[發(fā)明專利]具有嵌入式視覺的多控制面機器魚

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110139019.0
• 申請日: 2011-05-26
• 公開（公告）號: CN102303700A
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 喻俊志;王愷;譚民;王衛(wèi)兵
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院自動化研究所
• 主分類號: B63H1/36
• 分類號: B63H1/36
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 梁愛榮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于仿生學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于中樞模式發(fā)生器(Central?Pattern?Generator，CPG)控制的具有嵌入式視覺功能的多控制面仿生機器魚。

背景技術(shù)

在自然界中，魚類進化出了卓越的游泳技巧。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、強大的隱蔽性和環(huán)境適應(yīng)能力等優(yōu)點。人們通過對魚類運動的仿生研究，能夠研制出充分適應(yīng)水底復(fù)雜環(huán)境的、高度智能化的先進機器人。仿生機器魚的研究具有重要的研究價值和應(yīng)用前景，特別是在復(fù)雜環(huán)境中的水下作業(yè)、軍事偵察、海底勘探、海洋生物研究等方面前景廣闊。

仿生機器魚能夠代替人類參加在復(fù)雜水環(huán)境中的工作，在民用和軍事領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在民用方面，可用于近海水產(chǎn)養(yǎng)殖、水下科學(xué)考察、娛樂科教等方面；在軍用領(lǐng)域，利用仿生機器魚良好的生物模仿性和環(huán)境適應(yīng)性，能夠充分地隱蔽自身，用于偵察、巡航、新型武器的設(shè)計、通信中繼等方面。

具有嵌入式視覺功能的仿生機器魚，不僅具有仿生機器魚的特點，還因為加上了視覺系統(tǒng)，使得仿生機器人更加智能化。視覺模塊能夠讓仿生機器魚發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo)，確定自身位置，在海底電纜檢測、武器制造、海洋漁業(yè)等諸多方面都有較高的應(yīng)用價值。

不同的鰭具有不同的功能，自然界中魚類進化出多種鰭，保證魚類游動的穩(wěn)定性和推進能力。游泳運動的推進力是整個身體的肌肉所生產(chǎn)的。只有少數(shù)魚借助胸鰭和側(cè)鰭來產(chǎn)生推進力。它們的主要功能是控制魚的穩(wěn)定性和方向。設(shè)計的仿生機器魚包括幾個要素：頭和前體，多關(guān)節(jié)柔性身體，尾鰭、胸鰭、背鰭和腹鰭。現(xiàn)有的仿魚推進研究主要針對身體-尾鰭波動，或針對胸鰭或側(cè)鰭波動運動方式，而將兩者結(jié)合融入一個仿魚運動平臺的研究尚不多見?；谏眢w-尾鰭波動的仿生機器魚由于擁有鰭有限，很難實現(xiàn)諸如側(cè)向游動、微調(diào)、倒游等游動方式，在實際的游動中也不夠細(xì)致、靈巧的。現(xiàn)有的仿魚推進研究由于主要針對身體-尾鰭波動的運動方式，這樣的方式會使仿生機器魚頭部產(chǎn)生較大幅度的左右擺動，很難保證仿生機器魚游動時頭部的穩(wěn)定性，這對仿生機器魚視覺系統(tǒng)的穩(wěn)定成像有很大的干擾。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明的目的是采用中樞模式發(fā)生器(CPG)的運動算法，輔以嵌入式視覺控制，提供一種基于多控制面的、能夠在多種游動模態(tài)中自由切換、能夠追蹤和定位目標(biāo)色塊的智能仿生機器魚。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種具有嵌入式視覺的多控制面機器魚采用以下技術(shù)方案包括魚頭、具有多個關(guān)節(jié)的柔性身體、新月形尾鰭、配重銅塊、充氣孔、發(fā)射接收天線、開關(guān)，還包括控制板、攝像頭模塊、左胸鰭片、右胸鰭片、電源模塊、紅外傳感器、深度傳感器、無線通信模塊、腹鰭片、背鰭片和運動控制模塊；所述運動控制模塊包括；左胸鰭舵機、右胸鰭舵機、四個尾部舵機、腹鰭舵機和背鰭舵機；其中魚頭分為上下兩半腭，內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，魚頭內(nèi)設(shè)置有左胸鰭舵機、右胸鰭舵機、腹鰭舵機和背鰭舵機；在魚頭內(nèi)部的前端設(shè)置有攝像頭模塊、控制板以及電源模塊；左胸鰭片、右胸鰭片安裝在魚頭外部的兩側(cè)，實現(xiàn)仿生機器魚的上浮下潛，腹鰭片安裝在魚頭外部的下方，背鰭片安裝在魚頭外部的上方，實現(xiàn)仿生機器魚的側(cè)向平游和平衡控制；左胸鰭片、右胸鰭片、背鰭片和腹鰭片通過連接它們的左胸鰭舵機、右胸鰭舵機、背鰭舵機及腹鰭舵機產(chǎn)生驅(qū)動力進行擺動或者轉(zhuǎn)向；紅外傳感器安裝在魚頭的外側(cè)面，用于檢測周邊障礙物；深度傳感器安裝在魚頭內(nèi)的底部，用于探測仿生機器魚所在水層面的深度；紅外傳感器、深度傳感器、攝像頭模塊和無線通信模塊將各自的TTL電平信號、模擬信號、圖像及控制信號和串口通信信號通過控制板進行處理，產(chǎn)生監(jiān)控信號并通過無線通信模塊由串口通信的方式發(fā)送到上位機監(jiān)控平臺上，同時控制板產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制波控制信號，發(fā)送到運動控制模塊中，驅(qū)動仿生機器魚；在仿生機器魚游動的過程中，左胸鰭片、右胸鰭片、背鰭片和腹鰭片通過聯(lián)動保持魚頭部的平衡和穩(wěn)定，保證攝像頭模塊采集的圖像的質(zhì)量；仿生機器魚通過攝像頭模塊采集的圖像信息經(jīng)控制板處理后，產(chǎn)生控制信號，通過左胸鰭舵機、右胸鰭舵機、尾鰭舵機、腹鰭舵機、背鰭舵機的多控制面協(xié)調(diào)運動產(chǎn)生側(cè)游、微調(diào)、倒游、上浮下潛的游動方式，實現(xiàn)色標(biāo)塊追蹤定位和避障。

本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點：

1.本發(fā)明采取CPG運動控制方法較以前的曲線擬合法更加協(xié)調(diào)自然，有更好的環(huán)境適應(yīng)性。

2.本發(fā)明的仿生機器魚通過尾部四個關(guān)節(jié)來產(chǎn)生主推進力，一對胸鰭、一個背鰭和一個腹鰭用來實現(xiàn)次要推進和平衡作用。通過多個控制面的有效配合，實現(xiàn)了仿生機器魚在水中的倒游、側(cè)游、復(fù)合轉(zhuǎn)彎、上浮下潛等功能。