本發(fā)明涉及仿生機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種仿生機(jī)器魚及其圖像增穩(wěn)系統(tǒng)和主動視覺跟蹤系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

仿生機(jī)器魚的研究已有20多年的歷史，研究內(nèi)容從最初簡單的游動模仿，發(fā)展到現(xiàn)在注重各種游動性能指標(biāo)的提升。特別是近十年，隨著科技發(fā)展帶來的技術(shù)革新，仿生機(jī)器魚的運(yùn)動性能獲得極大提高。但是，在水下環(huán)境感知及智能水平研究方面，仿生機(jī)器魚的進(jìn)步相對有限，主要局限于水下環(huán)境感知傳感器上。

一般來講，仿生機(jī)器魚采用波動推進(jìn)方式，通過擺動身體及尾鰭獲得前進(jìn)推力。但是，這種推進(jìn)方式容易引起嚴(yán)重的艏搖行為，造成位于仿生機(jī)器魚頭部的攝像頭難以獲得清晰的圖像，給圖像處理與分析帶來很大困難。同時，在運(yùn)動過程中，仿生機(jī)器魚與被跟蹤物體的相對運(yùn)動容易造成被跟蹤物體脫離攝像頭視野范圍，增加視覺追蹤的難度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明提出了一種仿生機(jī)器魚及其圖像增穩(wěn)系統(tǒng)和主動視覺跟蹤系統(tǒng)，改善了仿生機(jī)器魚攝像頭的成像質(zhì)量，同時提高了對運(yùn)動物體跟蹤的可靠度，為仿生機(jī)器魚利用水下機(jī)器視覺實現(xiàn)更高的智能奠定了基礎(chǔ)。

本發(fā)明提出一種仿生機(jī)器魚圖像增穩(wěn)系統(tǒng)，包括：云臺電機(jī)、第一慣性測量單元、第二慣性測量單元、控制單元；

所述云臺電機(jī)，裝設(shè)于所述仿生機(jī)器魚頭部，用于帶動云臺進(jìn)行轉(zhuǎn)動；所述云臺上設(shè)置有用于采集仿生機(jī)器魚行進(jìn)方向圖像的攝像頭；

所述第一慣性測量單元，設(shè)置于所述仿生機(jī)器魚頭部，用于測量所述攝像頭相對于世界坐標(biāo)系的實時姿態(tài)角；

所述第二慣性測量單元，設(shè)置于所述仿生機(jī)器魚的身體內(nèi)部，用于測量所述仿生機(jī)器魚艏搖行為產(chǎn)生的第一擾動信號；

所述控制單元，用于根據(jù)所述攝像頭相對于世界坐標(biāo)系的目標(biāo)姿態(tài)角、以及所述第一慣性測量單元和所述第二慣性測量單元的測量結(jié)果，控制所述云臺電機(jī)的轉(zhuǎn)動。

優(yōu)選地，所述控制單元，包括反饋控制器和前饋控制器；

所述反饋控制器的輸入信號為所述攝像頭相對于世界坐標(biāo)系的目標(biāo)姿態(tài)角；所述反饋控制器的負(fù)反饋信號為所述第一慣性測量單元的測量結(jié)果；

所述前饋控制器的輸入信號為所述第二慣性測量單元的測量結(jié)果；

所述反饋控制器的輸出信號與所述前饋控制器的輸出信號的差值，作為所述云臺電機(jī)的輸入。

優(yōu)選地，所述云臺電機(jī)模型的傳遞函數(shù)為：

其中，s為復(fù)數(shù)自變量，a、b、c為云臺電機(jī)模型參數(shù)。

優(yōu)選地，所述反饋控制器為比例微分控制器，其傳遞函數(shù)為：

C(s)＝k_p+k_ds，

其中，s為復(fù)數(shù)自變量，k_p為比例系數(shù)，k_d為微分系數(shù)。

優(yōu)選地，所述前饋控制器的傳遞函數(shù)為：

D(s)＝as³+bs²+cs，

其中，s為復(fù)數(shù)自變量，a、b、c為云臺電機(jī)模型參數(shù)。

優(yōu)選地，所述仿生機(jī)器魚，采用波動推進(jìn)的方式，依靠正弦信號驅(qū)動身體及尾鰭以產(chǎn)生前進(jìn)的推動力。

本發(fā)明同時提出一種仿生機(jī)器魚主動視覺跟蹤系統(tǒng)，包括：攝像頭、圖像處理單元、主動視覺控制器，以及上面所述的仿生機(jī)器魚圖像增穩(wěn)系統(tǒng)；

所述攝像頭，安裝于所述仿生機(jī)器魚頭部的云臺上，用于采集圖像數(shù)據(jù)；

所述圖像處理單元，用于對所述攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，獲取被跟蹤物體在圖像中的實際位置；

所述主動視覺控制器，用于根據(jù)所述被跟蹤物體在圖像中的目標(biāo)位置和所述被跟蹤物體在圖像中的實際位置，計算所述攝像頭相對于世界坐標(biāo)系的目標(biāo)姿態(tài)角。

優(yōu)選地，所述主動視覺控制器的輸入信號為所述被跟蹤物體在圖像中的目標(biāo)位置，所述主動視覺控制器的負(fù)反饋信號為所述被跟蹤物體在圖像中的實際位置。

優(yōu)選地，所述主動視覺控制器的傳遞函數(shù)為：

其中，k_s為控制器的積分系數(shù)。

本發(fā)明同時提出一種仿生機(jī)器魚，基于上面所述的仿生機(jī)器魚主動視覺跟蹤系統(tǒng)。

本發(fā)明提出的一種仿生機(jī)器魚圖像增穩(wěn)系統(tǒng)，用于解決仿生機(jī)器魚艏搖引起的圖像晃動。構(gòu)建了反饋控制器和前饋控制器，通過第一慣性測量單元來測量所述攝像頭相對于世界坐標(biāo)系的實時姿態(tài)角，作為負(fù)反饋信號；通過第二慣性測量單元測量所述第一擾動信號，作為前饋信號；實時計算云臺的轉(zhuǎn)動角度，以保持?jǐn)z像頭相對姿態(tài)穩(wěn)定，實現(xiàn)水下圖像增穩(wěn)。在圖像增穩(wěn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出的一種仿生機(jī)器魚主動視覺跟蹤系統(tǒng)，用于解決由于被跟蹤物體本身移動或周圍環(huán)境變化而引起的被跟蹤物體在圖像中位置的偏移。基于主動視覺控制器，根據(jù)被跟蹤物體在圖像中的目標(biāo)位置和實際位置，實時計算圖像增穩(wěn)系統(tǒng)的目標(biāo)姿態(tài)角，從而實現(xiàn)攝像頭跟隨被跟蹤物體運(yùn)動，完成主動視覺跟蹤。

附圖說明

圖1為本實施例中圖像增穩(wěn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實施例中圖像增穩(wěn)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖；

圖3為本實施例中圖像增穩(wěn)系統(tǒng)的效果圖；

圖4為本實施例中主動視覺跟蹤系統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖；

圖5為本實施例中主動視覺跟蹤系統(tǒng)的效果圖。

具體實施方式

下面參照附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，這些實施方式僅僅用于解釋本發(fā)明的技術(shù)原理，并非旨在限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明提出一種仿生機(jī)器魚圖像增穩(wěn)系統(tǒng)，如圖1所示，攝像頭1、第一慣性測量單元2、連桿3和云臺電機(jī)4，都位于仿生機(jī)器魚6的頭部；控制電路板5位于仿生機(jī)器魚6的身體內(nèi)部。

攝像頭1通過連桿3固定在云臺電機(jī)4的輸出軸末端。同時，第一慣性測量單元2也固定在連桿3上，并隨著攝像頭1轉(zhuǎn)動，即第一慣性測量單元2能夠測量攝像頭1相對于世界坐標(biāo)系的實時姿態(tài)?？刂齐娐钒?固定在仿生機(jī)器魚6身體內(nèi)部，并跟隨仿生機(jī)器魚運(yùn)動。同時，控制電路板5設(shè)計有第二慣性測量單元，用于測量仿生機(jī)器魚6因波動推進(jìn)時的艏搖行為而產(chǎn)生的第一擾動信號。采用具有偏航自由度的云臺，云臺電機(jī)4可沿仿生機(jī)器魚的偏航方向轉(zhuǎn)動，本發(fā)明通過前饋控制器和反饋控制器，控制云臺電機(jī)4轉(zhuǎn)動的角度，從而實現(xiàn)攝像頭1相對于世界坐標(biāo)系的姿態(tài)穩(wěn)定，即保持?jǐn)z像頭1所采集圖像穩(wěn)定。

本實施例中，前饋控制器和反饋控制器組成控制單元，用于根據(jù)攝像頭1相對于世界坐標(biāo)系的目標(biāo)姿態(tài)角，以及第一慣性測量單元2和所述第二慣性測量單元的測量結(jié)果，實時控制云臺電機(jī)4的轉(zhuǎn)動。

所述反饋控制器的輸入信號為所述攝像頭1相對于世界坐標(biāo)系的目標(biāo)姿態(tài)角，所述反饋控制器的負(fù)反饋信號為所述第一慣性測量單元的測量結(jié)果(即攝像頭1相對于世界坐標(biāo)系的實時姿態(tài)角)；所述前饋控制器的輸入信號為所述第二慣性測量單元的測量結(jié)果(即所述第一擾動信號)；所述反饋控制器的輸出信號與所述前饋控制器的輸出信號的差值，作為所述云臺電機(jī)4的輸入。

本實施例中，所述仿生機(jī)器魚圖像增穩(wěn)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖，如圖2所示。仿生機(jī)器魚的波動推進(jìn)方式，依靠正弦信號驅(qū)動身體及尾鰭以產(chǎn)生前進(jìn)的推動力。因此，引起仿生機(jī)器魚頭部的晃動接近一個正弦信號。記第一擾動信號為n₁(t)，云臺電機(jī)4轉(zhuǎn)動的角度為φ(t)，則攝像頭1的姿態(tài)角如公式(1)所示：

y(t)＝n₁(t)+φ(t) (1)

針對圖像增穩(wěn)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)輸出為y(t)。通過第一慣性測量單元2測量y(t)，測得的結(jié)果為負(fù)反饋信號，構(gòu)建基于比例微分控制器的反饋控制器；同時，通過第二慣性測量單元測量第一擾動信號n₁(t)，測得的結(jié)果作為前饋信號，構(gòu)建前饋控制器，減少擾動對系統(tǒng)輸出的影響，以獲得更好的控制效果。

根據(jù)圖2的控制系統(tǒng)框圖，容易得到公式(2)：

其中，s為復(fù)數(shù)自變量，Y(s)為系統(tǒng)輸出y(t)的拉普拉斯變換，N₁(s)為第一擾動信號n₁(t)的拉普拉斯變換，D(s)為前饋控制器的傳遞函數(shù)，G(s)為云臺電機(jī)模型的傳遞函數(shù)，C(s)為反饋控制器的傳遞函數(shù)。

若構(gòu)建前饋控制器，如公式(3)所示：

則第一擾動信號對于系統(tǒng)輸出的影響為0，如公式(4)所示：

考慮到系統(tǒng)的受控對象為云臺電機(jī)4，構(gòu)建該云臺電機(jī)模型，得到其傳遞函數(shù)如公式(5)所示：

其中，a、b、c為云臺電機(jī)模型參數(shù)。

最終，根據(jù)公式換算，得到圖2中反饋控制器和前饋控制器的傳遞函數(shù)分別如公式(6)和公式(7)所示：

C(s)＝k_p+k_ds (6)

D(s)＝as³+bs²+cs (7)

其中，k_p為比例系數(shù)，k_d為微分系數(shù)，a、b、c為云臺電機(jī)模型參數(shù)。

本實施例中，所述仿生機(jī)器魚圖像增穩(wěn)系統(tǒng)的實驗效果，如圖3所示。根據(jù)實驗結(jié)果分析，在沒有圖像增穩(wěn)系統(tǒng)的條件下，攝像頭的視野變化最大范圍如圖3中左上角和左下角的圖像所示，最大范圍為624個像素；應(yīng)用了本發(fā)明的圖像增穩(wěn)系統(tǒng)后，攝像頭的視野變化最大范圍如圖3中右上角和右下角的圖像所示，最大范圍降為62個像素。實驗結(jié)果證明了圖像增穩(wěn)系統(tǒng)和相關(guān)控制方法的有效性。

本發(fā)明同時提出一種仿生機(jī)器魚主動視覺跟蹤系統(tǒng)，以上面所述的仿生機(jī)器魚圖像增穩(wěn)系統(tǒng)作為子系統(tǒng)，如圖4的控制系統(tǒng)框圖所示，另外還包括：攝像頭、圖像處理單元、主動視覺控制器。

除了仿生機(jī)器魚艏搖行為會產(chǎn)生第一擾動信號N₁(s)，此外，由于被跟蹤物體本身的移動，以及所述仿生機(jī)器魚周圍水流環(huán)境的變化，會導(dǎo)致被跟蹤物體在圖像中的位置發(fā)生偏移，對于仿生機(jī)器魚主動視覺跟蹤系統(tǒng)來說，這也是一種擾動，我們稱之為第二擾動信號N₂(s)。該系統(tǒng)通過實時處理攝像頭采集的圖像信息，獲得被跟蹤物體在圖像坐標(biāo)系中的實際位置，再將其與目標(biāo)位置作差得到主動視覺控制器的輸入；主動視覺控制器的輸出作為仿生機(jī)器魚圖像增穩(wěn)系統(tǒng)的輸入(即攝像頭目標(biāo)姿態(tài)角)；再通過圖像增穩(wěn)系統(tǒng)控制攝像頭轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)對被跟蹤物體的主動視覺跟蹤。

本實施例中，攝像頭安裝于仿生機(jī)器魚頭部的云臺上，用于采集圖像數(shù)據(jù)。

所述圖像處理單元，用于對所述攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，對被跟蹤物體進(jìn)行檢測與識別，進(jìn)而獲取被跟蹤物體在圖像中的實際位置。

所述主動視覺控制器，該控制器的輸入信號為所述被跟蹤物體在圖像中的目標(biāo)位置，該控制器的負(fù)反饋信號為所述被跟蹤物體在圖像中的實際位置。用于根據(jù)所述被跟蹤物體在圖像中的目標(biāo)位置和所述被跟蹤物體在圖像中的實際位置，計算所述攝像頭相對于世界坐標(biāo)系的目標(biāo)姿態(tài)角。

所述仿生機(jī)器魚圖像增穩(wěn)系統(tǒng)，根據(jù)所述攝像頭相對于世界坐標(biāo)系的目標(biāo)姿態(tài)角、實時姿態(tài)角，以及第一擾動信號N₁(s)，控制所述攝像頭的轉(zhuǎn)動。

本實施例中，根據(jù)攝像頭的幾何模型得出被跟蹤物體在攝像頭坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，如公式(8)所示：

u＝-αtanθ+c_x (8)

其中，α為攝像頭的放大率系數(shù)，θ為攝像頭的姿態(tài)角，c_x為攝像頭的投影中心坐標(biāo)。該模型經(jīng)過線性近似處理得到公式(9)：

u＝-α·θ+c_x (9)

于是，得到攝像頭模型的傳遞函數(shù)，如公式(10)所示：

G_c(s)＝α (10)

假設(shè)圖像增穩(wěn)系統(tǒng)是理想的，即圖像增穩(wěn)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為1，也就是說系統(tǒng)沒有純時延環(huán)節(jié)，則系統(tǒng)誤差的傳遞函數(shù)如公式(11)所示：

其中，T(s)為被跟蹤物體在圖像中的目標(biāo)位置，R(s)為被跟蹤物體在圖像中的實際位置。

在階躍輸入的情況下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差如公式(12)所示：

因此，為使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0，則主動視覺控制器的傳遞函數(shù)如公式(13)所示：

其中，k_s為控制器的積分系數(shù)。

值得注意的是，由于系統(tǒng)在進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的采集和處理時都有延時，所以系統(tǒng)具有較大的純時延環(huán)節(jié)，k_s應(yīng)設(shè)置為一個相對較小的值，本實施例中，其值為0.0016。

本實施例中，仿生機(jī)器魚主動視覺跟蹤系統(tǒng)的實驗視頻截圖，如圖5所示。其中，被跟蹤物體由長方形框標(biāo)出，每幅圖像下方的t值表示拍攝該幅圖像時的時間點(diǎn)(自仿生機(jī)器魚主動視覺跟蹤系統(tǒng)啟動后，開始計時)。根據(jù)實驗結(jié)果分析，在仿生機(jī)器魚運(yùn)動過程中，該算法大幅減小了圖像晃動幅值，并有效保證了被跟蹤物體位于圖像中央。該實驗成功驗證了本發(fā)明所給出的仿生機(jī)器魚主動視覺跟蹤系統(tǒng)的有效性。

本發(fā)明同時提出一種仿生機(jī)器魚，基于上面所述的仿生機(jī)器魚主動視覺跟蹤系統(tǒng)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該能夠意識到，結(jié)合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元、控制器、方法，能夠以電子硬件、計算機(jī)軟件或者二者的結(jié)合來實現(xiàn)，為了清楚地說明電子硬件和軟件的可互換性，在上述說明中已經(jīng)按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以電子硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術(shù)方案的特定應(yīng)用和設(shè)計約束條件。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對每個特定的應(yīng)用來使用不同方法來實現(xiàn)所描述的功能，但是這種實現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖所示的優(yōu)選實施方式描述了本發(fā)明的技術(shù)方案，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的是，本發(fā)明的保護(hù)范圍顯然不局限于這些具體實施方式。在不偏離本發(fā)明的原理的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對相關(guān)技術(shù)特征作出等同的更改或替換，這些更改或替換之后的技術(shù)方案都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。