本發(fā)明屬于水下大型生物活體采樣裝置，特別涉及一種基于機(jī)器視覺的遠(yuǎn)距離鯨類活體自動采樣裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、海洋哺乳動物是適應(yīng)水生環(huán)境的一類特殊哺乳動物類群，包括鯨目、海牛目、鰭足目全部物種和食肉目的部分類群。它們大多位于海洋生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的頂端，對海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要意義。鯨類相對于其它大多數(shù)海洋動物數(shù)量稀少，絕大部分時間生活在水下，部分種類甚至生活在遠(yuǎn)洋、深海環(huán)境中，并具有快速游泳的能力，鯨類還是保護(hù)動物，這些特點使得鯨類動物樣品獲取困難，導(dǎo)致依賴于鯨類組織樣品的研究工作長期進(jìn)展緩慢。由于鯨類動物難以接近的特性，使得遠(yuǎn)距離活體采樣法成為最適合對其采樣的非致死性采樣法之一。四十余年以來，遠(yuǎn)距離活體采樣法已被用于40余種鯨類的采樣工作，并獲得了數(shù)千份鯨類組織樣品，被用于個體間的親緣關(guān)系鑒定、攝食生態(tài)學(xué)、污染物的富集等熱點研究領(lǐng)域。為全世界鯨類遺傳學(xué)、生理學(xué)等方面的研究提供了重要的研究材料。

2、現(xiàn)有技術(shù)的不足及原因：1、現(xiàn)有技術(shù)大多自動化程度低，嚴(yán)重依賴人工手動操作，在作業(yè)過程中，為了避免不必要的損傷，需要操作人員在水下長時間與鯨魚保持相對較近的距離，一方面取樣成功率低，另一方面操作人員容易受到鯨魚受刺激后猛烈擺動拍擊等傷害。2、現(xiàn)有技術(shù)大多智能化程度低，過于依賴操作人員的工作經(jīng)驗，不能有效利用傳感器和圖像識別等技術(shù)實現(xiàn)自動精確瞄準(zhǔn)，且無法根據(jù)實時環(huán)境變化做出智能調(diào)整，導(dǎo)致工作效率較低，采樣成功率不高。3、現(xiàn)有采樣結(jié)構(gòu)未針對鯨類生物的特性進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，導(dǎo)致對生物損傷較大，不利于海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)，另一方面在取樣頭回收過程中容易脫落導(dǎo)致取樣成功率不高。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于機(jī)器視覺的遠(yuǎn)距離鯨類活體自動采樣裝置及方法，以解決現(xiàn)有鯨類遠(yuǎn)距離活體采樣技術(shù)采樣精確低、作業(yè)效率低、環(huán)境適應(yīng)差問題。

2、為解決上述問題，本發(fā)明提出以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明實施例提供一種基于機(jī)器視覺的遠(yuǎn)距離鯨類活體自動采樣裝置，包括仿生無人機(jī)（1），所述仿生無人機(jī)（1）上安裝有采樣系統(tǒng)，所述采樣系統(tǒng)包括發(fā)射器和采樣槍（4），所述發(fā)射器包括扳機(jī)系統(tǒng)（7）、彈射系統(tǒng)（8）、海綿減震機(jī)構(gòu)（9）和電動卷線輪（10）；所述扳機(jī)系統(tǒng)（7）與所述彈射系統(tǒng)（8）連接，所述海綿減震機(jī)構(gòu)（9）設(shè)置在所述彈射系統(tǒng)（8）與所述仿生無人機(jī)（1）外殼之間，所述電動卷線輪（10）安裝在所述仿生無人機(jī)（1）前端底部；所述采樣槍（4）包括槍身（4-1）和中空采樣槍頭（4-2），所述槍身（4-1）與所述彈射系統(tǒng)（8）抵觸設(shè)置，所述中空采樣槍頭（4-2）安裝在所述槍身（4-1）端部，所述中空采樣槍頭（4-2）包括容納腔（4-3）和與所述容納腔（4-3）連接的凸臺結(jié)構(gòu)（4-4），所述凸臺結(jié)構(gòu)（4-4）內(nèi)壁為連續(xù)內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)（4-8），所述容納腔（4-3）兩側(cè)分別設(shè)置有單向排水閥（4-5）和活動擋板（4-6），所述容納腔（4-3）兩側(cè)外壁上環(huán)繞設(shè)置有彈簧拔出機(jī)構(gòu)（4-7）；所述槍身（4-1）另一端部通過魚線（12）與所述電動卷線輪（10）連接；

4、所述槍身（4-1）通過所述發(fā)射器為所述中空采樣槍頭（4-2）提供動能，所述中空采樣槍頭（4-2）用于對目標(biāo)生物進(jìn)行刺入，當(dāng)所述中空采樣槍頭（4-2）成功刺入目標(biāo)生物體內(nèi)時，所述單向排水閥（4-5）用于使所述容納腔（4-3）形成負(fù)壓，在所述彈簧拔出機(jī)構(gòu)（4-7）拔出所述中空采樣槍頭（4-2）后，所述容納腔（4-3）攜帶出目標(biāo)生物體內(nèi)樣本，并且所述凸臺結(jié)構(gòu)（4-4）內(nèi)壁上的連續(xù)內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)（4-8）用于有效防止樣本泄露。

5、本發(fā)明一可選實施例，所述仿生無人機(jī)（1）為具有魚頭部位（1-1）、三段式身體結(jié)構(gòu)（1-2）、尾鰭（1-3）和左右平衡魚鰭（1-4）的仿形魚狀結(jié)構(gòu)，三段式身體結(jié)構(gòu)（1-2）中的每段均通過一個伺服電機(jī)（2）驅(qū)動。

6、本發(fā)明一可選實施例，所述魚頭部位（1-1）設(shè)有姿態(tài)傳感器（3），用于實時監(jiān)測水下仿生無人機(jī)的運動狀態(tài)信息，所述運動狀態(tài)信息包括轉(zhuǎn)彎翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

7、本發(fā)明一可選實施例，所述單向排水閥（4-5）包括排水口和o形橡膠圈，所述排水口設(shè)置在所述容納腔（4-3）內(nèi)壁上，所述o形橡膠圈套設(shè)在所述排水口外側(cè)。

8、本發(fā)明一可選實施例，所述活動擋板（4-6）與所述彈簧拔出機(jī)構(gòu)（4-7）連接，在所述凸臺結(jié)構(gòu)（4-4）刺入目標(biāo)生物，所述彈簧拔出機(jī)構(gòu)（4-7）壓縮，所述活動擋板（4-6）向后移動，所述容納腔（4-3）開啟；所述彈簧拔出機(jī)構(gòu)（4-7）恢復(fù)長度，所述活動擋板（4-6）向前移動，所述容納腔（4-3）關(guān)閉。

9、本發(fā)明一可選實施例，所述扳機(jī)系統(tǒng)（7）包括馬達(dá)（7-1）和扳機(jī)（7-2），所述扳機(jī)（7-2）一端與所述馬達(dá)（7-1）的輸出軸連接，另一端卡接在所述彈射系統(tǒng)（8）下方。

10、本發(fā)明一可選實施例，所述仿生無人機(jī)（1）前端底部設(shè)置有環(huán)境感知系統(tǒng)（11），所述環(huán)境感知系統(tǒng)（11）通過高精度傳感器和yolov10目標(biāo)識別算法模塊對周圍環(huán)境和目標(biāo)生物進(jìn)行實時監(jiān)測和識別。

11、本發(fā)明一可選實施例，所述仿生無人機(jī)（1）內(nèi)配備壓力傳感器（5）和聲吶傳感器（6），所述壓力傳感器（5）用于獲取海水的壓力，所述聲吶傳感器（6）用于探測和識別水中目標(biāo)生物的輪廓。

12、本發(fā)明實施例提供一種基于機(jī)器視覺的遠(yuǎn)距離鯨類活體自動采樣方法，通過上述實施例的一種基于機(jī)器視覺的遠(yuǎn)距離鯨類活體自動采樣裝置實現(xiàn)的，其中，包括以下步驟：

13、步驟1，當(dāng)仿生無人機(jī)（1）到達(dá)預(yù)定目標(biāo)區(qū)域后，環(huán)境感知系統(tǒng)（11）啟動，通過高精度傳感器和yolov10目標(biāo)識別算法模塊對周圍環(huán)境和目標(biāo)生物進(jìn)行實時監(jiān)測和識別；在確定目標(biāo)生物的具體位置和運動狀態(tài)后，仿生無人機(jī)（1）在視覺伺服和pid控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下，逐步調(diào)整自身姿態(tài)和航行路徑，精準(zhǔn)接近目標(biāo)，直至進(jìn)入預(yù)設(shè)的有效射擊范圍；

14、步驟2，進(jìn)入射擊范圍后，扳機(jī)系統(tǒng)（7）啟動，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)（7-1）驅(qū)動扳機(jī)（7-2）后端下壓、前端抬升，使扳機(jī)（7-2）結(jié)構(gòu)解鎖；此時，采樣槍（4）在彈射系統(tǒng)（8）的作用下迅速發(fā)射，中空采樣槍頭（4-2）準(zhǔn)確刺入目標(biāo)生物體內(nèi)；在中空采樣槍頭（4-2）刺入目標(biāo)的瞬間，容納腔（4-3）內(nèi)的水流通過單向排水閥（4-5）排出，形成負(fù)壓環(huán)境，從而有效抽吸目標(biāo)生物體內(nèi)的樣本。與此同時，彈簧拔出機(jī)構(gòu)（4-7）在凸臺結(jié)構(gòu)（4-4）刺入時將部分動能轉(zhuǎn)化為彈性勢能，并在完成采樣后將這部分能量釋放，迅速將凸臺結(jié)構(gòu)（4-4）從生物體內(nèi)拔出，以最大程度減少對目標(biāo)生物的損傷；在拔出過程中，負(fù)壓抽吸作用將生物體內(nèi)的樣本吸入容納腔（4-3）內(nèi)，同時連續(xù)內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)（4-8）確保樣本的穩(wěn)定存儲，防止樣本泄露；

15、步驟3，在采樣完成后，環(huán)境感知系統(tǒng)（11）通過對采樣槍（4）狀態(tài)的實時監(jiān)測，確認(rèn)采樣過程是否成功；當(dāng)檢測到凸臺結(jié)構(gòu)（4-4）已完全拔出目標(biāo)體內(nèi)，并且樣本收集完畢后，環(huán)境感知系統(tǒng)（11）自動啟動電動卷線輪（10），帶動連接采樣槍（4）的魚線（12）進(jìn)行回收作業(yè)；電動卷線輪（10）驅(qū)動魚線（12）將采樣槍（4）安全回收至仿生無人機(jī)（1）平臺，確保樣本的安全回收和保存。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實施例提供一種基于機(jī)器視覺的遠(yuǎn)距離鯨類活體自動采樣裝置及方法，具有以下有益效果：

17、（1）、本發(fā)明具有高效自主化功能，相較于傳統(tǒng)的水下采樣通常依賴人工潛水員進(jìn)行目標(biāo)識別和采樣，本發(fā)明通過引入自動化技術(shù)，能夠在沒有人工干預(yù)的情況下，自主完成目標(biāo)識別、姿態(tài)調(diào)整和采樣任務(wù)。本發(fā)明基于yolov10目標(biāo)識別算法模塊，可以實時處理和分析水下圖像數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確識別出目標(biāo)生物,大大減少了采樣時間，提高數(shù)據(jù)采集的頻率。目標(biāo)確定，系統(tǒng)可以迅速進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，使用pid控制算法確保無人機(jī)進(jìn)入有效采樣范圍。通過這種高效自主化的方式，不僅提高了操作效率，還減少了人為因素造成的錯誤，確保了采樣的準(zhǔn)確性。

18、（2）、本發(fā)明采集效率和作業(yè)經(jīng)濟(jì)性更高，本發(fā)明設(shè)計了小口徑中空采樣頭，配備彈簧裝置控制刺入深度，確保在采樣過程中對目標(biāo)生物的影響降至最低。當(dāng)采樣頭成功刺入目標(biāo)生物時，通過單向排水閥使抽吸裝置在中空槍頭內(nèi)形成負(fù)壓，從而有效提取生物樣本。在彈簧的幫助下，采樣頭可以在完成采樣后迅速拔出，最大程度地減少對生物的損傷。此外，內(nèi)部螺紋設(shè)計有效防止樣本泄露，確保采樣過程的完整性。這種低損傷的采樣技術(shù)不僅提高了樣本收集的質(zhì)量和可靠性，也為生態(tài)研究提供了更為安全和科學(xué)的技術(shù)手段。

19、（3）、本發(fā)明的模塊化設(shè)計的靈活性與多功能性，本發(fā)明采用高度模塊化設(shè)計理念，如環(huán)境感知系統(tǒng)、壓力傳感器和聲吶傳感器，仿生無人機(jī)能夠根據(jù)環(huán)境需求靈活替換功能模塊，以增強(qiáng)其適應(yīng)能力。。同時，針對不同生物種類和采樣需求，可以靈活配置采樣頭，從而最大限度地減少對生物的損傷。同時模塊化設(shè)計還便于技術(shù)的更新與維護(hù)。操作人員可以通過集成新型傳感器，提高效率，并延長設(shè)備使用壽命。此外，模塊化結(jié)構(gòu)還能促進(jìn)跨學(xué)科的合作，使不同研究團(tuán)隊能夠定制和共享資源，從而推動研究的創(chuàng)新與發(fā)展。這賦予了系統(tǒng)更大的靈活性和多功能性，使其在生態(tài)監(jiān)測和生物研究中具有更廣泛的應(yīng)用潛力。