一种基于视觉的仿生机器鱼实时避障综合方法

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1、第卷第期控制与决策年月文章编号一种基于视觉的仿生机器鱼实时避障综合方法陈尔奎喻俊志王硕谭民江南大学信控学院江苏无锡中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学重点实验室北京摘要提出了一种基于视觉的仿生机器鱼实时避障综合方法该方法基于颜色模型利用指令和指令采用并行处理算法实现图像的快速处理然后基于栅格法建立环境模型利用势场法获得优化路径规划策略在此基础上采用模糊方法对机器鱼的运动方向进行控制利用速度分布函数对机器鱼的运动速度进行控制实验结果表明了所提方法的有效性和可达性关键词仿生机器鱼视觉信息实时避障综合方法中图分类号文献标识码引言度的限制实时性是制约机器鱼导航与实时避障的目前仿

2、生机器鱼的研究重点主要集中在仿鱼关键问题由于流体力学和运动学的复杂性试图通推进模式的水动力学模型和开发高效高机动性的过建立数学模型控制机器鱼的运动方向是极其困难机器鱼等方面而对机器鱼的导航与避障方法的此外受水动力学惯性的影响虽然实验用机器研究较少机器鱼导航与实时避障的研究涉及到机鱼的速度已降为零但机器鱼仍会在水中漂移一段器鱼本体和障碍物的识别与定位以及机器鱼的运距离因此如何在速度和应力之间找到一种平衡是动方向和速度控制视觉系统是用于机器鱼识别与机器鱼平稳运动至关重要的一环定位的传感器但受图像处理技术和计算机运算速基于此背景本文提出了一种基于视觉信息的收稿日期修回日期基金项目

3、国家计划项目作者简介陈尔奎男山东成武人高工博士从事机器人智能控制等研究喻俊志男湖南长沙人博士生从事多机器人系统机器鱼控制等研究第期陈尔奎等一种基于视觉的仿生机器鱼实时避障综合方法仿生机器鱼实时避障方法利用和技术为判别依据在检测待检像素时满足约束条件的数据处理并行性来提高机器鱼图像处理的实时性采用模糊方法对机器鱼的运动方向进行控制运用分段速度控制策略在速度和应力之间寻求平稳即可认为是要检测的点式中和分别为性以此对机器鱼的运动速度实施控制最后在研色调的最小阈值和最大阈值和分别为饱制的机器鱼上实现了上述算法和度的最小阈值和最大阈值和环境描述均在初始人机交互模块中设定并优化研制的机

4、器鱼长宽高为了消除图像在量化和传输过程中产生的寄在有障碍物的水池中运动研究重点在于验证算法生效应应对颜色分割后形成的二值化图像进行平的可行性障碍物的形状并不重要因此在水池中放滑化处理在平滑过程中采用点邻域平均法置了若干个半径不同的圆形障碍物利用悬挂在水平滑处理后对于大于某一阈值的实体目标点集合池正上方的像机作为传感器采集水池环境信且分别计算其坐标的质息并用正方形栅格选鱼长的一半约作为心和坐标的质心则目标域的质心坐栅格的边长将此信息映射到像平面内每一个栅格标为其中有一个累积值规定值的范围为用来表示此栅格中存在障碍物的可信度在机器鱼运动过程中环境不断被像机检测存在障碍物这里为目

5、标区域内的像素点数通过目标的栅格若被重复检测则其值会增加否则维区域质心坐标的计算可识别机器鱼障碍物等实持原值不变整个过程如图所示体的中心位置在图像识别过程中像素点和像素点之间在时间空间上相互独立且运算结果互不相关因此为了充分利用机器的字长优势采用技术和技术的数据处理并行性采用汇编语言编写图像处理程序在程序中实现一次对多个像素点的并行操作即在一次操作中把多个像素组合成像素组作为输入经过处理后识别机器鱼障碍物等实体的时间约为左右能够满足实时性要求路径规划和避障策略图检测的矩形区域以机器鱼不碰到障碍物而游到目标点的距离机器鱼和障碍物的图像识别算法和为代价函数希望在机器鱼运动空间内

6、快速视觉导航中图像处理的速度是关键在图像识找到一条无碰撞的最小另外考虑到机器鱼将别算法中颜色信息是主要的识别依据考虑到场地来的应用环境主要是全局未知环境因此把以机器背景和机器鱼本体的特征识别采用色标法给机器鱼与目标点之间连线为对角线的矩形区域内环境当鱼和障碍物都贴上一定的颜色标志作感知信息随着机器鱼的移动矩形的大小也在变对同一颜色属性物体在光源种类照度物体化矩形变化一次若障碍物仍在其内则其值反射特性等不同条件下经摄像机采集的视频增加如超过则不再增加信号的颜色值分布很散且个分量关联变化定义图所示的矩形区域内的障碍物数目为很难确定颜色分割时的阈值因此本文采用第个障碍物距机器鱼与

7、目标点之间连线的垂直表色系统即采用色调饱和度和亮度来距离为距机器鱼的距离为量化颜色信息由于不同的物体很少具有相同并设定门槛值为导航与避障策略如的色度和饱和度同时强度分量受环境光照影响大下且对颜色分割的影响不大故在对机器鱼障碍物等对所有的障碍物如果则使机器鱼实体的颜色分割时可只选取色调和饱和度作直接向目标点运动控制与决策第卷如果只有一个障碍物并且其安全距离小于为加速匀速减速和漂移个阶段限于篇幅本文则在该障碍物四周各一定数目的栅格内寻找最对此不再作详细介绍小的然后使机器鱼按照规划的路径向目标点实验结果运动基于视觉的导航