一种能自动追踪金鱼的水下机器人的制作方法

本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种能自动追踪金鱼的水下机器人。

背景技术：

机器人技术是一种新兴的智能制造技术，在国内外受到广泛应用。自主水下机器人是一种能够在水面以下几米甚至上千米、上万米深度进行自主航行的机器人，具有自动航行、自主导航、自主执行水下任务的能力。与无人机、无人车和无人船相比，它所处的任务环境更为复杂，所使用的传感器和推进系统也不同。具体表现在：1)高频无线电波在水下十几米以下深度无法使用，将会导致操作人员与水下机器人难以保持良好的通信联系；而采用水声通信机，不仅成本高，且通信速率与容量都无法与无线电波相比；2)电子元部件等任何非水密电子部件、机械部件、推进部件均须做水密、耐压保护，否则将发生渗水、漏水导致不能正常水下航行。

目前，现有技术对鱼类的探测追踪主要依赖于范围性的声学设备，缺少能够精确追踪观察鱼个体的水下机器人。本专利是一种面向追踪金鱼的微型水下机器人，具有较高的可靠性、便捷的操作性以及一定的实用性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种能自动追踪金鱼的水下机器人。

为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是：

提供一种能自动追踪金鱼的水下机器人，包括结构系统、水下控制系统和目标识别与追踪系统；

结构系统包括载体框架、带透明摄像窗的耐压外壳、配重块、推进器和电池；耐压外壳包裹在载体框架外，配重块和推进器安装在耐压外壳上，电池安装在载体框架内；

水下控制系统包括安装在载体框架上的基本控制模块和电机驱动模块，以及安装在耐压外壳外部的压力传感器；基本控制模块通过信号线连接至电机驱动模块和压力传感器，实现数据通信；电机驱动模块通过电源线连接至推进器；

目标识别与追踪系统包括距离测算软件模块、目标识别追踪软件模块和安装在耐压外壳透明摄像窗内的摄像模块，该摄像模块通过信号线与基本控制模块连接，实现数据通信；所述距离测算软件模块及目标识别追踪软件模块内嵌在摄像模块中。

作为一种改进，载体框架是由pla材料制作而成；耐压外壳由透明的有机玻璃或亚克力制作而成；配重块采用平衡粘块。

作为一种改进，基本控制模块包括stm32f103c8t6单片机及辅助电路。

作为一种改进，电机驱动模块采用risym12v15a大功率直流电机驱动模块，能控制正反转，能进行pwm调速。

作为一种改进，压力传感器采用gy-ms5803-14ba压力传感器防水模块，量程为0到14bar的压力，通信接口为i²c。

作为一种改进，摄像模块采用openmv3camm7智能摄像头，搭载ov7725感光元件和armcortexm7处理器，使用micropython语言进行程序开发。

作为一种改进，基本控制模块中设有电磁继电器，用于控制竖直推进器供电电源的通断。

作为一种改进，推进器有三个，其中一个设安装在耐压外壳顶部，并从中央贯穿载体框架，并配置12v直流潜水泵；另外两个推进器对称安装在耐压外壳外部两侧，且配置12v直流有刷电机和三叶螺旋桨，电池采用12v锂电池。

作为一种改进，水下机器人在空气中的重量小于4kg，长度小于15cm。

发明原理描述：

本发明中采用了目标识别和追踪方法，即利用颜色识别与轮廓识别结合的方法，实现目标的检测，并利用单目视觉估算与目标物之间的距离，进一步得到与目标物之间在三维空间中的相对方位。目标识别与追踪系统输出的信号通过信号线传输到基本控制模块中，后者再通过信号线控制机器人的前进、后退、转向、上浮和下沉等动作。

目标识别和追踪的原理为：金鱼具有明显的红色特征，采用颜色识别算法识别目标。先统计图像中央区域的颜色分布概率，并提取累积分布概率最大的颜色区间作为目标颜色特征。随后根据目标的方位信息，通过pi控制算法调节左右电机的转速，以及控制水泵的开关。定距追踪算法根据小孔成像原理，利用已知大小的目标在图像中的面积，估算镜头与目标之间的距离，随后通过pi控制算法对左右电机的转速进行调节。具体调节方法为：如果目标在镜头中心线左侧，则位于左侧的推进器内的电机转速减小1/4，右侧的推进器内的电机转速增大1/4；如果目标在镜头中心线右侧，则左侧的推进器内的电机转速增大1/4，右侧的推进器内的电机转速减小1/4；如果目标居中，则左右电机转速不变。

本发明中的基本控制模块，即上述单片机，包括机动控制器。机动控制器的水平推进器转速控制输出量通过下述公式计算获得：

v＝v0+kp(x-xd)+kd(x-x0)

上述公式中：v是水平推进器转速，是控制输出量。v0是前一时刻的水平推进器转速。x是当前方位，xd是当前目标方位，两者均为状态量，能通过摄像模块5的处理和计算得到。x0是前一时刻的方位。(x-xd)是方位误差，(x-x0)是水平速率，两者是控制输入量。kp是方位误差系数，kd是水平速率系数，均能通过试验测定获得，是已知参数。

本发明中，距离测算器软件模块通过下述公式估算与目标之间的距离：

其中d为估算得到的距离，k是与摄像头有关的已知参数，l是已知的目标物的纵向高度，r是目标物在图像中的纵向高度与图像总高度的比值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明尺寸小、重量轻、操作简便、无需其他辅助设备，没有任何专业背景的个人即可操作。

(2)本发明价格低廉，能够让每个用户有能力使用。

(3)本发明能够自动对金鱼进行识别和追踪，具有一定的实用性及很强的趣味性、观赏性。

附图说明

图1是本发明的组成示意图。

图2是本发明的推进器及摄像模块安装位置示意图。

图中附图标记：1-耐压外壳；2、3、4-推进器；5-摄像模块。

具体实施方式

首先需要说明的是，本发明涉及机器人技术。在发明的实现过程中，可能会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技术实现本发明。凡本发明申请文件提及的均属范畴，申请人不一一列举。另外，本发明的实现依赖于多种电子元器件的应用，而这些电子元器件均为现有技术，且有成熟产品可市场购置获得，例如下面提到的基本控制模块、电机驱动模块、压力传感器、摄像模块5等等。

本发明提供的一种能自动追踪金鱼的水下机器人，水下机器人在空气中的重量小于4kg，长度小于15cm。包括结构系统、水下控制系统和目标识别与追踪系统。

结构系统包括载体框架、带透明摄像窗的耐压外壳1、配重块、推进器2、3、4和电池。载体框架是由pla材料制作而成。耐压外壳1包裹在载体框架外，耐压外壳1由透明的有机玻璃或亚克力制作而成。配重块采用平衡粘块。配重块和推进器安装在耐压外壳1上，电池、水下控制系统和目标识别与追踪系统安装在载体框架上。推进器2、3、4有三个，推进器2在耐压外壳1顶部，并贯穿至载体框架底部，同时配置12v直流潜水泵。推进器3与推进器4对称安装在耐压外壳1两侧，且配置12v直流有刷电机和三叶螺旋桨。电池采用12v锂电池。

水下控制系统包括安装在载体框架上的基本控制模块和电机驱动模块，以及安装在耐压外壳1外部的压力传感器。基本控制模块通过信号线连接至电机驱动模块和压力传感器，实现数据通信。基本控制模块中设有电磁继电器，用于控制竖直推进器供电电源的通断。基本控制模块包括stm32f103c8t6单片机及辅助电路。电机驱动模块通过电源线连接至推进器。电机驱动模块采用risym12v15a大功率直流电机驱动模块，可控制正反转，可进行pwm调速。压力传感器采用gy-ms5803-14ba压力传感器防水模块，量程为0到14bar的压力，通信接口为i²c。

目标识别与追踪系统包括距离测算器软件模块、目标识别追踪软件模块和安装在耐压外壳1透明摄像窗内的摄像模块5，该摄像模块5通过信号线与基本控制模块连接，实现数据通信。摄像模块5采用openmv3camm7智能摄像头，搭载ov7725感光元件和armcortexm7处理器，使用micropython语言进行程序开发。距离测算器软件模块及目标识别追踪软件模块基于openmv3的色块识别库函数开发得到。

本发明中基本控制模块，即上述单片机，包括机动控制器。机动控制器的水平推进器转速控制输出量通过下述公式计算获得：

v＝v0+rp(x-xd)+kd(x-x0)

上述公式中：v是水平推进器转速，是控制输出量。v0是前一时刻的水平推进器转速。x是当前方位，xd是当前目标方位，两者均为状态量，能通过摄像模块5的处理和计算得到。x0是前一时刻的方位。(x-xd)是方位误差，(x-x0)是水平速率，两者是控制输入量。kp是方位误差系数，kd是水平速率系数，均能通过试验测定获得，是已知参数。

本发明中，距离测算器软件模块通过下述公式估算与目标之间的距离：

其中d为估算得到的距离，k是与摄像头有关的已知参数，l是已知的目标物的纵向高度，γ是目标物在图像中的纵向高度与图像总高度的比值。

以上，仅是本发明的一个实施案例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出某些更动或修改而成为等同变化的等效实施案例。