一种仿生机器鱼用测量平台及其使用方式的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及仿生机器鱼运动监测技术领域，特别是涉及一种仿生机器鱼用测量平 台。
【背景技术】
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[0003] 随着科技的不断进步，仿生学发展极为迅速，其中仿生机器鱼是水下机器鱼中较 为常用的一种，由于实验空间的范围有限，高速相机的视场无法覆盖整个水槽，为了确保机 器鱼整个运动过程都处在高速相机的视野内，以满足相关实验研宄的需要，需要设计一种 基于视觉跟踪的X-Y双坐标测量平台，采用序列图像法来获得机器鱼运动参数的数据，作 为控制移动台移动的依据，通过机器鱼重心位置的变化求得机器鱼相对移动台的相对速 度，最后将获得的相对速度传递给滚珠丝杠移动台的相应的伺服电机，带动平台上方摄像 头移动，实现对鱼的实时跟踪，从而方便对仿生机器鱼运动进行监测研宄。
【发明内容】
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[0005] 针对以上问题，本发明设计一种仿生机器鱼测量平台及其使用方法，该测量平台 是基于视觉跟踪的X-Y双坐标测量平台，其采用序列图像法来获得机器鱼运动参数的数 据，作为控制移动台移动的依据，通过机器鱼重心位置的变化求得机器鱼相对移动台的相 对速度，最后将获得的相对速度传递给滚珠丝杠移动台的相应的伺服电机，带动平台上方 摄像头移动，实现对鱼的实时跟踪，进而方便对仿生机器鱼进行运动研宄，为达此目的，本 发明提供一种仿生机器鱼用测量平台，包括底座、底部支架、导轨支架、吊架、横向丝杆固定 座、固定架、高速相机、USB摄像头、横向运动控制电机、横向丝杆、活动支架、纵向运动控制 电机、吊架活动固定座、纵向丝杆和纵向丝杆固定座，所述底座固定在水槽一侧，所述底座 靠水槽一侧的侧边上方有条形的底部支架，所述底部支架内有横向贯通的U型卡槽，所述 底部支架的两个侧边上各固定有一条导轨支架，所述底部支架的U型卡槽内有横向运动控 制电机，所述横向运动控制电机的转轴通过联轴器与横向丝杆一端相连，所述横向丝杆另 一端的端部固定在横向丝杆固定座的通孔内，所述横向丝杆固定座底部固定在底部支架的 U型卡槽内，所述活动支架在导轨支架的导轨上，所述活动支架沿导轨支架的导轨横向运 动，所述横向丝杆固定座穿过活动支架底部的螺纹孔，所述活动支架内有纵向贯通的U型 卡槽，所述活动支架的两个侧边上均有导轨，所述活动支架的U型卡槽内有纵向运动控制 电机，所述纵向运动控制电机的转轴通过联轴器与纵向丝杆一端相连，所述纵向丝杆另一 端的端部固定在纵向丝杆固定座的通孔内，所述纵向丝杆固定座底部固定在活动支架的U 型卡槽内，所述吊架活动固定座在活动支架的导轨上，所述吊架活动固定座沿活动支架的 导轨纵向运动，所述活动支架上固定有L型的吊架，所述吊架上方的伸出端朝水槽一侧，所 述吊架上方的伸出端的下方有固定架，所述固定架朝外一侧固定安装有高速相机，所述固 定架另一侧固定安装有USB摄像头。
[0006] 作为本发明进一步改进，所述底部支架的U型卡槽内有横向丝杆限位座，所述横 向丝杆穿过横向丝杆限位座的通孔，所述活动支架的U型卡槽内有纵向丝杆限位座，所述 纵向丝杆穿过纵向丝杆限位座的通孔，为了防止丝杆工作过程中发生抖动可设置限位座。
[0007] 作为本发明进一步改进，所述吊架的弯折部内有加强支撑板，为了提高弯折部强 度可设置加强支撑板。
[0008] 本发明一种仿生机器鱼用测量平台的使用方法，具体步骤如下： 步骤一：使用USB摄像头拍摄仿生机器鱼的运动轨迹，然后进行视频图像数据采集； 步骤二；对视频图像数据采集后的数据通过序列图像法处理获得运动参数； 具体处理方式如下： 1) 对USB摄像头采集的视频图像像素数据进行实时读取； 2) 对所得到的序列图像进行预处理，先通过灰度化将所拍摄到的彩色图像变成以256 色灰度表示的灰度图像，再进行二值化处理获得机器鱼的位置信息； 3) 对预处理过后的序列图像采用区域生长算法分割出机器鱼目标区域； 4) 基于图像分割的目标特征提取，并计算出重心位置的坐标变化； 5) 在生长区域完成之后，原先二值化图像处理之后置为1的区域，被依据连通性分成 了不同的子区域，并设置了不同标记，根据实际的实验环境，机器鱼就是最大的一个子区 域，该区域的重心可近似的当成机器鱼的重心，在单位时间内，根据计算重心位置的变化， 从而求得机器鱼相对移动台的运动速度； 步骤三：通过串口将处理好的运动参数发送给PC机； 步骤四：上位机发送命令给PMAC卡； 步骤五：移动台移动，实现跟踪目的。
[0009] 作为本发明进一步改进，采用的图像灰度化公式为：，其中R-该像素红色分量的 值；G-该像素绿色分量的值；B-该像素蓝色分量的值，本发明采用以上常用的灰度化公 式对图案进行灰度化处理。
[0010] 作为本发明进一步改进，步骤二中二值化处理方式如下： 处理过程中根据下列的阈值处理来进行：
而对于阈值的选取，使用迭代的方法来求最佳阈值分割图像，步骤如下： (1) 选取初始阈值L，选择整幅图像的平均灰度值作为初始阈值； (2) 用T。分割图像，将图像分割成两个区域^和^為为灰度值大于T。的像素组成的 前景区域，M2为灰度值小于T ^的像素组成的背景区域； (3) 计算两区域，Mi区域和M 2区域的所有像素的平均灰度值，其中N :和N 2分别为这两 区域的像素点个数，/〇，：!?）表示图像中点的灰度值；
(4) 再计算新的阈值T1;
(5) 比较初始阈值和新的阈值，求出它们的差；ir;
K丨 (6) 当33" ^ ^乙为预先规定的一个很小的正数，即迭代过程中前后两次的阈值 很接近，迭代停止，否则重复（2)- (4)过程，最后的1\即为所求的最佳阈值，本发明需要对 图形进行二值化处理，可采用以上处理方法进行处理。
[0011] 作为本发明进一步改进，步骤二中区域生长算法如下：先选择步长为10的遍历方 法判断寻找种子点，对于像素点（X，y)判断其是否为种子点，如果不是令X=x+10,判断是否 越界，如果不越界重新进行种子点判断，如果越界令y=y+l〇,判断是否越界，如果不越界重 新进行种子点判断，如果再越界结束判断，如果判断到是种子点，记录下此像素点坐标，并 标记此点； 再进行区域增长，记录种子点附近所有符合的点，组成子区域，并处理子区域横纵坐标 值，计算出此区域的重心位置坐标，本发明区域生长算法可采用以上算法，以上算法，算法 精简，可以快速判断种子点。
[0012] 本发明通过设计一种仿生机器鱼测量平台及其使用方法，其将高速相机和普通的 USB摄像头相邻固定在滚珠丝杠移动平台上，USB摄像头所能采集图像的范围就是USB摄像 头拍摄的视野，调整X-Y双坐标移动台的位置使USB摄像头拍摄的视野覆盖整个机器鱼，即 此跟踪系统的跟踪目标。在USB拍摄的视野中，用USB摄像头采集机器鱼运动图像，然后 系统对图像进行处理，根据图像中机器鱼重心位置的变化求得机器鱼相对移动台的相对速 度，最后将获得的相对速度传递给滚珠丝杠移动台的相应的