一种机器鱼及其水下目标跟踪方法与流程

本发明涉及人工生命技术领域，特别涉及一种基于人工生命的机器鱼及其水下目标跟踪方法。

背景技术：

人工生命是通过人工模拟生命系统,来研究生命的领域。人工生命的概念，包括两个方面内容：1、属于计算机科学领域的虚拟生命系统，涉及计算机软件工程与人工智能技术，以及2、基因工程技术人工改造生物的工程生物系统，涉及合成生物学技术。

机器鱼，从材料制作的外形像鱼的机器，配备有化学传感器的自主机器鱼，它能够在水中游数小时，在水中具有和鱼一样的灵活性和适应性。

在自然界中，鱼类进化出了卓越的游泳技巧。较普通的水下推进器而言，它具有推进效率高、机动性能好、丰富的感官等优点。基于这些优点人们过仿生机器鱼的研究也越来越多，仿生机器鱼的功能也越来越完善，仿生机器鱼的应用领域涵盖了科学、教育和娱乐等领域随着仿生学的发展，国内外越来越多的学者致力于研究仿生机器鱼，仿照鱼类的外形以及游动机理，制造出仿生机器鱼使之具有高效、灵活的水下巡游能力，可以应用于复杂环境下的资源探测、生物研究和军事侦察等领域。基于这些优点人们过仿生机器鱼的研究也越来越多，仿生机器鱼的功能也越来越完善，仿生机器鱼的应用领域涵盖了科学、教育和娱乐等领域。鱼类采用的是波动推进的游动方式，身体的摆动是柔性的运动，所以，仿生机器鱼的摆动关节越多就越能模仿出鱼类的柔性摆动。但是，采用摆动推进方式，机器鱼游动较慢，如何使机器鱼能够在水中快速游动而更加具有观赏性是需要解决的问题。同时而由于鱼的游动动作比较复杂，给机器鱼的制造带来了极大的技术困难。

技术实现要素：

本发明设计开发了一种机器鱼，克服了现有机器鱼游动阻力大的缺陷。

本发明的另一个目的是克服现有机器鱼游动不稳定的缺陷，通过设计鱼鳍板的摆动频率，使游动更为平稳。

本发明还有一个目的是解决水下目标跟踪效率低、速度慢的缺陷。

本发明提供的技术方案为：

一种机器鱼，包括：

鱼头，其设置成后端开口的中空状；所述鱼头前端设置有图像采集装置；

鱼身骨架，其前端铰接在所述鱼头的后端，使所述鱼头能够相对于鱼身骨架绕竖直轴线旋转；

鱼尾，其铰接在所述鱼身骨架的后端，使所述鱼尾能够相对于鱼身骨架绕竖直轴线旋转；

驱动装置，其设置在所述鱼头与鱼身骨架铰接处，以驱动所述鱼头相对于鱼身骨架绕竖直轴线旋转；所述驱动装置还设置在鱼身骨架和鱼尾的铰接处，以驱动所述所述鱼尾相对于鱼身骨架绕竖直轴线旋转；

鱼皮，其套合在所述鱼身骨架外侧，所述鱼皮的前端与鱼头的后端密封连接，所述鱼皮的后端与鱼尾的前端密封连接；所述鱼皮采用弹性材料制成；

所述鱼头前端外形呈回转体形状，并且所述回转体的母线的数学表达式为：

其中，a为机器鱼总长度，b为机械鱼最宽处的宽度，c为机械鱼的总质量，d为鱼头的质量。

优选的是，所述鱼身骨架设为呈前后排列的两段，其中第一段鱼身骨架与第二段鱼身骨架相铰接，使第一段鱼身骨架鱼能够相对于第二段鱼身骨架绕竖直轴线旋转；所述第一段鱼身骨架与第二段鱼身骨架之间设置有驱动装置。

优选的是，所述驱动装置为舵机。

优选的是，所述图像采集装置为红外摄像头。

优选的是，所述前端还设置有超声波测距传感器。

优选的是，所述鱼皮采用橡胶制成。

优选的是，所述鱼头的左右两端设置有向外突出的鱼鳍板。

优选的是，所述鱼鳍板通过水平布置的转轴与鱼头连接，使所述鱼鳍板能够上下摆动。

优选的是，所述鱼鳍板的一部分位于所述鱼头内，所述鱼头内设置有摆动机构，以驱动所述鱼鳍板上下摆动；

所述鱼鳍板上下摆动的频率f满足：

优选的是，所述摆动机构包括：

弹簧，其竖直布置，所述弹簧顶部鱼与鱼头固定连接，所述弹簧底部与鱼鳍板固定连接；

衔铁，其设置在所述鱼鳍板的下表面上；

电磁铁，其设置在所述鱼鳍板的下方，所述电磁铁通电后能够吸引所述衔铁。

一种机器鱼的水下目标跟踪方法，包括如下步骤：

步骤一、获取目标标志物的图像；

步骤二、对目标标志物图像进行颜色识别，获取HSV颜色空间中的Hue色度分量，计算目标标志物图像的颜色直方图

式中，C为归一化系数，k为核函数，n为样本点数，b()函数表示像素属于哪个直方图区间，u为直方图的颜色索引；δ()函数判别像素处灰度值是否属于直方图第u个单元；

步骤三、计算每一个像素点的权重，用到该点的颜色在目标标志物图像中的概率密度，

其中m为直方图单元数；

步骤三、使用机器鱼前端的图像采集装置采集前方视频图像，计算出视频图像的颜色直方图，然后与目标标志物图像的颜色直方图进行比对，相似度大于设定的阈值，则识别到目标标志物；

步骤四、通过计算图像区域的0阶距M₀₀和1阶距M₀₁M₁₀进行目标标志物具体位置搜索

步骤五、调整搜索区域的大小移动到标志目标标志物的中心位置，从而计算出目标标志物的位置(x_c,y_c)

本发明的有益效果是：本发明提供的机器鱼，具有三个关节，通过舵机实现了关节的转动，使机器鱼在水中游动时能够灵活的实现前进、左转弯和右转弯，游动姿态与真鱼相似度高，效果逼真；本发明具有良好的防水性能，能够保护机器鱼内部的部件不水的侵蚀，使机械鱼能够在水中下潜的深度更深，时间更久。鱼皮具有良好的弹性，在鱼身骨架发生转动时不会使鱼皮开裂，能够对机器鱼进行更好的保护。本发明提供的机器鱼，具有可摆动的鱼鳍板，通过对鱼鳍板的摆动频率的设计，能够使机器鱼在水中游动的更为稳定。

附图说明

图1为本发明所述的基于人工生命的机器鱼总体结构示意图。

图2为本发明所述的鱼身骨架与驱动装置结构示意图。

图3为本发明所述的鱼头结构示意图。

图4为本发明所述的鱼头固定架结构示意图。

图5为本发明所述的鱼尾固定架结构示意图。

图6为本发明所述的鱼尾结构示意图。

图7为本发明所述的摆动机构结构示意图。

图8为本发明所述的机器鱼识别图像。

图9为将识别图像中的目标标志物位于图像中心时的图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1、图2所示，本发明提供了一种基于人工生命的机器鱼，包括鱼头110、鱼身骨架、鱼尾130。

如图3所示，所述鱼头呈中空状，其后端具有开口。在鱼头110的前端设置有图像采集装置111，作为一种优选的所述图像采集装置111为红外摄像头，通过图像采集装置111能够采集机械鱼游动时周围环境的图像。所述鱼头110的前端还设置有超声波测距传感器112，其能够检测前方物体的距离，来判断前方是否有障碍物，从而能够及时调整机械鱼的游动姿态。由于机械鱼在向前游动时，鱼头110位于最前方，因此鱼头110的的外形轮廓直接影响着游动时产生的阻力。因此鱼头110需要做成流线型，用于减小游动阻力。

所述鱼头110前端外形呈回转体形状，并且所述回转体的母线的数学表达式为：

其中，a为机器鱼总长度，b为机械鱼最宽处的宽度，c为机械鱼的总质量，d为鱼头的质量。

通过上述鱼头110外形轮廓的设计，能够有效减小机械鱼游动时的阻力。

所述鱼头110的后端与鱼身骨架连接，所述鱼身骨架为两端式设计，即包括前后布置的第一鱼身骨架121和第二鱼身骨架122。一并参阅图4，所述第一鱼身骨架121的前端连接有鱼头固定架123，所述鱼头固定架123与第一鱼身骨架121相铰接，铰接轴沿竖直方向，使鱼头固定架123能够相对于于第一鱼身骨架121绕竖直轴线旋转。所述鱼头固定架123通过螺钉固定在鱼头110的后部。

第一段鱼身骨架121与第二段鱼身骨架122相铰接，铰接轴沿竖直方向， 使第一段鱼身骨架121能够相对于第二段鱼身骨架122绕竖直轴线旋转。一并参阅图5、图6，所述第二段鱼身骨架122的后部与鱼尾固定架124铰接，铰接轴沿竖直方向，使鱼尾固定架124能够相对于第二段鱼身骨架122绕竖直轴线旋转。所述鱼尾固定架124的的后方设置有卡槽125，鱼尾130卡入到卡槽125内，实现了鱼尾130与鱼尾固定架124相固定。

通过上述的布置，使依次连接的鱼头110、第一段鱼身骨架121、第二段鱼身骨架122、鱼尾130组成了具有三个关节的机械鱼，并且每个关节能够使相邻的两个部件相对的绕竖直轴线旋转。在关节处设置有驱动装置，用于驱动每个关节的运动。所述驱动装置包括舵机131和舵机固定架132。通过舵机固定架132将舵机131进行安装固定，通过舵机131输出的旋转运动实现了每个关节的运动。

在所述鱼身骨架外侧套合有鱼皮140，所述鱼皮140采用橡胶制成，使其具有良好的弹性和防水性。所述鱼皮140的前端与鱼头110的后端密封连接，所述鱼皮140的后端与鱼尾130的前端密封连接，使整个机械鱼具有了防水性能，能够自由的在水中游动，不会使水进入到机械鱼内部。

如图3、图7所示，在另一实施例中，所述鱼头110的左右两端分别设置有向外突出的鱼鳍板113。所述鱼鳍板113的大部分位于鱼头110的外部，有一小部分位于鱼头110的内部。所述鱼鳍板113通过转轴114与鱼头110连接，使鱼鳍板113能够相对于鱼头110上下摆动，增强机械鱼游动的稳定性。在鱼头110内设置有摆动机构，通过摆动机构的驱动使鱼鳍板113上下摆动。

如图7所示，所述摆动机构包括弹簧151、衔铁152和电磁铁153。其中，所述弹簧151呈竖直布置，其顶部与鱼头110固定连接，底部与鱼鳍板113的上表面固定连接，通过弹簧151为鱼鳍板113施加一个向上的拉力，使鱼鳍板113位于鱼头110外的部分向下摆动。衔铁152固定在鱼鳍板113的下表面上，电磁铁153位于鱼鳍板113的下方，当电磁铁153通电后能够吸引所述衔铁152，并且能够克服弹簧151的拉力，使鱼鳍板113位于鱼头110外的部分向上摆动。即通过电磁铁153不断的通电断电，实现了鱼鳍板113的不断上下摆动。

通过摆动机构控制鱼鳍板133上下摆动，并且使鱼鳍板133上下摆动的频率f满足：

本发明提供的机器鱼，具有三个关节，通过舵机实现了关节的转动，使机器鱼在水中游动时能够灵活的实现前进、左转弯和右转弯，游动姿态与真鱼相似度高，效果逼真；本发明具有良好的防水性能，能够保护机器鱼内部的部件不水的侵蚀，使机械鱼能够在水中下潜的深度更深，时间更久。鱼皮具有良好的弹性，在鱼身骨架发生转动时不会使鱼皮开裂，能够对机器鱼进行更好的保护。本发明提供的机器鱼，具有可摆动的鱼鳍板，通过对鱼鳍板的摆动频率的设计，能够使机器鱼在水中游动的更为稳定。

本发明还提供了一种机器鱼的水下目标跟踪方法，包括如下步骤：

步骤一、获取目标标志物的图像，如图8所示，即在机械鱼寻找目标之前先将目标标志物进行拍摄，得到目标标志物的图像。图8中可知目标标志物为一个方形物体。

步骤二、对目标标志物图像进行颜色识别，获取HSV颜色空间中的Hue色度分量，计算目标标志物图像的颜色直方图

式中，C为归一化系数，k为核函数，n为样本点数，b()函数表示像素属于哪个直方图区间，u为直方图的颜色索引；δ()函数判别像素处灰度值是否属于直方图第u个单元；

步骤三、计算每一个像素点的权重，用到该点的颜色在目标标志物图像中的概率密度，

其中m为直方图单元数。

步骤三、使用机器鱼前端的图像采集装置采集前方视频图像，计算出视频图像的颜色直方图，然后与目标标志物图像的颜色直方图进行比对，相似 度大于设定的阈值，则识别到目标标志物；所述阈值设定为0.8。如图8所示，机器鱼前端的图像采集装置拍摄到了前方视频图像，经判别其是目标标志物。

步骤四、通过计算图像区域的0阶距M₀₀和1阶距M₀₁M₁₀进行目标标志物具体位置搜索

步骤五、调整搜索区域的大小移动到目标标志物的中心位置，从而计算出目标标志物的位置(x_c,y_c)

如图9所示，通过调整搜索区域的大小，使目标标志物位于图像中心，得到了其位置。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。