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专利号: 2023106659613
申请人: 浙江理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-07-01
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种自动躲避的仿海鬣蜥机器人的水下运动控制方法,包括以下步骤:

1)机器人按照预定航向角向着目标位置前进,双目摄像机拍摄水下的图像;

2)上位机根据躲避算法处理图像并计算出机器人位置和障碍物位置,然后根据路径规划得到躲避航向角,再根据运动模型向单片机发出控制指令;

3)单片机根据尾部和四足的运行状态做出反馈,控制尾部和四足运动,精准控制机器人水下运动,机器人自动躲避障碍物并朝目标位置逼近;

所述仿海鬣蜥机器人包括头部、躯干、尾部和四足;所述头部设有双目摄像机,躯干设有上位机模块与单片机模块;上位机模块电连接双目摄像机与单片机模块,单片机模块电连接尾部和四足;

所述路径规划包括根据机器人位置、障碍物位置、目标位置,建立虚拟势场,目标位置对机器人产生引力,障碍物对机器人产生斥力,根据所受合力的方向与大小决定躲避航向角,不断获取躲避航向角以确定到达目标位置的避障路径;

所述引力公式为:

其中:Fatt为目标位置对机器人的引力,Uatt为引力势场,q为水下机器在水中位置,qgoal为目标位置,ε为尺度因子,ρ(q,qgosl)为机器人位置与目标位置的欧几里德距离,dgoal为防止引力势场过大的阈值,可根据仿海鬣蜥机器人周围环境状况修改;

所述斥力公式为:

其中:Frep为合斥力,Frep1为防止碰撞排斥分力,Frep2为防止陷入局部极小值的排斥分力,Urep为改进式的斥力势场,nOR为与Frep1同向的单位向量,nRG为与Frep2同向的单位向量,n为正数,η为正比例系数,ρ(q,qobs)代表物体和障碍物之间的距离,ρ0代表障碍物对目标点的影响半径,pobs为障碍物位置;

所述躲避航向角的计算公式如下:

其中:目标位置为(Xgaal,Ygoal),机器人位置为(X,Y),第i个障碍物位置为(Xobsi,Yobsi),Fatt为目标位置对机器人的引力,Frep1i为i个障碍物位置对机器人的防止碰撞排斥分力,Frep2i为第i个障碍物位置对机器人的防止陷入局部极小值的排斥分力,θ为机器人到目标值的向量角,αi为第i个障碍物到机器人的向量角,为机器人避障航向角。

2.根据权利要求1所述的一种自动躲避的仿海鬣蜥机器人的水下运动控制方法,其特征在于:所述躲避算法包括:

1)水下障碍物图像预处理

将图像分割成多个区域,通过计算区域对比度获取每个区域的显著性值,如果识别出障碍物,在图像上进行标注,进入下一步,否则按照预定航向角前进;

2)水下障碍物图像动态识别

①获取障碍物

确定图像中障碍物的基本几何元素,运用视觉计算,通过迭代的方法进行极小化,即给定一个初始圆圈,经过迭代,向外扩展,任意方向在碰到图像障碍物的基本几何元素后停止扩展,而其他方向继续扩展,并最终收敛于目标轮廓,采用Snakes算法,框选出障碍物以获取障碍物轮廓;

②获取二维描述

将前后获取的不同图像中的障碍物轮廓进行对比,确定障碍物的运动状态,如果障碍物是运动的,进入下一步;

③获取物体定整的三维描述

将前后获取的图像中的障碍物轮廓进行对比,判断障碍物的运动方向;

3)障碍物水下定位

将图像进行灰度化处理,运用RGB模型,计算出R、G、B的平均值作为灰度值:I(x,y)=(R(x,y)+G(x,y)+B(x,y))/3;

其中I(x,y)表示位于(x,y)处的像素,R(x,y)、G(x,y)、B(x,y)为该点像素的R分量、G分量、B分量值分别的灰度化;

读取图像上框选出的障碍物轮廓外的不同检测点的灰度值I,若连续n个邻域检测点大于阈值P,判定检测点为特征点,将特征点与海域图像数据库进行比对,如果图像匹配则得到障碍物位置和机器人位置。

3.根据权利要求2所述的一种自动躲避的仿海鬣蜥机器人的水下运动控制方法,其特征在于:所述运动模型包括:当机器人在水中上升或下潜时,控制尾部摆动,四足缩起;

当机器人曲线运动时,控制尾部轻微摆动来调整方向;

当机器人在海底直线爬行时,控制四足做对角步态运动,尾部拖行不摆动;

当机器人在海底直线爬行遇到障碍物时,控制尾部摆动来调整方向,同时四足运动;

当机器人在近海底游动时,未碰到障碍物时仅尾部摆动,四足缩起,遇到障碍物控制四足运动来蹬离障碍物;

当遇到海浪时,控制四足和尾部共同运动以保持稳定。