[发明专利]机器鱼红外视觉定位系统

说明书

技术领域

本发明是属于计算机视觉和光电技术领域，具体涉及一种机器鱼红外视觉定位系统。

背景技术

随着机器人技术的发展，仿生机器鱼越来越受到国内外众多研究机构的重视。研制机器鱼具有广泛的现实意义，利用它们可以探测海洋水质、勘探水域地形等等。在娱乐方面机器鱼也具有良好的发展前景，例如在科技馆、水族馆的机器鱼展览：多条机器鱼在水中表演追逐、推球、顶球、环游等各种节目。

为了控制水中的机器鱼自主游动以完成各项任务，必须实时检测出机器鱼的位姿信息，因此机器鱼的定位是非常基础、也非常关键的技术。目前众多与机器鱼相关的发明专利都只侧重于机器鱼的机电结构和控制方法，对机器鱼定位的描述很少。北京航空航天大学研制的用于探测水质的机器鱼采用GPS实现定位导航，对于室内环境中的娱乐型机器鱼，GPS定位方法则不可行。北京大学研制的自主机器鱼，依靠位于鱼头上方的CMOS摄像头对环境数据进行采集，该方案能跟踪彩色的水球，但无法实现机器鱼的准确定位。中国科学院自动化研究所复杂系统实验室研制的机器鱼，在机器鱼背部贴附颜色块标记，通过全局摄像机检测色块标记进行视觉定位。颜色块改变了机器鱼原来的外观，影响其观赏性。另外由于受水面波光干扰，颜色块特征不能准确检测，因此该定位方法稳定性和适应性很差。

发明内容

本发明的目的是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种新的应用于机器鱼的红外视觉定位系统，实现对机器鱼的实时、准确定位。

本发明的机器鱼红外视觉定位系统包括：红外灯标，由安装在机器鱼背部的红外点组成；摄像机，吊装在机器鱼所在的水池上方，用于捕捉红外灯标的图像信息；图像采集卡，用于实时获取摄像机拍摄的图像；图像分析单元，对图像采集卡获取的图像进行预处理，将图像的背景与红外点像素分离，并将红外点像素聚成一个连通点域；灯标检测单元，针对每个连通点域检测出其中单个红外点的图像点域，采用层次聚类法检测出每条机器鱼背上的多个红外点组成的灯标，将检测出的灯标与预定的灯标模式进行比对，如果能够与预定的灯标模式对应，则记录该检测出的灯标的图像坐标；视觉定位单元，根据单应矩阵和所述图像坐标来计算灯标的世界坐标。

利用本发明的系统和方法对机器鱼进行视觉定位，使得系统的结构简单、制作方便、成本低廉，本发明采用的红外灯标很小，几乎不影响机器鱼原来的外观，本发明的定位计算准确、快速，不受环境光及水波干扰。

附图说明

图1为本发明的机器鱼红外视觉定位系统结构示意图；

图2为本发明机器鱼红外视觉定位系统中的机器鱼背部安装贴片式红外发射二极管的示意图；

图3为本发明机器鱼红外视觉定位系统中确定单应矩阵的流程图；

图4为本发明机器鱼红外视觉定位系统中采用的三种红外灯标模式示意图；

图5为本发明机器鱼红外视觉定位系统的工作流程图；

图6为本发明机器鱼红外视觉定位系统中所拍摄的红外图像处理后的示意图；

图7为本发明机器鱼红外视觉定位系统中检测和识别红外灯标的流程图。

具体实施方式

以下通过具体实施例，结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明的系统结构示意图，系统的主体组成为机器鱼1、红外摄像机3、计算机5以及安装在机器鱼1上的红外灯标2。

机器鱼1在水池中游动。红外灯标2可以安装在机器鱼背部，是由若干个贴片式红外发射二极管组成。红外发射二极管的光谱中心波长为850nm。参照图1，机器鱼1的头部上方三个小黑点为贴片红外发射二极管构成的灯标2，其波长为850nm。机器鱼1在水中游动时会激起很多水花，波光闪烁，选择用红外光作为目标的特征正是为了避免这些可见光的干扰。因为贴片式红外发射二极管体积很小，作为红外光源贴附在机器鱼背部几乎不影响其原有外观；并且贴片式红外发射二极管的光波发射角非常大，接近180度，从而利用吊装在上方的摄像机捕捉灯标的图像信息。通常使用的红外发射二极管的波长包括850nm和940nm两种，因为摄像机CCD对850nm红外光的感光度高于对940nm红外光的感光度，因此本发明优选使用850nm红外灯来制作灯标。