自主巡游策略；步驟S3 控制策略模塊根據(jù)視覺模塊返回的信息，判斷游動的方向上有無障礙物，若有障礙物，則執(zhí)行步驟S4,若無障礙物，則執(zhí)行步驟S6 ；步驟S4 執(zhí)行躲避障礙的策略，根據(jù)視覺模塊返回的障礙物的位置及大小信息，確定躲避障礙的方法；步驟S5 根據(jù)躲避障礙的策略，調(diào)整由胸鰭舵機、腹鰭舵機、背鰭舵機和尾鰭舵機的擺動幅度和頻率；由胸鰭片和尾鰭來產(chǎn)生主要的轉(zhuǎn)向力和推進力，腹鰭片和背鰭片進行導(dǎo)向和平衡作用，完成轉(zhuǎn)彎控制；步驟S6 在沒有遇到障礙物或躲避完障礙物之后，控制策略模塊根據(jù)視覺模塊的信息檢測游動的方向上有無目標色塊，若無目標色塊，則返回步驟S2，若有目標色塊，則執(zhí)行步驟S7 ；步驟S7 在發(fā)現(xiàn)目標色塊之后，控制策略模塊執(zhí)行游向目標的控制策略，并游向目標的控制策略綜合視覺模塊的信息驅(qū)動多控制面結(jié)構(gòu)；步驟S8 由多個關(guān)節(jié)尾鰭舵機組成的多控制面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生推進力，使仿生機器魚游向目標色塊；步驟S9:在游向目標色塊的過程中，根據(jù)視覺模塊返回的信息，檢測目標色塊是否丟失，若沒有丟失目標色塊，則返回步驟S7，若丟失目標色塊，則返回步驟S2。
8.如權(quán)利要求7所述的具有嵌入式視覺的多控制面仿生機器魚，其特征在于，游向目標的控制策略包括仿生機器魚的水平視野為0-240像素，對應(yīng)的視角大概為30°左右；在0-50像素的時候仿生機器魚向左轉(zhuǎn)彎游動；在90-150像素的范圍內(nèi)仿生機器魚直游；在190-240像素的區(qū)間向右游動；設(shè)置50-90、150-190像素為死區(qū)，用于避免目標色塊越出仿生機器魚的視野；在所述像素的區(qū)間內(nèi)，仿生機器魚的游動姿勢保持不變；仿生機器魚的轉(zhuǎn)彎級別需要根據(jù)游速來確定；在游向目標的控制策略中，轉(zhuǎn)彎的級別和游速成正比，游速加快，轉(zhuǎn)彎的幅度也隨之加大。
9.如權(quán)利要求1所述的具有嵌入式視覺的多控制面仿生機器魚，其特征在于，所述尾鰭片、胸鰭片、腹鰭片、背鰭片的多控制面協(xié)調(diào)運動是利用視覺模塊的視覺信息提取目標色塊的中心點位置(X，y)和目標色塊的面積大小Z，結(jié)合控制策略模塊生成的360°巡游、直線巡游和游向目標色塊的控制策略，實現(xiàn)色標塊追蹤定位和避障。
10.如權(quán)利要求1所述的具有嵌入式視覺的多控制面仿生機器魚，其特征在于，所述魚頭采用玻璃鋼制成，上下兩半腭之間用防水膠加鐵圈密封。
全文摘要
本發(fā)明是具有嵌入式視覺的多控制面機器魚包括魚頭、具有多個關(guān)節(jié)的柔性身體、控制板、攝像頭模塊、電源模塊、紅外傳感器、深度傳感器、無線通信模塊、新月形尾鰭、配重銅塊、充氣孔、發(fā)射接收天線、開關(guān)、左、右胸鰭片、腹鰭片、背鰭片和運動控制模塊；所述運動控制模塊包括；左胸鰭舵機、右胸鰭舵機、四個尾部舵機、腹鰭舵機和背鰭舵機；依靠腹鰭、背鰭、胸鰭的平衡作用，保證魚頭的穩(wěn)定，提高攝像頭模塊采集的圖像質(zhì)量；仿生機器魚通過多控制面結(jié)構(gòu)實現(xiàn)上浮下潛、側(cè)游、倒游等多種游動方式；環(huán)境信息被傳感器和攝像頭模塊的采集后，由ARM9核心板產(chǎn)生控制信號，驅(qū)動多控制面的協(xié)調(diào)運動，實現(xiàn)精確和靈巧的色標塊追蹤定位和避障。
文檔編號B63H1/36GK102303700SQ201110139019
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者喻俊志, 王衛(wèi)兵, 王愷, 譚民 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所