[发明专利]嵌入式视觉引导下仿生机器鱼三维追踪控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及视觉控制领域，尤其是一种嵌入式视觉引导下仿生机器鱼三维追踪控制方法。

背景技术

水下自主追踪，是水下机器人(Autonomous underwater vehicles，AUVs)的重要任务，具有广泛的应用前景，包括海洋资源勘探、海洋地图构建以及海洋救援等。虽然基于视觉的追踪容易受到水中光线不均、成像质量低的影响，但是基于视觉的追踪具有成本低廉、精度较高的优点，仍然引起广泛的关注。

基于视觉的水下追踪任务，包括构建地图的水下追踪与无地图的水下追踪。构建地图的方法，适用于精度要求高、环境未知的场合，但是地图构建是计算复杂、资源消耗大的方案。相关技术人员构建了一种实时的视觉SLAM(simultaneous localization and mapping)地图，克服了水下成像视野受限、成像质量不高的缺点，并且利用视觉显著性方法实现舰船的检测；技术人员利用SC-PHD(Single cluster probability hypothesis density)滤波方法进行视觉SLAM地图的构建，为水下机器人的导航奠定了基础。无地图的视觉追踪，适用于环境已知的场合，具有简单、高效的特点。Rodr′iguez-Telles等利用改进的SLIC(Simple Linear Iterative Clustering)方法进行图像分割，并采用最小邻域分类器获取目标位置，然后设计鲁棒性的控制策略指引水下机器人的运动；并计了按一定规律分布的水下光斑以指引水下机器人的入仓。

仿生机器鱼是自治水下机器人高机动性运动的典范。通过对真实鱼类游动的模仿，仿生机器鱼具有高超的游动性能和高效的效率；在机器鱼上增加视觉追踪，推动了自治水下机器人应对复杂环境、精准控制的任务要求。但是，目前仿生机器鱼上的视觉应用还处于初级阶段。例如，在一条仿斑点箱鲀(Spotted boxfish)的机器鱼上实现基于视觉的平面跟随；又如，在一条多控制面的仿生机器鱼上实现了平面内的视觉追踪控制；再如设计了单关节的小型机器鱼，实现了基于视觉信息的位置预测。

发明内容

本发明的目的是设计一种嵌入式视觉引导下仿生机器鱼三维追踪控制方法，在已知环境中实现仿生机器鱼对目标的自主识别与追踪。

本发明采用的技术方案为：一种嵌入式视觉引导下仿生机器鱼三维追踪控制方法，包括以下步骤：

步骤1，通过仿生机器鱼的嵌入式视觉系统识别目标，并计算目标中心位置的深度信息；

步骤2，依据深度信息，基于模糊滑模控制的方法控制仿生机器鱼游动到目标中心所在深度，并保持仿生机器鱼在目标中心所在的深度游动；

步骤3，在仿生机器鱼保持在目标中心位置所在的深度游动时，通过仿生机器鱼的嵌入式视觉系统计算偏航角，并采用多阶段的定向控制方法进行目标的追踪。

进一步地，所述的目标为具有按照一定规律排列的色块的圆形的人工地标；所述人工地标的中心位置通过单一颜色的识别及不同颜色的严格拓扑关系进行确定。

进一步地，所述人工地标中色块为扇形区域，该扇形区域以人工地标的圆心为圆心、以人工地标的半径为半径，色块的圆心角之和为360°，不同颜色的色块均与间隔分布。

进一步地，以仿生机器鱼起始时刻嵌入式视觉系统的摄像机的镜头光心的位置作为坐标原点建立惯性坐标系OXYZ，其中OY轴垂直于水面向下，OZ轴为摄像机的镜头光轴沿仿生机器鱼头部向前，OX轴由右手定则确定；当仿生机器鱼与人工地标的中心位置不在同一深度时，仿生机器鱼通过嵌入式视觉系统采集到的人工地标为椭圆形图像，根据色块的拓扑关系识别出所述椭圆形图像的长轴和短轴；计算长轴两个端点的水平位置坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)，并计算长轴的长度l；

根据小孔成像模型按照如下步骤进行人工地标的中心位置所在深度的计算：

步骤1.1，计算视觉给定的偏航角A_d：