[发明专利]具有嵌入式视觉的多控制面机器鱼

说明书

技术领域

本发明属于仿生学技术领域，涉及一种基于中枢模式发生器(Central Pattern Generator，CPG)控制的具有嵌入式视觉功能的多控制面仿生机器鱼。

背景技术

在自然界中，鱼类进化出了卓越的游泳技巧。较普通的水下推进器而言，它具有推进效率高、机动性能好、丰富的感官、强大的隐蔽性和环境适应能力等优点。人们通过对鱼类运动的仿生研究，能够研制出充分适应水底复杂环境的、高度智能化的先进机器人。仿生机器鱼的研究具有重要的研究价值和应用前景，特别是在复杂环境中的水下作业、军事侦察、海底勘探、海洋生物研究等方面前景广阔。

仿生机器鱼能够代替人类参加在复杂水环境中的工作，在民用和军事领域具有广阔的应用前景。在民用方面，可用于近海水产养殖、水下科学考察、娱乐科教等方面；在军用领域，利用仿生机器鱼良好的生物模仿性和环境适应性，能够充分地隐蔽自身，用于侦察、巡航、新型武器的设计、通信中继等方面。

具有嵌入式视觉功能的仿生机器鱼，不仅具有仿生机器鱼的特点，还因为加上了视觉系统，使得仿生机器人更加智能化。视觉模块能够让仿生机器鱼发现并跟踪目标，确定自身位置，在海底电缆检测、武器制造、海洋渔业等诸多方面都有较高的应用价值。

不同的鳍具有不同的功能，自然界中鱼类进化出多种鳍，保证鱼类游动的稳定性和推进能力。游泳运动的推进力是整个身体的肌肉所生产的。只有少数鱼借助胸鳍和侧鳍来产生推进力。它们的主要功能是控制鱼的稳定性和方向。设计的仿生机器鱼包括几个要素：头和前体，多关节柔性身体，尾鳍、胸鳍、背鳍和腹鳍。现有的仿鱼推进研究主要针对身体-尾鳍波动，或针对胸鳍或侧鳍波动运动方式，而将两者结合融入一个仿鱼运动平台的研究尚不多见。基于身体-尾鳍波动的仿生机器鱼由于拥有鳍有限，很难实现诸如侧向游动、微调、倒游等游动方式，在实际的游动中也不够细致、灵巧的。现有的仿鱼推进研究由于主要针对身体-尾鳍波动的运动方式，这样的方式会使仿生机器鱼头部产生较大幅度的左右摆动，很难保证仿生机器鱼游动时头部的稳定性，这对仿生机器鱼视觉系统的稳定成像有很大的干扰。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是采用中枢模式发生器(CPG)的运动算法，辅以嵌入式视觉控制，提供一种基于多控制面的、能够在多种游动模态中自由切换、能够追踪和定位目标色块的智能仿生机器鱼。

为实现上述目的，本发明提供的一种具有嵌入式视觉的多控制面机器鱼采用以下技术方案包括鱼头、具有多个关节的柔性身体、新月形尾鳍、配重铜块、充气孔、发射接收天线、开关，还包括控制板、摄像头模块、左胸鳍片、右胸鳍片、电源模块、红外传感器、深度传感器、无线通信模块、腹鳍片、背鳍片和运动控制模块；所述运动控制模块包括；左胸鳍舵机、右胸鳍舵机、四个尾部舵机、腹鳍舵机和背鳍舵机；其中鱼头分为上下两半腭，内部为中空结构，鱼头内设置有左胸鳍舵机、右胸鳍舵机、腹鳍舵机和背鳍舵机；在鱼头内部的前端设置有摄像头模块、控制板以及电源模块；左胸鳍片、右胸鳍片安装在鱼头外部的两侧，实现仿生机器鱼的上浮下潜，腹鳍片安装在鱼头外部的下方，背鳍片安装在鱼头外部的上方，实现仿生机器鱼的侧向平游和平衡控制；左胸鳍片、右胸鳍片、背鳍片和腹鳍片通过连接它们的左胸鳍舵机、右胸鳍舵机、背鳍舵机及腹鳍舵机产生驱动力进行摆动或者转向；红外传感器安装在鱼头的外侧面，用于检测周边障碍物；深度传感器安装在鱼头内的底部，用于探测仿生机器鱼所在水层面的深度；红外传感器、深度传感器、摄像头模块和无线通信模块将各自的TTL电平信号、模拟信号、图像及控制信号和串口通信信号通过控制板进行处理，产生监控信号并通过无线通信模块由串口通信的方式发送到上位机监控平台上，同时控制板产生脉冲宽度调制波控制信号，发送到运动控制模块中，驱动仿生机器鱼；在仿生机器鱼游动的过程中，左胸鳍片、右胸鳍片、背鳍片和腹鳍片通过联动保持鱼头部的平衡和稳定，保证摄像头模块采集的图像的质量；仿生机器鱼通过摄像头模块采集的图像信息经控制板处理后，产生控制信号，通过左胸鳍舵机、右胸鳍舵机、尾鳍舵机、腹鳍舵机、背鳍舵机的多控制面协调运动产生侧游、微调、倒游、上浮下潜的游动方式，实现色标块追踪定位和避障。

本发明由于采用了以上技术方案，其具有以下优点：

1.本发明采取CPG运动控制方法较以前的曲线拟合法更加协调自然，有更好的环境适应性。

2.本发明的仿生机器鱼通过尾部四个关节来产生主推进力，一对胸鳍、一个背鳍和一个腹鳍用来实现次要推进和平衡作用。通过多个控制面的有效配合，实现了仿生机器鱼在水中的倒游、侧游、复合转弯、上浮下潜等功能。