基于计算机视觉和水迷宫的鲤鱼机器人生物控制检测研究

摘要

动物机器人利用动物自身优势，与现代电子技术、传感技术、网络控制等相关技术结合来实现对动物运动的人为控制。本课题动物机器人选取水生动物鲤鱼作为研究对象，结合双目立体视觉技术与水下迷宫对控制中的鲤鱼机器人进行控制行为研究。
　　控制方面，对迷宫系统作了较全面介绍，在两种不同状态下对鲤鱼机器人的延脑与小脑进行了电刺激实验研究。离水状态下对鲤鱼进行了开颅手术，分别对鲤鱼延脑以及小脑各个功能区进行了不同参数与深度的电刺激，并选取部分刺激坐标进行了数据分析；在此基础上，选取刺激效果明显的脑区进行另一种状态下的实验研究，即基于水迷宫的水下控制研究，利用脑立体定位仪在相应位置植入电极，搭载好水下刺激装置后放入自主研发的多通道水迷宫中进行无线控制实验，控制鲤鱼机器人使其按照预先规划的路径进行运动。
　　视觉方面，搭建双目立体视觉系统，并对双目摄像机进行标定，求解摄像机内外参数，为后续鲤鱼机器人三维运动轨迹的重建奠定了基础。通过双目摄像装置拍摄控制视频，先对视频帧图像进行图像预处理，然后采用帧间差分与混合高斯背景建模结合的方法对鲤鱼运动目标进行提取。根据提取的鲤鱼运动目标，进行以下处理，一是进行鱼体骨架提取：对骨架点进行曲线拟合，建立鱼体运动模型，从而获取鱼尾的摆动频率以及幅值；二是进行鲤鱼机器人三维运动轨迹的重建：利用质心跟踪算法先对迷宫中的鲤鱼机器人进行目标跟踪并绘制了它的二维运动轨迹，然后利用视差法求取空间点的三维坐标，利用坐标进行鲤鱼机器人三维运动轨迹的重建，通过运动特征求取公式对所需特征参数进行求解，包括位移、速度、加速度、转角等在内的多种鱼体运动参数，并绘制了对应曲线图。最后建立BP神经网络，对鲤鱼机器人小脑和延脑可控程度进行效果评估。根据获得的各种运动参数及图形分析鲤鱼运动特性，通过分析反馈数据，对控制进行改进，进而提高控制的成功率。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 动物机器人国内外相关研究进展

1.3 计算机视觉国内外相关研究进展

1.4 迷宫国内外相关研究进展

1.5 课题研究目的及意义

1.6 本文的主要研究内容

第2章 相关理论及技术研究

2.1 动物理论基础

2.2 组合式水迷宫系统

2.3 计算机视觉技术

2.4 本章小结

第3章 鲤鱼鱼体的骨架提取及运动模型建立

3.1 鱼体图像增强

3.2 常用运动目标检测算法研究

3.3 鲤鱼目标检测

3.4 鲤鱼骨架提取

3.5 鲤鱼运动特征计算

3.6 本章小结

第4章 鲤鱼机器人控制实验研究

4.1 离水状态下鲤鱼延脑与小脑的探查刺激实验

4.2 基于水迷宫的鲤鱼延脑与小脑的对比刺激实验

4.3 本章小结

第5章 三维运动轨迹重建与基于BP神经网络的控制行为检测

5.1 运动目标跟踪理论

5.2 鲤鱼机器人目标跟踪

5.3 鲤鱼机器人三维运动轨迹重建

5.4 控制行为参数的定义

5.5 控制效果检验

5.6 基于BP神经网络的鲤鱼机器人可控程度评估

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢