楊 靜

(沈陽科技學院，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

海洋覆蓋地球一半以上的表面積，是所有生物生命的起源，人類的生活與生產(chǎn)也越來越離不開海洋。當前海洋事業(yè)得到了快速的發(fā)展，工作環(huán)境也越來越復雜，對于水下的探索運載工具的要求也逐漸提高[1]。仿生學是一門專門研究并模仿自然界中各類生物特殊本領的學科，對于生物的形態(tài)、運動、視覺等均可進行模仿。仿生機器魚是一種模仿魚類在水中游動的推理機理，同時結(jié)合電子領域、控制領域、機械領域等多領域?qū)W科，實現(xiàn)在水中進行推進的運動機器人[2]。仿生機器魚在實際應用中具有機動性強、噪聲低、效率高、擾動小等優(yōu)勢。但水下工作環(huán)境日益復雜化和特殊化，使得仿生機器魚的路徑規(guī)劃很難直接移植工業(yè)機器人、移動機器人的規(guī)劃方法，實現(xiàn)對仿生機器魚的控制。因此，本文通過結(jié)合雙目視覺技術(shù)，提出一種全新的仿生機器魚路徑規(guī)劃方法。

1 基于雙目視覺的仿生機器魚路徑規(guī)劃設計

1.1 基于雙目視覺的仿生機器魚運動控制

在仿生機器魚運動過程中，采用雙目視覺技術(shù)，將對應的坐標值、速度大小以及轉(zhuǎn)動角度等參數(shù)控制其運動。利用雙目視覺傳感器完成視頻信號采集、無線傳輸、幀同步等功能，并將采集到的圖像信息轉(zhuǎn)換為仿生機器魚能夠進行識別的統(tǒng)一格式，方便對圖像進行處理[3]。在跨平臺計算機視覺和機器學習軟件庫中，對圖像分析、結(jié)構(gòu)分析以及運動分析分別進行定義，由于流媒體處理開發(fā)包中獲取到的圖像采樣是一段在內(nèi)存中連續(xù)地滿足特殊格式的空間，而視覺與機器學習庫中的圖像格式通常為IplImage格式。因此，本文在對仿生機器魚進行運動控制時，將雙目視覺傳感器采集到的視頻圖像格式均轉(zhuǎn)換為視覺與機器學習庫可識別的IplImage格式[4]。在仿生機器魚運動過程中，采用多目立體視覺測距的方法，假設目標點為T，P1和P2分別表示為目標點兩側(cè)相同焦距的攝像頭光心，T1和T2分別表示為空間中目標點在左右攝像頭中映射的投影點，l表示為目標點到攝像頭之間的距離，即仿生機器魚運動深度值。結(jié)合相似三角形定理得出如下公式：

(1)

公式(1)中，f表示為攝像頭的焦距；b表示為攝像頭景深；m+n表示為空間目標點在兩個攝像頭當中的視覺差。通過雙目攝像頭測距可將原本三維空間中的深度值轉(zhuǎn)換到二維圖像中，從而方便找尋與目標點對應的匹配點。

1.2 防碰撞路徑規(guī)劃

為保證在仿生機器魚運動過程中對障礙物自動避讓并形成運動路徑，本文以圖1為例，對仿生機器魚防碰撞路徑進行規(guī)劃。

圖1 仿生機器魚障礙避讓路徑示意圖

圖1中8，11，15，19均表示為仿生機器魚在運行過程中會遇到的障礙，仿生機器魚的位置由起始點開始，分別從1，2，3，10，16目標點對障礙物進行躲避。結(jié)合遺傳算法，將初始種群設為遺傳算法的起始點，由一定數(shù)目的個體組成初始種群，為了使該防碰撞路徑規(guī)劃具有全局最優(yōu)性，要求初始種群應當隨機分布在需要進行搜索的海域空間中[5]。采用剪短無障礙路徑的方式，對初始種群進行選擇，再根據(jù)個體適應度函數(shù)得出：

(2)

公式(2)中，x表示為個體在通過柵格模型的柵格數(shù)量總和；A表示為兩個相鄰個體之間的直線距離之和。將公式(2)作為修正項，利用其對仿生機器魚運行過程中中間斷點太遠的路徑進行消除，從而獲取適應度最高的防碰撞規(guī)劃路徑。

2 實驗論證分析

通常情況下，仿生機器魚的程序運行環(huán)境為微軟Visual Studio .NET 1708C++。因此，為驗證本文提出的基于雙目視覺的仿生機器魚路徑規(guī)劃設計的應用優(yōu)勢，需要根據(jù)本文雙目視覺組成在C++環(huán)境當中完成對仿真實驗的編寫，從而判斷本文路徑規(guī)劃方法與傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法的可行性。在仿真實驗環(huán)境中設置多個障礙物，分別利用結(jié)合本文規(guī)劃方法的仿生機器魚與傳統(tǒng)規(guī)劃方法的仿生機器魚在該水域環(huán)境中進行運動，將兩種運動結(jié)果繪制成如圖2所示的實驗結(jié)果對比圖。

從圖2可以看出，結(jié)合傳統(tǒng)規(guī)劃方法的仿生機器魚在運行過程中分別在圖中兩個位置出現(xiàn)了與障礙物碰撞，重新規(guī)劃路線的問題，而結(jié)合本文規(guī)劃方法的仿生機器魚在運行過程中可以平穩(wěn)完成運行達到目標點。由于兩種仿生機器魚的運行速度相同，但傳統(tǒng)規(guī)劃方法中出現(xiàn)了兩次碰撞會增加運行時間，因此二者相比，本文規(guī)劃方法的仿生機器魚到達目標點時的用時更短。因此，通過實證證明，本文設計的基于雙目視覺的仿生機器魚路徑規(guī)劃方法的規(guī)劃路徑更合理，能夠滿足仿生機器魚在水中的運動過程中不發(fā)生碰撞，順利到達目標點。

圖2 實驗結(jié)果對比圖

3 結(jié)語

路徑規(guī)劃在移動機器人技術(shù)領域中，尤其是仿生機器魚的路徑規(guī)劃一直是一個熱點和難點。本文通過結(jié)合雙目視覺技術(shù)，提出一種全新的仿生機器魚路徑規(guī)劃方法完成了在靜態(tài)的全局環(huán)境中進行全局路徑的有效性和優(yōu)越性規(guī)劃。在后續(xù)的研究中還將針對在不同環(huán)境下的仿生機器魚路徑進行規(guī)劃設計，從而實現(xiàn)仿生機器魚在未知環(huán)境中對動態(tài)障礙物的避讓。