基于仿生机器鱼的水下网箱破损视觉检测方法研究

随着我国水产养殖业的快速发展,网箱养殖已成为我国渔业发展的重要方向。网箱破损是水产养殖中遇到的主要问题,但破损检测存在人工作业风险高、网箱破损定位难和水下图像质量差的问题。文章以水下仿生机器鱼为载体,提出了水下网箱破损视觉检测方法。针对水下网箱破损定位问题,建立了水下成像几何模型,可实现坐标转换和目标定位;针对水下视频数据存在视角摆动和亮度失真问题,提出了基于特征信息的图像稳像方法和融合导向滤波的图像增强算法;针对网箱破损检测过程中图像特征提取难度大和误差率高问题,应用边缘检测特征提取算法实现了高精准的网格特征提取和检测。实验结果表明,该方法对网箱破损识别率达93%,定位误差在5%以内,可准确检测和定位网箱破损。     

仿生机器鱼研究的进展与分析

介绍了仿生机器鱼具有效率高、机动性好、噪音低、对环境扰动小的特点和几种分类方法, 以及国内外在鱼类推进机理和仿生机器鱼研制方面的成果和现状, 在此基础上分析了机器鱼研究的主要内容: 鱼类推进理论模型、仿生机器鱼机械结构、仿生机器鱼游动的推进速度、运动方程、Q效率、Q功率等方面的客观规律, 特别是其控制性能和相关技术问题.     

机器鱼在线功率检测系统设计与实现

水下仿生机器鱼由于其高效而灵活的水下运动而受到广泛关注.至今,人们对于水下机器人的研究主要集中在运动仿生以及动力学机理解释等方面,对于机器鱼的运动中的实时功率消耗研究还几乎空白.其中一个主要原因是水下机器人的功率消耗不能直接实时获得,因而提出了一个实时在线高速功率测量系统,通过该系统能够实现5000S/s的采样速率,获得精确的机器鱼在水中运动下的实时功率,从而为后期提高机器鱼游动效率的研究做基础铺垫.一系列实验证明了其对水下机器人的实时效率检测的有效性.此外,实现对机器鱼的功耗评估能够更好地为设计节能型水下航行器提供有力的指南.     

水下仿生机器鱼的研究进展I——鱼类推进机理

仿生机器鱼技术是近年来水下机器人领域研究的热点之一 ,它为研制高效、高机动性和低噪声的水下运载器提供了新的思路 .本文以鱼的脊椎曲线为研究对象 ,提出了一种新的鱼类推进机理——波动推进 ,分析了波动推进过程中的运动阻力 .通过鱼类游动观测实验和仿生机器鳗鱼的研制 ,验证了该理论的有效性     

水下仿生机器鱼的研究进展I——鱼类推进机理

仿生机器鱼技术是近年来水下机器人领域研究的热点之一，它为研制高效、高机动性 和低噪声的水下运载器提供了新的思路．本文以鱼的脊椎曲线为研究对象，提出了一种新的 鱼类推进机理——波动推进，分析了波动推进过程中的运动阻力．通过鱼类游动观测实验和 仿生机器鳗鱼的研制，验证了该理论的有效性．     

基于仿生学和北斗技术的水质检测机器鱼研究与设计

针对常规水质检测方法,存在检测效率低、范围小的问题,提出以研制仿生机器鱼为平台的低成本水质检测方案。以鱼体结合尾鳍的BCF推进模式作为研究对象,分析鱼体波包络曲线的游动机理。运动学参数化计算研究BCF鱼体推进运动姿态,结合CFD流体分析优化机器鱼系统,搭建基于北斗系统BDS的导航定位和水质样本采集系统,并通过实验样机验证了机器鱼检测水质的可行性。     

基于CFD的仿鲹科机器鱼动力学建模与运动控制

仿生机器鱼的运动控制是仿生机器鱼推广应用的基础;然而,仿鲹科机器鱼的推进一般采用鱼体波数据,很少采用真实鱼类游动数据;为了深入探究仿鲹科机器鱼运动控制方法,采用了计算流体力学方法,通过标定流体介质、来流速度、鱼体几何形状等措施,利用Fluent软件进行了建模,然后针对鱼体波数据和真实金枪鱼游动采样数据两种不同推进数据对仿生机器鱼进行了仿真和实验;结果表明对于多关节仿生机器鱼推进方面,真实金枪鱼游动采样数据相较于常见的鱼体波产生的推进数据,在躯干进行大幅值摆动的情况下效果更好;这一仿真和实验对比为仿鲹科机器鱼的高效运动控制提供了一种新思路。     

一种2自由度胸鳍推进机构设计与动力学分析

以箱鲀为仿生对象,设计了一种两侧胸鳍对称布置,单侧2自由度胸鳍能够实现摇翼运动、前后拍翼运动以及两者复合运动的仿生机器鱼,建立了其利用"划水模式"推进的水动力学模型,通过数值方法给出了胸鳍摆动周期、幅值以及初始角的变化与直线游动速度之间的关系,实验结果验证了其有效性.在此基础上,确定了所设计仿生机器鱼采用"划水模式"推进时的直线游动模态.研究结果表明,胸鳍"划水模式"推进的仿生机器鱼具有较高的效率和运动速度.     

仿生机器鱼S形起动的控制与实现

给出一种仿生机器鱼S形起动的控制方法.结合北美狗鱼S形起动的形态特征及水动力学知识, 建立了多关节链式结构仿生机器鱼的S形起动模型.整个过程设计为两个阶段: 1)弯曲阶段:以转向速度最大化为目标.在鱼体S形变保证重心稳定平移的前提下, 增大较长转向力臂处的转向力矩,提高转向速度,使鱼体迅速转向目标方向. 2)伸展阶段:以增大前推力为目标.始终保持部分将要伸展的鱼体垂直前进方向,以L形滑动方式打开鱼体. 同时,为保证转向精度,采用模糊控制调节已展开鱼体关节的小角度转动,实时纠正鱼体展开所引起的游动方向偏离. 在S形起动末期,采用变幅值——频率的中枢模式发生器(Central pattern generator, CPG)实现向稳态游动方式的过渡:前期为保证游动方向及获取较大推进力,采用小幅值——高频率的CPG信号, 后期则进入大幅值——低频率的稳态游动.最终,采用四关节仿生机器鱼验证了该方法的有效性, 实现了峰值转速为318.08±9.20°/s、转向误差为1.03±0.48°的较好结果, 对提升水下游动机器人的机动性能具有指导意义.     

仿生机器鱼运动学模型优化与实验

以仿生学为基础的机器鱼是一种新型水下机器人,具有高速、高效、节能等方面优势。为进一步探索仿生机器鱼的运动机理,指出了当前仿生机器鱼运动学模型存在的不足,即未考虑因制造、鱼体结构的影响,而产生的头部左右摆动。故在考虑仿生机器鱼头部摆动的情况下,构建头部摆动方程,引入摆动偏移量,修正其运动学模型。利用MATLAB对模型进行优化,分析结果表明修正后的运动学模型更能够描述实体仿生机器鱼的游动特性。最后,将修正后的运动学模型,运用到三关节仿生机器鱼上进行实验,结果表明,该模型能够有效地抑制仿生机器鱼头部摆动,进而提高了仿生机器鱼的游动速度。     

仿生机器鱼玩具的机构设计、仿真与实现

机器人技术的一个重要应用领域是在娱乐方面。在对鱼类游动方式深入研究的基础上,将仿鱼水下推进技术应用于玩具设计,给出了一种仿生机器鱼玩具的机构设计方案及系统的设计、仿真软件,并研制出可在水中运动的仿生机器鱼原型。     

基于微舵机控制的仿生鱼设计与实验分析

设计了微舵机控制的仿生鱼,结合鱼胸鳍和鱼尾鳍的配合动作,完成一系列的游弋动作。其中根据鱼类"波动推进理论"的游动机理,实现仿生鱼的前进、转弯运动;根据鱼类"胸鳍法理论"实现上浮、下潜运动;提出加减速游动方案,通过修改X值的方法,实现仿生鱼的加减速游。组装并进行水上模拟实验和水下实际实验,调试仿生鱼的各动作协调性,分析仿生鱼在水中的静态平衡和动态平衡问题。     

基于舵机控制的仿生鱼设计

为实现仿生机器鱼的设计,分析鱼类游动的特点,基于舵机的工作原理,提出了自主避障的仿生鱼设计方案。根据鱼类推进理论,对仿生鱼进行了机械结构设计、软件设计。     

形状记忆合金驱动仿生蝠鲼机器鱼的设计

研究了一种采用鳐科模式游动、柔性胸鳍摆动方式推进的形状记忆合金（SMA）丝驱动型仿生蝠鲼机 器鱼．首先,对双吻前口蝠鲼游动动作进行了分析,建立了蝠鲼胸鳍柔性摆动的简化运动模型．然后对能够模仿蝠 鲼肌肉动作的智能材料进行了分析．最后设计了SMA 丝驱动的柔性仿生胸鳍和仿生蝠鲼机器鱼,并分析了SMA 丝 的热力学特性,确定了控制规律．该机器鱼外形与双吻前口蝠鲼外形相似,身体呈现扁平形状,有一对三角形的柔 性仿生胸鳍,直线游动速度达到79 mm/s,最小转弯半径为118 mm．该机器鱼游动稳定性好,无噪声．     

胸鳍推进机器鱼俯仰稳定性分析

胸鳍推进机器鱼的胸鳍在通过扑动产生推力的同时,也会产生纵向扰动,引起机身的俯仰运动,对应用产生一系列的影响.本文在传统潜艇稳定性概念的基础上建立了胸鳍推进机器鱼的俯仰稳定性模型,证明了机器鱼的俯仰运动系统是一个二阶线性系统;分析了由胸鳍扑动引入的扰动,证明其中包含常量分量、扑动频率的一倍频分量和二倍频分量.最后进行了样机的游动实验,实验结果间接证明了俯仰运动模型和胸鳍扑动扰动模型的正确性.     

水下仿生机器鱼的研究进展Ⅳ——多仿生机器鱼协调控制研究

本文探讨了多仿生机器鱼群体游动协调的问题,这是仿生机器鱼技术研究的一个新的方向,目前尚无人涉足.首先研制了一套具有高效、高机动性的微小型多机器鱼平台,提出了基于AGENT的网格算法进行多机器鱼的定位和协调控制,利用该实验平台,进行了多机器鱼对抗和多机器鱼协调过孔的实验研究.     

基于边缘检测的图像分割方法及其在机器鱼中的应用

针对仿生机器鱼在目标识别、追踪任务中的需求,结合基于阈值的图像分割算法和基于Sobel算子的边缘检测技术,给出了一种基于目标图像阈值自适应调整策略的图像分割方法．克服了基于固定阈值的图像分割算法不能适应环境光照变化的缺点．该方法应用于仿生机器鱼的水下目标识别任务中,实验结果表明了该方法是有效的．     

水下仿生机器鱼的研究进展IV——多仿生机器鱼协调控制研究

本文探讨了多仿生机器鱼群体游动协调的问题，这是仿生机器鱼技术研究的一个新的 方向，目前尚无人涉足．首先研制了一套具有高效、高机动性的微小型多机器鱼平台，提出 了基于AGENT的网格算法进行多机器鱼的定位和协调控制，利用该实验平台，进行了多机器 鱼对抗和多机器鱼协调过孔的实验研究．     

SPC-3 UUV仿生机器鱼及其长航时实验

SPC3-UUV仿生机器鱼是为提高推进效率和续航力专门研制的水下仿生航行器平台.本文介绍了国内外水下UUV的发展状况,介绍了该平台的结构,控制系统以及动力推进系统设计,并在北戴河长航程实验中用了三分之一的动力电池航行了22.761km,续航时间6小时15分钟,平均航速1.03m/s.     

单驱动仿生机器鱼加速-滑行动态特性的数值研究

通过变截面悬臂梁受迫振动响应模拟鱼体变形,设计了单驱动仿生机器鱼.建立了机器鱼自主游动中变形体耦合动力学方程,运用数值仿真研究的方法探讨了其"加速-滑行"游动模式的动力特性.发现可以通过加速时间和滑行时间的组合得到更高的游动效率,拓展了机器鱼的高效运动控制模式.