一種機器魚及其水下目標跟蹤方法與流程
2023-11-10 15:33:17
本發明涉及人工生命技術領域，特別涉及一種基於人工生命的機器魚及其水下目標跟蹤方法。
背景技術：
人工生命是通過人工模擬生命系統,來研究生命的領域。人工生命的概念，包括兩個方面內容：1、屬於計算機科學領域的虛擬生命系統，涉及計算機軟體工程與人工智慧技術，以及2、基因工程技術人工改造生物的工程生物系統，涉及合成生物學技術。
機器魚，從材料製作的外形像魚的機器，配備有化學傳感器的自主機器魚，它能夠在水中遊數小時，在水中具有和魚一樣的靈活性和適應性。
在自然界中，魚類進化出了卓越的遊泳技巧。較普通的水下推進器而言，它具有推進效率高、機動性能好、豐富的感官等優點。基於這些優點人們過仿生機器魚的研究也越來越多，仿生機器魚的功能也越來越完善，仿生機器魚的應用領域涵蓋了科學、教育和娛樂等領域隨著仿生學的發展，國內外越來越多的學者致力於研究仿生機器魚，仿照魚類的外形以及遊動機理，製造出仿生機器魚使之具有高效、靈活的水下巡遊能力，可以應用於複雜環境下的資源探測、生物研究和軍事偵察等領域。基於這些優點人們過仿生機器魚的研究也越來越多，仿生機器魚的功能也越來越完善，仿生機器魚的應用領域涵蓋了科學、教育和娛樂等領域。魚類採用的是波動推進的遊動方式，身體的擺動是柔性的運動，所以，仿生機器魚的擺動關節越多就越能模仿出魚類的柔性擺動。但是，採用擺動推進方式，機器魚遊動較慢，如何使機器魚能夠在水中快速遊動而更加具有觀賞性是需要解決的問題。同時而由於魚的遊動動作比較複雜，給機器魚的製造帶來了極大的技術困難。
技術實現要素：
本發明設計開發了一種機器魚，克服了現有機器魚遊動阻力大的缺陷。
本發明的另一個目的是克服現有機器魚遊動不穩定的缺陷，通過設計魚鰭板的擺動頻率，使遊動更為平穩。
本發明還有一個目的是解決水下目標跟蹤效率低、速度慢的缺陷。
本發明提供的技術方案為：
一種機器魚，包括：
魚頭，其設置成後端開口的中空狀；所述魚頭前端設置有圖像採集裝置；
魚身骨架，其前端鉸接在所述魚頭的後端，使所述魚頭能夠相對於魚身骨架繞豎直軸線旋轉；
魚尾，其鉸接在所述魚身骨架的後端，使所述魚尾能夠相對於魚身骨架繞豎直軸線旋轉；
驅動裝置，其設置在所述魚頭與魚身骨架鉸接處，以驅動所述魚頭相對於魚身骨架繞豎直軸線旋轉；所述驅動裝置還設置在魚身骨架和魚尾的鉸接處，以驅動所述所述魚尾相對於魚身骨架繞豎直軸線旋轉；
魚皮，其套合在所述魚身骨架外側，所述魚皮的前端與魚頭的後端密封連接，所述魚皮的後端與魚尾的前端密封連接；所述魚皮採用彈性材料製成；
所述魚頭前端外形呈迴轉體形狀，並且所述迴轉體的母線的數學表達式為：
其中，a為機器魚總長度，b為機械魚最寬處的寬度，c為機械魚的總質量，d為魚頭的質量。
優選的是，所述魚身骨架設為呈前後排列的兩段，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於第二段魚身骨架繞豎直軸線旋轉；所述第一段魚身骨架與第二段魚身骨架之間設置有驅動裝置。
優選的是，所述驅動裝置為舵機。
優選的是，所述圖像採集裝置為紅外攝像頭。
優選的是，所述前端還設置有超聲波測距傳感器。
優選的是，所述魚皮採用橡膠製成。
優選的是，所述魚頭的左右兩端設置有向外突出的魚鰭板。
優選的是，所述魚鰭板通過水平布置的轉軸與魚頭連接，使所述魚鰭板能夠上下擺動。
優選的是，所述魚鰭板的一部分位於所述魚頭內，所述魚頭內設置有擺動機構，以驅動所述魚鰭板上下擺動；
所述魚鰭板上下擺動的頻率f滿足：
優選的是，所述擺動機構包括：
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，其設置在所述魚鰭板的下表面上；
電磁鐵，其設置在所述魚鰭板的下方，所述電磁鐵通電後能夠吸引所述銜鐵。
一種機器魚的水下目標跟蹤方法，包括如下步驟：
步驟一、獲取目標標誌物的圖像；
步驟二、對目標標誌物圖像進行顏色識別，獲取HSV顏色空間中的Hue色度分量，計算目標標誌物圖像的顏色直方圖
式中，C為歸一化係數，k為核函數，n為樣本點數，b函數表示像素屬於哪個直方圖區間，u為直方圖的顏色索引；δ函數判別像素處灰度值是否屬於直方圖第u個單元；
步驟三、計算每一個像素點的權重，用到該點的顏色在目標標誌物圖像中的概率密度，
其中m為直方圖單元數；
步驟三、使用機器魚前端的圖像採集裝置採集前方視頻圖像，計算出視頻圖像的顏色直方圖，然後與目標標誌物圖像的顏色直方圖進行比對，相似度大於設定的閾值，則識別到目標標誌物；
步驟四、通過計算圖像區域的0階距M00和1階距M01M10進行目標標誌物具體位置搜索
步驟五、調整搜索區域的大小移動到標誌目標標誌物的中心位置，從而計算出目標標誌物的位置(xc,yc)
本發明的有益效果是：本發明提供的機器魚，具有三個關節，通過舵機實現了關節的轉動，使機器魚在水中遊動時能夠靈活的實現前進、左轉彎和右轉彎，遊動姿態與真魚相似度高，效果逼真；本發明具有良好的防水性能，能夠保護機器魚內部的部件不水的侵蝕，使機械魚能夠在水中下潛的深度更深，時間更久。魚皮具有良好的彈性，在魚身骨架發生轉動時不會使魚皮開裂，能夠對機器魚進行更好的保護。本發明提供的機器魚，具有可擺動的魚鰭板，通過對魚鰭板的擺動頻率的設計，能夠使機器魚在水中遊動的更為穩定。
附圖說明
圖1為本發明所述的基於人工生命的機器魚總體結構示意圖。
圖2為本發明所述的魚身骨架與驅動裝置結構示意圖。
圖3為本發明所述的魚頭結構示意圖。
圖4為本發明所述的魚頭固定架結構示意圖。
圖5為本發明所述的魚尾固定架結構示意圖。
圖6為本發明所述的魚尾結構示意圖。
圖7為本發明所述的擺動機構結構示意圖。
圖8為本發明所述的機器魚識別圖像。
圖9為將識別圖像中的目標標誌物位於圖像中心時的圖像。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。
如圖1、圖2所示，本發明提供了一種基於人工生命的機器魚，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，其後端具有開口。在魚頭110的前端設置有圖像採集裝置111，作為一種優選的所述圖像採集裝置111為紅外攝像頭，通過圖像採集裝置111能夠採集機械魚遊動時周圍環境的圖像。所述魚頭110的前端還設置有超聲波測距傳感器112，其能夠檢測前方物體的距離，來判斷前方是否有障礙物，從而能夠及時調整機械魚的遊動姿態。由於機械魚在向前遊動時，魚頭110位於最前方，因此魚頭110的的外形輪廓直接影響著遊動時產生的阻力。因此魚頭110需要做成流線型，用於減小遊動阻力。
所述魚頭110前端外形呈迴轉體形狀，並且所述迴轉體的母線的數學表達式為：
其中，a為機器魚總長度，b為機械魚最寬處的寬度，c為機械魚的總質量，d為魚頭的質量。
通過上述魚頭110外形輪廓的設計，能夠有效減小機械魚遊動時的阻力。
所述魚頭110的後端與魚身骨架連接，所述魚身骨架為兩端式設計，即包括前後布置的第一魚身骨架121和第二魚身骨架122。一併參閱圖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能夠相對于于第一魚身骨架121繞豎直軸線旋轉。所述魚頭固定架123通過螺釘固定在魚頭110的後部。
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能夠相對於第二段魚身骨架122繞豎直軸線旋轉。一併參閱圖5、圖6，所述第二段魚身骨架122的後部與魚尾固定架124鉸接，鉸接軸沿豎直方向，使魚尾固定架124能夠相對於第二段魚身骨架122繞豎直軸線旋轉。所述魚尾固定架124的的後方設置有卡槽125，魚尾130卡入到卡槽125內，實現了魚尾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組成了具有三個關節的機械魚，並且每個關節能夠使相鄰的兩個部件相對的繞豎直軸線旋轉。在關節處設置有驅動裝置，用於驅動每個關節的運動。所述驅動裝置包括舵機131和舵機固定架132。通過舵機固定架132將舵機131進行安裝固定，通過舵機131輸出的旋轉運動實現了每個關節的運動。
在所述魚身骨架外側套合有魚皮140，所述魚皮140採用橡膠製成，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的後端密封連接，所述魚皮140的後端與魚尾130的前端密封連接，使整個機械魚具有了防水性能，能夠自由的在水中遊動，不會使水進入到機械魚內部。
如圖3、圖7所示，在另一實施例中，所述魚頭110的左右兩端分別設置有向外突出的魚鰭板113。所述魚鰭板113的大部分位於魚頭110的外部，有一小部分位於魚頭110的內部。所述魚鰭板113通過轉軸114與魚頭110連接，使魚鰭板113能夠相對於魚頭110上下擺動，增強機械魚遊動的穩定性。在魚頭110內設置有擺動機構，通過擺動機構的驅動使魚鰭板113上下擺動。
如圖7所示，所述擺動機構包括彈簧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施加一個向上的拉力，使魚鰭板113位於魚頭110外的部分向下擺動。銜鐵152固定在魚鰭板113的下表面上，電磁鐵153位於魚鰭板113的下方，當電磁鐵153通電後能夠吸引所述銜鐵152，並且能夠克服彈簧151的拉力，使魚鰭板113位於魚頭110外的部分向上擺動。即通過電磁鐵153不斷的通電斷電，實現了魚鰭板113的不斷上下擺動。
通過擺動機構控制魚鰭板133上下擺動，並且使魚鰭板133上下擺動的頻率f滿足：
本發明提供的機器魚，具有三個關節，通過舵機實現了關節的轉動，使機器魚在水中遊動時能夠靈活的實現前進、左轉彎和右轉彎，遊動姿態與真魚相似度高，效果逼真；本發明具有良好的防水性能，能夠保護機器魚內部的部件不水的侵蝕，使機械魚能夠在水中下潛的深度更深，時間更久。魚皮具有良好的彈性，在魚身骨架發生轉動時不會使魚皮開裂，能夠對機器魚進行更好的保護。本發明提供的機器魚，具有可擺動的魚鰭板，通過對魚鰭板的擺動頻率的設計，能夠使機器魚在水中遊動的更為穩定。
本發明還提供了一種機器魚的水下目標跟蹤方法，包括如下步驟：
步驟一、獲取目標標誌物的圖像，如圖8所示，即在機械魚尋找目標之前先將目標標誌物進行拍攝，得到目標標誌物的圖像。圖8中可知目標標誌物為一個方形物體。
步驟二、對目標標誌物圖像進行顏色識別，獲取HSV顏色空間中的Hue色度分量，計算目標標誌物圖像的顏色直方圖
式中，C為歸一化係數，k為核函數，n為樣本點數，b函數表示像素屬於哪個直方圖區間，u為直方圖的顏色索引；δ函數判別像素處灰度值是否屬於直方圖第u個單元；
步驟三、計算每一個像素點的權重，用到該點的顏色在目標標誌物圖像中的概率密度，
其中m為直方圖單元數。
步驟三、使用機器魚前端的圖像採集裝置採集前方視頻圖像，計算出視頻圖像的顏色直方圖，然後與目標標誌物圖像的顏色直方圖進行比對，相似 度大於設定的閾值，則識別到目標標誌物；所述閾值設定為0.8。如圖8所示，機器魚前端的圖像採集裝置拍攝到了前方視頻圖像，經判別其是目標標誌物。
步驟四、通過計算圖像區域的0階距M00和1階距M01M10進行目標標誌物具體位置搜索
步驟五、調整搜索區域的大小移動到目標標誌物的中心位置，從而計算出目標標誌物的位置(xc,yc)
如圖9所示，通過調整搜索區域的大小，使目標標誌物位於圖像中心，得到了其位置。
儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的圖例。