本發(fā)明涉及人工生命技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于人工生命的機(jī)器魚及其水下目標(biāo)跟蹤方法。

背景技術(shù)：

人工生命是通過人工模擬生命系統(tǒng),來研究生命的領(lǐng)域。人工生命的概念，包括兩個(gè)方面內(nèi)容：1、屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的虛擬生命系統(tǒng)，涉及計(jì)算機(jī)軟件工程與人工智能技術(shù)，以及2、基因工程技術(shù)人工改造生物的工程生物系統(tǒng)，涉及合成生物學(xué)技術(shù)。

機(jī)器魚，從材料制作的外形像魚的機(jī)器，配備有化學(xué)傳感器的自主機(jī)器魚，它能夠在水中游數(shù)小時(shí)，在水中具有和魚一樣的靈活性和適應(yīng)性。

在自然界中，魚類進(jìn)化出了卓越的游泳技巧。較普通的水下推進(jìn)器而言，它具有推進(jìn)效率高、機(jī)動(dòng)性能好、豐富的感官等優(yōu)點(diǎn)?；谶@些優(yōu)點(diǎn)人們過仿生機(jī)器魚的研究也越來越多，仿生機(jī)器魚的功能也越來越完善，仿生機(jī)器魚的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了科學(xué)、教育和娛樂等領(lǐng)域隨著仿生學(xué)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外越來越多的學(xué)者致力于研究仿生機(jī)器魚，仿照魚類的外形以及游動(dòng)機(jī)理，制造出仿生機(jī)器魚使之具有高效、靈活的水下巡游能力，可以應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下的資源探測(cè)、生物研究和軍事偵察等領(lǐng)域?；谶@些優(yōu)點(diǎn)人們過仿生機(jī)器魚的研究也越來越多，仿生機(jī)器魚的功能也越來越完善，仿生機(jī)器魚的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了科學(xué)、教育和娛樂等領(lǐng)域。魚類采用的是波動(dòng)推進(jìn)的游動(dòng)方式，身體的擺動(dòng)是柔性的運(yùn)動(dòng)，所以，仿生機(jī)器魚的擺動(dòng)關(guān)節(jié)越多就越能模仿出魚類的柔性擺動(dòng)。但是，采用擺動(dòng)推進(jìn)方式，機(jī)器魚游動(dòng)較慢，如何使機(jī)器魚能夠在水中快速游動(dòng)而更加具有觀賞性是需要解決的問題。同時(shí)而由于魚的游動(dòng)動(dòng)作比較復(fù)雜，給機(jī)器魚的制造帶來了極大的技術(shù)困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明設(shè)計(jì)開發(fā)了一種機(jī)器魚，克服了現(xiàn)有機(jī)器魚游動(dòng)阻力大的缺陷。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是克服現(xiàn)有機(jī)器魚游動(dòng)不穩(wěn)定的缺陷，通過設(shè)計(jì)魚鰭板的擺動(dòng)頻率，使游動(dòng)更為平穩(wěn)。

本發(fā)明還有一個(gè)目的是解決水下目標(biāo)跟蹤效率低、速度慢的缺陷。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

一種機(jī)器魚，包括：

魚頭，其設(shè)置成后端開口的中空狀；所述魚頭前端設(shè)置有圖像采集裝置；

魚身骨架，其前端鉸接在所述魚頭的后端，使所述魚頭能夠相對(duì)于魚身骨架繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)；

魚尾，其鉸接在所述魚身骨架的后端，使所述魚尾能夠相對(duì)于魚身骨架繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)；

驅(qū)動(dòng)裝置，其設(shè)置在所述魚頭與魚身骨架鉸接處，以驅(qū)動(dòng)所述魚頭相對(duì)于魚身骨架繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)；所述驅(qū)動(dòng)裝置還設(shè)置在魚身骨架和魚尾的鉸接處，以驅(qū)動(dòng)所述所述魚尾相對(duì)于魚身骨架繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)；

魚皮，其套合在所述魚身骨架外側(cè)，所述魚皮的前端與魚頭的后端密封連接，所述魚皮的后端與魚尾的前端密封連接；所述魚皮采用彈性材料制成；

所述魚頭前端外形呈回轉(zhuǎn)體形狀，并且所述回轉(zhuǎn)體的母線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，a為機(jī)器魚總長(zhǎng)度，b為機(jī)械魚最寬處的寬度，c為機(jī)械魚的總質(zhì)量，d為魚頭的質(zhì)量。

優(yōu)選的是，所述魚身骨架設(shè)為呈前后排列的兩段，其中第一段魚身骨架與第二段魚身骨架相鉸接，使第一段魚身骨架魚能夠相對(duì)于第二段魚身骨架繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)；所述第一段魚身骨架與第二段魚身骨架之間設(shè)置有驅(qū)動(dòng)裝置。

優(yōu)選的是，所述驅(qū)動(dòng)裝置為舵機(jī)。

優(yōu)選的是，所述圖像采集裝置為紅外攝像頭。

優(yōu)選的是，所述前端還設(shè)置有超聲波測(cè)距傳感器。

優(yōu)選的是，所述魚皮采用橡膠制成。

優(yōu)選的是，所述魚頭的左右兩端設(shè)置有向外突出的魚鰭板。

優(yōu)選的是，所述魚鰭板通過水平布置的轉(zhuǎn)軸與魚頭連接，使所述魚鰭板能夠上下擺動(dòng)。

優(yōu)選的是，所述魚鰭板的一部分位于所述魚頭內(nèi)，所述魚頭內(nèi)設(shè)置有擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，以驅(qū)動(dòng)所述魚鰭板上下擺動(dòng)；

所述魚鰭板上下擺動(dòng)的頻率f滿足：

優(yōu)選的是，所述擺動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：

彈簧，其豎直布置，所述彈簧頂部魚與魚頭固定連接，所述彈簧底部與魚鰭板固定連接；

銜鐵，其設(shè)置在所述魚鰭板的下表面上；

電磁鐵，其設(shè)置在所述魚鰭板的下方，所述電磁鐵通電后能夠吸引所述銜鐵。

一種機(jī)器魚的水下目標(biāo)跟蹤方法，包括如下步驟：

步驟一、獲取目標(biāo)標(biāo)志物的圖像；

步驟二、對(duì)目標(biāo)標(biāo)志物圖像進(jìn)行顏色識(shí)別，獲取HSV顏色空間中的Hue色度分量，計(jì)算目標(biāo)標(biāo)志物圖像的顏色直方圖

式中，C為歸一化系數(shù)，k為核函數(shù)，n為樣本點(diǎn)數(shù)，b()函數(shù)表示像素屬于哪個(gè)直方圖區(qū)間，u為直方圖的顏色索引；δ()函數(shù)判別像素處灰度值是否屬于直方圖第u個(gè)單元；

步驟三、計(jì)算每一個(gè)像素點(diǎn)的權(quán)重，用到該點(diǎn)的顏色在目標(biāo)標(biāo)志物圖像中的概率密度，

其中m為直方圖單元數(shù)；

步驟三、使用機(jī)器魚前端的圖像采集裝置采集前方視頻圖像，計(jì)算出視頻圖像的顏色直方圖，然后與目標(biāo)標(biāo)志物圖像的顏色直方圖進(jìn)行比對(duì)，相似度大于設(shè)定的閾值，則識(shí)別到目標(biāo)標(biāo)志物；

步驟四、通過計(jì)算圖像區(qū)域的0階距M₀₀和1階距M₀₁M₁₀進(jìn)行目標(biāo)標(biāo)志物具體位置搜索

步驟五、調(diào)整搜索區(qū)域的大小移動(dòng)到標(biāo)志目標(biāo)標(biāo)志物的中心位置，從而計(jì)算出目標(biāo)標(biāo)志物的位置(x_c,y_c)

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的機(jī)器魚，具有三個(gè)關(guān)節(jié)，通過舵機(jī)實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)器魚在水中游動(dòng)時(shí)能夠靈活的實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，游動(dòng)姿態(tài)與真魚相似度高，效果逼真；本發(fā)明具有良好的防水性能，能夠保護(hù)機(jī)器魚內(nèi)部的部件不水的侵蝕，使機(jī)械魚能夠在水中下潛的深度更深，時(shí)間更久。魚皮具有良好的彈性，在魚身骨架發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不會(huì)使魚皮開裂，能夠?qū)C(jī)器魚進(jìn)行更好的保護(hù)。本發(fā)明提供的機(jī)器魚，具有可擺動(dòng)的魚鰭板，通過對(duì)魚鰭板的擺動(dòng)頻率的設(shè)計(jì)，能夠使機(jī)器魚在水中游動(dòng)的更為穩(wěn)定。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的基于人工生命的機(jī)器魚總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述的魚身骨架與驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明所述的魚頭結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明所述的魚頭固定架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明所述的魚尾固定架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明所述的魚尾結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明所述的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為本發(fā)明所述的機(jī)器魚識(shí)別圖像。

圖9為將識(shí)別圖像中的目標(biāo)標(biāo)志物位于圖像中心時(shí)的圖像。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實(shí)施。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明提供了一種基于人工生命的機(jī)器魚，包括魚頭110、魚身骨架、魚尾130。

如圖3所示，所述魚頭呈中空狀，其后端具有開口。在魚頭110的前端設(shè)置有圖像采集裝置111，作為一種優(yōu)選的所述圖像采集裝置111為紅外攝像頭，通過圖像采集裝置111能夠采集機(jī)械魚游動(dòng)時(shí)周圍環(huán)境的圖像。所述魚頭110的前端還設(shè)置有超聲波測(cè)距傳感器112，其能夠檢測(cè)前方物體的距離，來判斷前方是否有障礙物，從而能夠及時(shí)調(diào)整機(jī)械魚的游動(dòng)姿態(tài)。由于機(jī)械魚在向前游動(dòng)時(shí)，魚頭110位于最前方，因此魚頭110的的外形輪廓直接影響著游動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力。因此魚頭110需要做成流線型，用于減小游動(dòng)阻力。

所述魚頭110前端外形呈回轉(zhuǎn)體形狀，并且所述回轉(zhuǎn)體的母線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，a為機(jī)器魚總長(zhǎng)度，b為機(jī)械魚最寬處的寬度，c為機(jī)械魚的總質(zhì)量，d為魚頭的質(zhì)量。

通過上述魚頭110外形輪廓的設(shè)計(jì)，能夠有效減小機(jī)械魚游動(dòng)時(shí)的阻力。

所述魚頭110的后端與魚身骨架連接，所述魚身骨架為兩端式設(shè)計(jì)，即包括前后布置的第一魚身骨架121和第二魚身骨架122。一并參閱圖4，所述第一魚身骨架121的前端連接有魚頭固定架123，所述魚頭固定架123與第一魚身骨架121相鉸接，鉸接軸沿豎直方向，使魚頭固定架123能夠相對(duì)于于第一魚身骨架121繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)。所述魚頭固定架123通過螺釘固定在魚頭110的后部。

第一段魚身骨架121與第二段魚身骨架122相鉸接，鉸接軸沿豎直方向， 使第一段魚身骨架121能夠相對(duì)于第二段魚身骨架122繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)。一并參閱圖5、圖6，所述第二段魚身骨架122的后部與魚尾固定架124鉸接，鉸接軸沿豎直方向，使魚尾固定架124能夠相對(duì)于第二段魚身骨架122繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)。所述魚尾固定架124的的后方設(shè)置有卡槽125，魚尾130卡入到卡槽125內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了魚尾130與魚尾固定架124相固定。

通過上述的布置，使依次連接的魚頭110、第一段魚身骨架121、第二段魚身骨架122、魚尾130組成了具有三個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)械魚，并且每個(gè)關(guān)節(jié)能夠使相鄰的兩個(gè)部件相對(duì)的繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)。在關(guān)節(jié)處設(shè)置有驅(qū)動(dòng)裝置，用于驅(qū)動(dòng)每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。所述驅(qū)動(dòng)裝置包括舵機(jī)131和舵機(jī)固定架132。通過舵機(jī)固定架132將舵機(jī)131進(jìn)行安裝固定，通過舵機(jī)131輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。

在所述魚身骨架外側(cè)套合有魚皮140，所述魚皮140采用橡膠制成，使其具有良好的彈性和防水性。所述魚皮140的前端與魚頭110的后端密封連接，所述魚皮140的后端與魚尾130的前端密封連接，使整個(gè)機(jī)械魚具有了防水性能，能夠自由的在水中游動(dòng)，不會(huì)使水進(jìn)入到機(jī)械魚內(nèi)部。

如圖3、圖7所示，在另一實(shí)施例中，所述魚頭110的左右兩端分別設(shè)置有向外突出的魚鰭板113。所述魚鰭板113的大部分位于魚頭110的外部，有一小部分位于魚頭110的內(nèi)部。所述魚鰭板113通過轉(zhuǎn)軸114與魚頭110連接，使魚鰭板113能夠相對(duì)于魚頭110上下擺動(dòng)，增強(qiáng)機(jī)械魚游動(dòng)的穩(wěn)定性。在魚頭110內(nèi)設(shè)置有擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)使魚鰭板113上下擺動(dòng)。

如圖7所示，所述擺動(dòng)機(jī)構(gòu)包括彈簧151、銜鐵152和電磁鐵153。其中，所述彈簧151呈豎直布置，其頂部與魚頭110固定連接，底部與魚鰭板113的上表面固定連接，通過彈簧151為魚鰭板113施加一個(gè)向上的拉力，使魚鰭板113位于魚頭110外的部分向下擺動(dòng)。銜鐵152固定在魚鰭板113的下表面上，電磁鐵153位于魚鰭板113的下方，當(dāng)電磁鐵153通電后能夠吸引所述銜鐵152，并且能夠克服彈簧151的拉力，使魚鰭板113位于魚頭110外的部分向上擺動(dòng)。即通過電磁鐵153不斷的通電斷電，實(shí)現(xiàn)了魚鰭板113的不斷上下擺動(dòng)。

通過擺動(dòng)機(jī)構(gòu)控制魚鰭板133上下擺動(dòng)，并且使魚鰭板133上下擺動(dòng)的頻率f滿足：

本發(fā)明提供的機(jī)器魚，具有三個(gè)關(guān)節(jié)，通過舵機(jī)實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)器魚在水中游動(dòng)時(shí)能夠靈活的實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，游動(dòng)姿態(tài)與真魚相似度高，效果逼真；本發(fā)明具有良好的防水性能，能夠保護(hù)機(jī)器魚內(nèi)部的部件不水的侵蝕，使機(jī)械魚能夠在水中下潛的深度更深，時(shí)間更久。魚皮具有良好的彈性，在魚身骨架發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不會(huì)使魚皮開裂，能夠?qū)C(jī)器魚進(jìn)行更好的保護(hù)。本發(fā)明提供的機(jī)器魚，具有可擺動(dòng)的魚鰭板，通過對(duì)魚鰭板的擺動(dòng)頻率的設(shè)計(jì)，能夠使機(jī)器魚在水中游動(dòng)的更為穩(wěn)定。

本發(fā)明還提供了一種機(jī)器魚的水下目標(biāo)跟蹤方法，包括如下步驟：

步驟一、獲取目標(biāo)標(biāo)志物的圖像，如圖8所示，即在機(jī)械魚尋找目標(biāo)之前先將目標(biāo)標(biāo)志物進(jìn)行拍攝，得到目標(biāo)標(biāo)志物的圖像。圖8中可知目標(biāo)標(biāo)志物為一個(gè)方形物體。

步驟二、對(duì)目標(biāo)標(biāo)志物圖像進(jìn)行顏色識(shí)別，獲取HSV顏色空間中的Hue色度分量，計(jì)算目標(biāo)標(biāo)志物圖像的顏色直方圖

式中，C為歸一化系數(shù)，k為核函數(shù)，n為樣本點(diǎn)數(shù)，b()函數(shù)表示像素屬于哪個(gè)直方圖區(qū)間，u為直方圖的顏色索引；δ()函數(shù)判別像素處灰度值是否屬于直方圖第u個(gè)單元；

步驟三、計(jì)算每一個(gè)像素點(diǎn)的權(quán)重，用到該點(diǎn)的顏色在目標(biāo)標(biāo)志物圖像中的概率密度，

其中m為直方圖單元數(shù)。

步驟三、使用機(jī)器魚前端的圖像采集裝置采集前方視頻圖像，計(jì)算出視頻圖像的顏色直方圖，然后與目標(biāo)標(biāo)志物圖像的顏色直方圖進(jìn)行比對(duì)，相似 度大于設(shè)定的閾值，則識(shí)別到目標(biāo)標(biāo)志物；所述閾值設(shè)定為0.8。如圖8所示，機(jī)器魚前端的圖像采集裝置拍攝到了前方視頻圖像，經(jīng)判別其是目標(biāo)標(biāo)志物。

步驟四、通過計(jì)算圖像區(qū)域的0階距M₀₀和1階距M₀₁M₁₀進(jìn)行目標(biāo)標(biāo)志物具體位置搜索

步驟五、調(diào)整搜索區(qū)域的大小移動(dòng)到目標(biāo)標(biāo)志物的中心位置，從而計(jì)算出目標(biāo)標(biāo)志物的位置(x_c,y_c)

如圖9所示，通過調(diào)整搜索區(qū)域的大小，使目標(biāo)標(biāo)志物位于圖像中心，得到了其位置。

盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。