[发明专利]仿生机器鱼及其图像增稳系统和主动视觉跟踪系统

说明书

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域，具体涉及一种仿生机器鱼及其图像增稳系统和主动视觉跟踪系统。

背景技术

仿生机器鱼的研究已有20多年的历史，研究内容从最初简单的游动模仿，发展到现在注重各种游动性能指标的提升。特别是近十年，随着科技发展带来的技术革新，仿生机器鱼的运动性能获得极大提高。但是，在水下环境感知及智能水平研究方面，仿生机器鱼的进步相对有限，主要局限于水下环境感知传感器上。

一般来讲，仿生机器鱼采用波动推进方式，通过摆动身体及尾鳍获得前进推力。但是，这种推进方式容易引起严重的艏摇行为，造成位于仿生机器鱼头部的摄像头难以获得清晰的图像，给图像处理与分析带来很大困难。同时，在运动过程中，仿生机器鱼与被跟踪物体的相对运动容易造成被跟踪物体脱离摄像头视野范围，增加视觉追踪的难度。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种仿生机器鱼及其图像增稳系统和主动视觉跟踪系统，改善了仿生机器鱼摄像头的成像质量，同时提高了对运动物体跟踪的可靠度，为仿生机器鱼利用水下机器视觉实现更高的智能奠定了基础。

本发明提出一种仿生机器鱼图像增稳系统，包括：云台电机、第一惯性测量单元、第二惯性测量单元、控制单元；

所述云台电机，装设于所述仿生机器鱼头部，用于带动云台进行转动；所述云台上设置有用于采集仿生机器鱼行进方向图像的摄像头；

所述第一惯性测量单元，设置于所述仿生机器鱼头部，用于测量所述摄像头相对于世界坐标系的实时姿态角；

所述第二惯性测量单元，设置于所述仿生机器鱼的身体内部，用于测量所述仿生机器鱼艏摇行为产生的第一扰动信号；

所述控制单元，用于根据所述摄像头相对于世界坐标系的目标姿态角、以及所述第一惯性测量单元和所述第二惯性测量单元的测量结果，控制所述云台电机的转动。

优选地，所述控制单元，包括反馈控制器和前馈控制器；

所述反馈控制器的输入信号为所述摄像头相对于世界坐标系的目标姿态角；所述反馈控制器的负反馈信号为所述第一惯性测量单元的测量结果；

所述前馈控制器的输入信号为所述第二惯性测量单元的测量结果；

所述反馈控制器的输出信号与所述前馈控制器的输出信号的差值，作为所述云台电机的输入。

优选地，所述云台电机模型的传递函数为：

其中，s为复数自变量，a、b、c为云台电机模型参数。

优选地，所述反馈控制器为比例微分控制器，其传递函数为：

C(s)＝k_p+k_ds，

其中，s为复数自变量，k_p为比例系数，k_d为微分系数。

优选地，所述前馈控制器的传递函数为：

D(s)＝as³+bs²+cs，

其中，s为复数自变量，a、b、c为云台电机模型参数。

优选地，所述仿生机器鱼，采用波动推进的方式，依靠正弦信号驱动身体及尾鳍以产生前进的推动力。

本发明同时提出一种仿生机器鱼主动视觉跟踪系统，包括：摄像头、图像处理单元、主动视觉控制器，以及上面所述的仿生机器鱼图像增稳系统；

所述摄像头，安装于所述仿生机器鱼头部的云台上，用于采集图像数据；

所述图像处理单元，用于对所述摄像头采集到的图像数据进行实时处理，获取被跟踪物体在图像中的实际位置；

所述主动视觉控制器，用于根据所述被跟踪物体在图像中的目标位置和所述被跟踪物体在图像中的实际位置，计算所述摄像头相对于世界坐标系的目标姿态角。

优选地，所述主动视觉控制器的输入信号为所述被跟踪物体在图像中的目标位置，所述主动视觉控制器的负反馈信号为所述被跟踪物体在图像中的实际位置。

优选地，所述主动视觉控制器的传递函数为：

其中，k_s为控制器的积分系数。

本发明同时提出一种仿生机器鱼，基于上面所述的仿生机器鱼主动视觉跟踪系统。