[發(fā)明專利]機(jī)器魚紅外視覺定位系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110223572.2
• 申請日: 2011-08-05
• 公開（公告）號: CN102278977A
• 公開（公告）日: 2011-12-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李成榮;胡鵬;羅楊宇
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院自動化研究所
• 主分類號: G01C11/00
• 分類號: G01C11/00
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是屬于計算機(jī)視覺和光電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種機(jī)器魚紅外視覺定位系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，仿生機(jī)器魚越來越受到國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)的重視。研制機(jī)器魚具有廣泛的現(xiàn)實意義，利用它們可以探測海洋水質(zhì)、勘探水域地形等等。在娛樂方面機(jī)器魚也具有良好的發(fā)展前景，例如在科技館、水族館的機(jī)器魚展覽：多條機(jī)器魚在水中表演追逐、推球、頂球、環(huán)游等各種節(jié)目。

為了控制水中的機(jī)器魚自主游動以完成各項任務(wù)，必須實時檢測出機(jī)器魚的位姿信息，因此機(jī)器魚的定位是非?；A(chǔ)、也非常關(guān)鍵的技術(shù)。目前眾多與機(jī)器魚相關(guān)的發(fā)明專利都只側(cè)重于機(jī)器魚的機(jī)電結(jié)構(gòu)和控制方法，對機(jī)器魚定位的描述很少。北京航空航天大學(xué)研制的用于探測水質(zhì)的機(jī)器魚采用GPS實現(xiàn)定位導(dǎo)航，對于室內(nèi)環(huán)境中的娛樂型機(jī)器魚，GPS定位方法則不可行。北京大學(xué)研制的自主機(jī)器魚，依靠位于魚頭上方的CMOS攝像頭對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，該方案能跟蹤彩色的水球，但無法實現(xiàn)機(jī)器魚的準(zhǔn)確定位。中國科學(xué)院自動化研究所復(fù)雜系統(tǒng)實驗室研制的機(jī)器魚，在機(jī)器魚背部貼附顏色塊標(biāo)記，通過全局?jǐn)z像機(jī)檢測色塊標(biāo)記進(jìn)行視覺定位。顏色塊改變了機(jī)器魚原來的外觀，影響其觀賞性。另外由于受水面波光干擾，顏色塊特征不能準(zhǔn)確檢測，因此該定位方法穩(wěn)定性和適應(yīng)性很差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種新的應(yīng)用于機(jī)器魚的紅外視覺定位系統(tǒng)，實現(xiàn)對機(jī)器魚的實時、準(zhǔn)確定位。

本發(fā)明的機(jī)器魚紅外視覺定位系統(tǒng)包括：紅外燈標(biāo)，由安裝在機(jī)器魚背部的紅外點組成；攝像機(jī)，吊裝在機(jī)器魚所在的水池上方，用于捕捉紅外燈標(biāo)的圖像信息；圖像采集卡，用于實時獲取攝像機(jī)拍攝的圖像；圖像分析單元，對圖像采集卡獲取的圖像進(jìn)行預(yù)處理，將圖像的背景與紅外點像素分離，并將紅外點像素聚成一個連通點域；燈標(biāo)檢測單元，針對每個連通點域檢測出其中單個紅外點的圖像點域，采用層次聚類法檢測出每條機(jī)器魚背上的多個紅外點組成的燈標(biāo)，將檢測出的燈標(biāo)與預(yù)定的燈標(biāo)模式進(jìn)行比對，如果能夠與預(yù)定的燈標(biāo)模式對應(yīng)，則記錄該檢測出的燈標(biāo)的圖像坐標(biāo)；視覺定位單元，根據(jù)單應(yīng)矩陣和所述圖像坐標(biāo)來計算燈標(biāo)的世界坐標(biāo)。

利用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法對機(jī)器魚進(jìn)行視覺定位，使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、成本低廉，本發(fā)明采用的紅外燈標(biāo)很小，幾乎不影響機(jī)器魚原來的外觀，本發(fā)明的定位計算準(zhǔn)確、快速，不受環(huán)境光及水波干擾。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的機(jī)器魚紅外視覺定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明機(jī)器魚紅外視覺定位系統(tǒng)中的機(jī)器魚背部安裝貼片式紅外發(fā)射二極管的示意圖；

圖3為本發(fā)明機(jī)器魚紅外視覺定位系統(tǒng)中確定單應(yīng)矩陣的流程圖；

圖4為本發(fā)明機(jī)器魚紅外視覺定位系統(tǒng)中采用的三種紅外燈標(biāo)模式示意圖；

圖5為本發(fā)明機(jī)器魚紅外視覺定位系統(tǒng)的工作流程圖；

圖6為本發(fā)明機(jī)器魚紅外視覺定位系統(tǒng)中所拍攝的紅外圖像處理后的示意圖；

圖7為本發(fā)明機(jī)器魚紅外視覺定位系統(tǒng)中檢測和識別紅外燈標(biāo)的流程圖。

具體實施方式

以下通過具體實施例，結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，系統(tǒng)的主體組成為機(jī)器魚1、紅外攝像機(jī)3、計算機(jī)5以及安裝在機(jī)器魚1上的紅外燈標(biāo)2。

機(jī)器魚1在水池中游動。紅外燈標(biāo)2可以安裝在機(jī)器魚背部，是由若干個貼片式紅外發(fā)射二極管組成。紅外發(fā)射二極管的光譜中心波長為850nm。參照圖1，機(jī)器魚1的頭部上方三個小黑點為貼片紅外發(fā)射二極管構(gòu)成的燈標(biāo)2，其波長為850nm。機(jī)器魚1在水中游動時會激起很多水花，波光閃爍，選擇用紅外光作為目標(biāo)的特征正是為了避免這些可見光的干擾。因為貼片式紅外發(fā)射二極管體積很小，作為紅外光源貼附在機(jī)器魚背部幾乎不影響其原有外觀；并且貼片式紅外發(fā)射二極管的光波發(fā)射角非常大，接近180度，從而利用吊裝在上方的攝像機(jī)捕捉燈標(biāo)的圖像信息。通常使用的紅外發(fā)射二極管的波長包括850nm和940nm兩種，因為攝像機(jī)CCD對850nm紅外光的感光度高于對940nm紅外光的感光度，因此本發(fā)明優(yōu)選使用850nm紅外燈來制作燈標(biāo)。